fluent在燃烧方面的应用.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Fluent,应用,#,计算流体动力学,Computational Fluid Dynamics,Fluent,在燃烧模拟方面的应用,Fluent,应用,主要内容,第一章,Fluent,简介,第二章 边界条件,第三章,Gambit,建模及网格,第四章 燃烧相关设置,第五章 后处理,Fluent,应用,1.1,计算流体力学概述,1.什么是,CFD？,CFD,即计算流体力学,流体力学分支，,C,omputational,F,luid,D,ynamics，CFD,理论分析流体力学（,A,nalytical,F,luid,D,ynamics，AFD）,实验流体力学（,E,xperimental,F,luid,D,ynamics，EFD）,CFD,已随计算机技术的发展而变得越来越重要。,CFD,是利用计算机模拟真实流动现象,流体在一定的空间区域连续流动,将该区域离散为细小的网格单元,在这些单元内求解描述流动规律的数学方程,采用可视化技术等分析计算得到的流场,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.1,计算流体力学概述,2.为什么需要,CFD？,理论分析（,AFD）,可解决的问题非常有限制,描述流体运动的偏微分方程数学特性非常复杂，迄今为止只有很少数很简单的流动用,AFD,获得了结果,CFD,与实验研究（,EFD）,相比有独特的优势,不需要实验模型、风洞等，可节省大量的时间和经费,可以获得远比实验数据丰富、直观的三维流场结果,可以模拟许多难以进行实验的流动问题,能实现计算机的“虚拟”设计/分析，一定程度代替制造和测试,能认识和探索许多新的流动问题,CFD,技术已有较高的水平，并在发展；同时计算机运算能力每3年提高一倍，两者结合使,CFD,的作用越来越强。,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.2,计算流体力学的发展,CFD,技术产生晚，发展快，地位越来越重要,20世纪初开始的理论基础研究,松弛迭代、,CFL,条件、,Lax,定理等,6070年代初步形成数值计算能力，无粘线性问题计算,面元法，用于飞机和汽车工业,7080年代实现了无粘非线性问题的计算,全速势方程计算，激波装配法，不可压,N-S,方程计算,8090年代取得了,Euler/N-S,方程计算突破,TVD、MUSCL,等高分辨率格式，时间推进的有限体积法,90年代至今，,CFD,技术继续发展,ENO,格式、大涡模拟、直接数值模拟,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,化学工业,生物工程,体育竞赛,F-18,战斗机,X-43,高超音速飞机,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,化学工业,生物工程,体育竞赛,23/1/1999,美国风暴的卫星照片和预测图象,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,化学工业,生物工程,体育竞赛,舰船绕流的,CFD,模拟,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,化学工业,生物工程,体育竞赛,CFD,得到的汽车车身压力分布和气流流线,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,化学工业,生物工程,体育竞赛,水力发电和火电站的流动问题,CFD,模拟,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,其他工业,生物工程,体育竞赛,化工容器及管道流动问题室内通风等,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,其他工业,生物工程,体育竞赛,激光手术时眼球内液体流动,目录,本讲,游泳、自行车等竞赛,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,其他工业,生物工程,体育竞赛,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Mesh,Wall Shear Stress,罗茨泵,Fluent,应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,其他工业,生物工程,体育竞赛,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,煤粉炉,Fluent,应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,其他工业,生物工程,体育竞赛,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,燃烧模拟,Fluent,应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,其他工业,生物工程,体育竞赛,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,燃烧器模拟,Fluent,应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,CFD,计算的物理对象:,目录,本讲,流动的分类框架图,不可压流动,(water),可压流动,(air,acoustic),外部绕流,(,airfoil,ship),湍流,Continuum Fluid Mechanics,层流,内部流动,(,pipe,valve),粘性,非粘性,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,数学模型,1,数学模型本身,部分流动的数学模型是准确的（如：无粘流、层流）,部分流动的数学模型本身就是近似的（如：湍流,RANS，LES）,2,数学模型的求解计算,只有少数非常简单的问题有准确的理论分析解（如：平面势流中的点源、点汇等）,绝大多数问题需要采用近似的数值解法，即以离散的解来逼近原来的连续流动。,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,数值解法,1,计算域的离散,将流动空间区域离散为细小的网格单元,2,控制方程的离散,控制流动的方程反应了流体流量、动量、能量的守恒,在控制体内用差分逼近微分，将连续场内微分方程转变为分布在一系列网格单元上的代数方程,使用迭代等方法求解这些代数方程,目录,本讲,控制体,非稳态项,对流项,扩散项,源项,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,目录,本讲,质量守恒方程,动量守恒方程,能量守恒方程,PDF,燃烧模型,辐射方程,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,CFD,主要工作流程,几何描述,说明流动条件,选择计算的数学模型,说明初始条件、边界条件,网格生成,选择数值计算参数,CFD,程序计算,流场结果的可视化分析处理,准确度估计,描述计算空间域的几何形状，重点是流体机械的造型：,可以采用,Gambit,、,Ug、Pro-E、AutoCad,等造型；,也可以自行编程给出造型。,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,CFD,主要工作流程,几何描述,说明流动条件,选择计算的数学模型,说明初始条件、边界条件,网格生成,选择数值计算参数,CFD,程序计算,流场结果的可视化分析处理,准确度估计,目录,本讲,说明流动条件：,流动类型（如：层流或湍流）,来流条件（如：速度、压力）,选择计算的数学模型,辐射方程、能量方程、湍流模型等,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,CFD,主要工作流程,几何描述,说明流动条件,选择计算的数学模型,说明初始条件、边界条件,网格生成,选择数值计算参数,CFD,程序计算,流场结果的可视化分析处理,准确度估计,流场初始条件：,1，不影响定常结果,2，猜得好的初场可加快计算收敛,流场边界条件：,1，决定流场结果（定常、非定常）,2，包括固壁、入流、出流、远场等,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,CFD,主要工作流程,几何描述,说明流动条件,选择计算的数学模型,说明初始条件、边界条件,网格生成,选择数值计算参数,CFD,程序计算,流场结果的可视化分析处理,准确度估计,网格分区和生成（,Gridgen）,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,CFD,主要工作流程,几何描述,说明流动条件,选择计算的数学模型,说明初始条件、边界条件,网格生成,选择数值计算参数,CFD,程序计算,流场结果的可视化分析处理,准确度估计,选择设置计算的参数和选项：,如：计算格式、,CFL,数、迭代步数等,CFD,程序计算（,NAPA）：,多层加密计算、判断收敛,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,CFD,主要工作流程,几何描述,说明流动条件,选择计算的数学模型,说明初始条件、边界条件,网格生成,选择数值计算参数,CFD,程序计算,流场结果的可视化分析处理,准确度估计,流场结果后处理,：,通过等值图、流线图、,XY,函数曲线图等手段对流场密度、压力、马赫数等参数和流速、流向等进行分析,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,CFD,主要工作流程,几何描述,说明流动条件,选择计算的数学模型,说明初始条件、边界条件,网格生成,选择数值计算参数,CFD,程序计算,流场结果的可视化分析处理,准确度估计,准确度估计：,1，监测迭代收敛精度、参考点参数波动,2，网格对计算的影响分析,3，与标准实验数据的对比,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent,应用,网上,CFD,资源,边界条件,Fluent,应用,Fuel,Air,Combustor Wall,Manifold box,1,1,2,3,Nozzle,分析流程,1.,来流条件,均匀性,非预混模型,考虑混合效果,2.,喷嘴进口,非预混模型,参数要求高,3.,喷嘴出口,预混模型,参数要求高,第二章 边界条件,Fluent,应用,基本原则,设定在流体的进、出口,可以有利于收敛.,在垂直于边界上不应该,存在很大的参数梯度.,导致不同的结果.,减小边界附近的网格,扭曲度.,导致计算早期误差过大.,2,1,第二章 边界条件,Fluent,应用,基本的边界类型,外部面,一般,:,Pressure inlet,Pressure outlet,不可压,:,Velocity inletOutflow,可压:,Mass flow inlet,Pressure far-field,特殊,:,Inlet vent,outlet vent,intake fan,exhaust fan,其它,:,Wall,Symmetry,Periodic,Axis,单元、区域,Fluid and Solid,相交面,Fan,Interior,Porous Jump,Radiator,Walls,进口,出口,壁面,内部面,孔,第二章 边界条件,Fluent,应用,基本流程,Gambit,Boundary Type,Fluid Type,Fluent,Solver,Select Boundary,Set Parameters,第二章 边界条件,Fluent,应用,边界条件的定义,Solver,选择求解器,正对求解器选择不同的边界条件定义器,第二章 边界条件,Fluent,应用,边界条件的定义,Specify Type,选择边界对应的几何体,默认值：面,选择边界的类型.,鼠标直接选取.,对定义好的边界可以再操作,更改、删除.,第二章 边界条件,Fluent,应用,边界条件的定义,Specify Type,选择边界对应的几何体,默认值：体,选择边界的类型.,鼠标直接选取.,对定义好的边界可以再操作,更改、删除.,第二章 边界条件,Fluent,应用,边界条件的定义,Define,在,Fluent,中定义边界条件的具体值,各种边界条件的参数,可以重新定义边界类型,第二章 边界条件,Fluent,应用,重新定义边界条件,一般边界条件在预处理软件中定义.,可以在,Fluent,中更改:,Define,Boundary Conditions.,选择要更改的几何体,从,Type,中选择新的类型.,第二章 边界条件,Fluent,应用,给定边界条件参数,在,BC panels,中直接赋值.,给选定的边界设定:,从,Zone,菜单中选择边界.,点击,Set,按钮,利用,Copy,按钮可以复制边界条件,.,边界条件的内容可以存盘，,也可以读入.,file,write-bc and,file,read,利用,UDFs and Profiles,可以,定义复杂的边界条件,第二章 边界条件,Fluent,应用,Velocity Inlet,定义类型:,Magnitude,Normal to Boundary,Components,Magnitude and Direction,默认值为均匀流动,适用于,incompressible flows.,Static pressure,相应分布.,Total pressure,同样,用于,compressible flows,将有可能导致非物理解.,速度设定为负值时，可以用来表示出口.,但是必须要保证流量平衡.,第二章 边界条件,Fluent,应用Pressure Inlet(1),参数确定:,Total,Gauge,Pressure,驱使流体运动的能量,.,Static,Gauge,Pressure,超音速流动时静压;,亚音速时忽略,从该边界初始化时有用,Total Temperature,对于不可压流作为静温,.,Inlet Flow Direction,Incompressible flows:,Compressible flows:,第二章 边界条件,Fluent,应用,Pressure Inlet(2),注意的是,Gauge,pressure,必须给定.,Operating pressure,定义:,Define,Operating Conditions,同时适用,compressible,和,incompressible flows.,Fluent,计算时采用,static pressure and velocity,通过压力面的通量由内部条件和流动方向决定.,可以被用作模拟“,Free”,面.,第二章 边界条件,Fluent,应用,Mass Flow Inlet,参数确定:,(a)Mass Flow Rate or(b)Mass Flux,(a),给定恒定的流量,(b),利用,profiles/UDF,定义,Static,Gauge,Pressure,超音速有效,该边界初始化有效.,Total Temperature,对于不可压流动为静温.,Inlet Flow Direction,一般用于,compressible;,也可用于,incompressible flows.,Total pressure,由输入变量求得.,和,pressure inlet,相比.收敛性差,第二章 边界条件,Fluent,应用,Pressure Outlet,给定,static,gauge,pressure,作为出口处的环境压力.,可以定义径向的压力分布.,Backflow,收敛过程出现,最终结果如此.,方向是垂直于边界,.,适用于,compressible,和,incompressible flows,在超音速条件下忽略所给定的压力值.,可以被用来模拟自由流.,第二章 边界条件,Fluent,应用,Outflow,不需指定任何速度和压力信息.,由内部区域来传递信息.,边界上保持流量平衡.,在,Outflow,面上所有参数梯度为零,近似于充分发展流,适用于,incompressible flows.,不能和,Pressure Inlet,合用;入口只能是,velocity inlet.,不能用来模拟密度随时间变化的问题.,当存在回流时，很难收敛,不能模拟最终结果存在回流的物理问题,.,第二章 边界条件,Fluent,应用,可以利用,Pressure Outlet,和,Outflow boundaries.Pressure Outlet,Outflow:,出口流量定义如下:,m,i,=,FRW,i,/,FRW,i,where 0,FRW 0.,Q,SC,=0,表示相邻网格与选定网格面积,/,体积形同。,3D,举例,Q,SC,i,=V,j=1,/V,i,since j=1 has largest volume ratio,第三章,Gambit,建模及网格,Fluent,应用,低质量网格会引起计算发散或收敛速度慢,.,网格质量限制,:,六面体或四边形网格,:,网格扭曲度不大于,0.85,.,三角形或四面体网格,:,网格扭曲度不大于,0.9,.,所有网格单元,:,体积变化率不大于,2,尽量避免相邻网格体积的急剧变化,.,如果检查网格时出现问题，可能有以下原因,模型存在尖角等过渡剧烈的几何结构。,网格尺寸过大。,网格类型不合适，等等。,第三章,Gambit,建模及网格,Fluent,应用,体网格简介,对于几何结构简单的模型，六面体或楔形网格数量更少，质量更高。,对于几何形状复杂的模型，六面体或楔形网格在质量方面的优势不再明显,而且划分网格花费的时间更长，此时可以选择四面体网格或者混合网格。,第三章,Gambit,建模及网格,Fluent,应用,六面体网格举例,Hex,Map,Hex-Submap,Hex,Tet Primitive,Hex,Cooper,第三章,Gambit,网格,Fluent,应用,Hex/Wedge and Tet/Hybrid,Hex/Wedge:Cooper,Tet/Hybrid:HexCore,第三章,Gambit,建模及网格,Tet/Hybrid:TGrid,Fluent,应用,Hex Meshing,Map,Mesh,Mesh,submap face,第三章,Gambit,网格,Fluent,应用,Hex Meshing,Submap,Mesh,Mesh,第三章,Gambit,网格,Fluent,应用,Hex Meshing,Tet Primitive,Mesh,第三章,Gambit,网格,Fluent,应用,Hex Meshing,Cooper,Side Faces(two hidden),Cooper,direction,Source Faces,第三章,Gambit,网格,Fluent,应用,Cooper Examples,Volume Containing Multiple Holes,source faces,source faces,source faces,Source Faces Not Parallel,source faces,Multiple Source Faces and Multiple Interior Loops,第三章,Gambit,网格,Fluent,应用,混合网格举例,发动机排气阀网格,不同区域根据结构划分不同网格,.,相对纯六面体或四面体网格，混合网格在效率和质量方面均有加强。,这种网格可以在,gambit,里实现,.,Hybrid mesh for an IC engine valve port,tet mesh,hex mesh,wedge mesh,第三章,Gambit,网格,Fluent,应用,Troubleshooting the Cooper Tool,A,B,C,问题,:,源面,A,B,和,C,已经划分了面网格,.Cooper,网格不能划分，如何解决？,第三章,Gambit,网格,Fluent,应用,解决办法,:,A,、,B,与,C,面网格不能一一对应，故不能划分,Cooper,网格，将,C,面网格删除即可。,A,B,C,第三章,Gambit,网格,Fluent,应用,Troubleshooting the Cooper Tool,Problem:,A brick is split as shown.The Cooper tool fails.Why?What can be done to generate a volume mesh?,A,B,C,第三章,Gambit,网格,Fluent,应用,Troubleshooting the Cooper Tool,Solution:,Cooper tool fails because no logical axis exists.If faces A and B are source faces,then face C must be either mappable or submapple.Face C contains a void and can only be paved.Split the volume with a face as shown.Use Face A1 as one source face for volume 1 and use face C2 as one source face for Volume 2.,A1,Volume 1,Volume 2,C1,A,B,C,第三章Gambit,网格,Fluent,应用,Troubleshooting the Cooper Tool,Problem:,The Cooper tool fails because the interior loops on source faces A and B either overlap or are close.,A,B,Interior loops,第三章,Gambit,网格,Fluent,应用,Troubleshooting the Cooper Tool,A,B,Interior loops,A1,A2,Solution:,Split source face A as shown.Neither face A1 nor A2 contain closed interior loops.,第三章,Gambit,网格,Fluent,应用,Example:,manually change the vertex types,3 Source Faces,如何划分,Cooper,网格,谨记三点,:,改变节点类型，使之可划分结构化或分块结构化网格。,仔细确定源面,.,强制在源面划分结构或分块结构网格,.,S,E,S,E,C,C,E,E,E,E,E,E,第三章,Gambit,网格,Fluent,应用,四面体,/,楔形网格,1,Hex Cooper,2,Tet:TGrid,Pyramid,layer,3,Hex/Wedge,Cooper,第三章,Gambit,网格,Fluent,应用,HexCore Meshing,Flow Volume Inside an,Automobile Manifold,Flow Volume Around a Boat Hull,第三章,Gambit,网格,Fluent,应用,Hex-Core Meshing,Geometry:Cylinder,Edit Default:,Mesh.Cartesian.Hexcore_Quad_Surface_Split,第三章,Gambit,网格,Fluent,应用,结束！,谢谢！,