ANSYS Fluent2020工程案例详解（视频教程版）

作者简介

孙立军，高级仿真工程师，先后工作于ABB中国技术研究院、全球能源互联网研究院、南瑞集团等，对大功率电力电子器件散热、变压器热分析、燃气泄漏扩散、建筑风环境分析及流动燃烧等方面仿真有深入的研究，先后计算仿真分析案例上百个，承担多个大功率电力电子器件工程化项目仿真及设计，具有丰富的Fluent仿真计算实战经验。

内容简介

第1章 理论基础 1.1 流体力学基本理论 1.1.1 基本概念 在进行Fluent仿真分析计算时，流体的部分物性参数及基本概念会对计算的结果有重要的影响。因此本节对一些比较重要的流体物性参数及基本概念进行说明。 1. 密度 密度的定义是单位体积内物质的质量是多少。均匀密度的计算公式如下所示： （1-1） 其中，ρ为流体的密度，M为流体的质量，V为体积。流体的密度是流体本身固有的物理变量，但是流体的密度会随着温度和压力的变化而变化。例如，在分析封闭空间内流体受热流动，则需要考虑流体密度随温度的变化关系。 2. 静压、动压和总压 对于静止状态下的流体，只有静压；对于流动状态的流体而言，则有静压、动压和总压之分。 根据流体力学中的伯努利（Bernoulli）方程可知，对于理想不可压缩的流动，其计算公式如下所示： （1-2） 其中，为压强水头（P为静压），为速度水头，Z为重力势能，这三项之和就是流体质点的总机械能，H为总的水头高。 若将上式两边同时乘以，则可得如下计算公式： （1-3） 其中，P为静压，为动压，为总压。 在进行仿真结果后的处理过程中，以上这几个定义千万不要混淆。 3. 边界层 针对实际工程中雷诺数较大的流动仿真，在进行网格划分时，应将计算域分成两个区域：边界层区域及外部区域。 对于外部区域，忽略流体流动过程中的黏性力，采用理想流体运动理论求解出外部流动，从而得到边界层外部边界上的压力和速度分布，并将其作为边界层流动计算的外边界输入条件。 而在边界层区域必须考虑流体流动的黏性力，边界层虽然尺度很小，但是物理量在物体表面上的分布及物体表面附近的流动都与边界层内流动有联系，因此边界层的定义非常重要。 描述边界层内黏性流体运动的是N-S方程。由于边界层厚度δ比特征长度小很多，而且方向的速度分量沿法向的变化比切向大得多。因此N-S方程可以在边界层内做很大的简化，简化后的方程称为普朗特边界层方程，是进行边界层流动求解的基本方程。边界层示意图如图1.1所示。 对于雷诺数较大的边界层流动，其边界层的厚度比物体的特征长度要小得多，即δ/L（边界层相对厚度）是一个相对较小量。因此边界层内黏性力和惯性力为同阶。 1.1.2 层流和湍流 流体的流动分为层流和湍流，层流是指流体在流动过程中层与层之间没有相互混合，而湍流是指流体在流动过程中层与层之间互相混合很剧烈。层流与湍流的判断标准为雷诺数。 流体的湍流流动是十分复杂的，目前还没有一种湍流模型能够全面、准确地对所有流动问题中的湍流现象进行模拟。 Fluent中的湍流模型常用的主要有Spalart-Allmaras模型、Standard K-Epsilon模型、RNG（重整化群）K-Epsilon模型、Realizable K-Epsilon模型、RSM（Reynolds Stress Model，雷诺应力模型）和LES（Large Eddy Simulation，大涡模拟）方法等。具体的湍流模型如何选取需要基于所分析的物理过程，在实际操作过程中可以通过几个湍流模型进行计算对比，进而确定最优的湍流模型。 1.1.3 控制方程 流体流动要满足物理守恒定律，基本的守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。如果流动包含不同组分的混合或相互反应，系统还要遵守组分守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加湍流输运方程。具体介绍如下。 1. 质量守恒方程 任何流动问题都满足守恒定律：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。按照这一定律，可以得出如下公式所示的质量守恒方程： （1-4） 这一方程是质量守恒方程的一般形式，适用于可压流动和不可压流动。源项Sm是从分散的二级相中加入到连续相的质量，也可以是任何自定义源项。 2. 动量守恒方程 动量守恒定律是任何流体流动都必须满足的基本定律，其计算公式如下所示： （1-5） 其中，P为静压，τij为应力张量，gi和Fi分别为i方向上的重力体积力和外部体积力（如离散相互作用产生的升力）。Fi包含其他模型相关源项，如多孔介质和自定义源项。 应力张量的计算公式如下所示： （1-6） 3. 能量守恒方程 能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。对于牛顿流体而言，其能量守恒方程如下所示： （1-7） 其中，cp为比热容，T为温度，k为流体的传热系数，ST为流体的内热源及由于黏性作用流体机械能转换为热能的部分，有时简称ST为黏性耗散项。但是对于非牛顿流体，其能量方程需要再具体分析。 1.1.4 边界及初始条件 对于求解工程中遇到的流动和传热问题，在确定选用方程后，还需要确定计算边界条件；对于非定常（瞬态）问题，还需要确定初始条件。 边界条件就是在流体运动边界上控制方程应该满足的条件，对数值计算过程有很大的影响。目前Fluent中主要的边界类型包括以下几种。 1. 入口边界条件 常见的入口边界条件有速度入口边界条件、压力入口边界条件和质量流量入口边界条件。速度入口边界条件一般适用于不可压缩流动；压力入口边界条件既适用于可压缩流动，又适用于不可压缩流动；质量流量入口边界条件一般用于已知入口质量流量的情况，可用于可压缩流动，也可用于不可压缩流动。根据仿真经验可知，当压力入口边界条件和质量流量入口边界条件均满足时，应优先选择压力入口边界条件。 2. 出口边界条件 Fluent中常见的出口边界条件有压力出口边界条件和自由出口（质量出口）边界条件，压力出口边界条件需要在出口边界处定义出口压力，此时只用于亚声速流动。在求解过程中，如果压力出口边界处流体流动是反向的，那么回流条件也需要进行设置。 当流动出口的速度和压力未知时，可以使用质量出口边界条件进行设置。但是需要注意，如果模拟的流动为可压缩流动或边界条件中包含压力出口时，则不能使用质量出口边界条件。 3. 壁面边界条件 在进行黏性流体流动问题分析时，壁面的动量边界条件包括静止壁面及运动壁面，剪切类型包括无滑移、剪切应力等。壁面热边界条件包括恒定热流、恒定温度、对流换热及外部辐射换热等。 4. 对称边界条件 对称边界条件应用于计算模型是对称的情况。在对称轴或对称平面上没有对流通量，因此垂直于对称轴或对称平面的速度分量为0。在对称边界上，垂直边界的速度分量为0，任何量的梯度都为0。 5. 周期性边界条件 如果流体的几何边界、流动和换热是周期性重复的，那么可以采用周期性边界条件。 1.2 计算流体力学概述 1.2.1 计算流体力学的求解过程 运用Fluent软件进行工程化问题仿真分析，一般分为如下4个步骤。 （1）基于实际工程，对所研究的问题建立几何物理模型，应用网格划分软件进行网格划分。对于多工况及非稳态情况的仿真分析，需要进行网格尺寸无关性验证，在满足计算精度的前提下，确定最优的网格尺寸。 （2）确定仿真计算求解所需要的初始条件，如入口、出口处的边界条件设置，如果涉及内热源发热、传热等，则需要设置发热源等其他边界条件。 （3）基于所分析的问题，选择合适的算法，设置具体的控制求解过程和收敛精度要求，对所需分析的问题进行求解，并且保存数据文件结果。 （4）选择合适的后处理器进行计算结果分析，基于分析结果对初始边界条件参数设置校核，直至得到理想的计算结果。 以上步骤构成了数值模拟的全过程，由此可知，进行工程问题合理化简化是仿真分析的第一步，并且这一步往往是最重要的。 1.2.2 有限体积法 目前常用的离散化方法有有限差分法、有限单元法和有限体积法。而在Fluent中主要是应用有限体积法进行仿真分析。 有限体积法是基于积分形式的守恒方程而不是基于微分方程，该积分形式的守恒方程描述的是计算网格定义的每个控制体。有限体积法着重从物理观点来构造离散方程，每一个离散方程都是有限大小的体积上某种物理量守恒的表示式推导，如图1.2所示。 图1.2中的阴影部分为控制体积，单元为控制体积的中心，是待求解物理量的几何位置。图中用空心圆来代替，如图中的W、N等。其中的N1、N2、N3等为网格节点，交错的线为网格线。对于二维流动仿真，上述变量则是求解计算的基础。 1.2.3 求解方法 控制方程被离散化以后，就可以进行求解了。下面介绍几种常用的压力与速度耦合求解算法，分别是SIMPLE算法、SIMPLEC算法和PISO算法。 1. SIMPLE算法 SIMPLE算法是目前工程实际应用中最为广泛的一种流场计算方法，属于压力修正法的一种。该方法的核心是采用“猜测-修正”的过程，在交错网格的基础上计算压力场，从而达到求解动量方程的目的。 SIMPLE算法的基本思想为：对于给定的压力场，求解离散形式的动量方程，从而得到速度场。因为压力是假定或不精确的，这样得到的速度场一般都不满足连续性方程的条件，所以必须对给定的压力场进行修正。修正的原则是，修正后的压力场相对应的速度场能满足这一迭代层次上的连续方程。 根据这个原则，把由动量方程的离散形式所规定的压力与速度的关系代入连续方程的离散形式，从而得到压力修正方程，再由压力修正方程得到压力修正值；接着根据修正后的压力场求得新的速度场；最后检查速度场是否收敛。 2. SIMPLEC算法 SIMPLEC算法与SIMPLE算法在基本思路上是一致的不同之处在于SIMPLEC算法在通量修正方法上有所改进，加快了计算的收敛速度。 3. PISO算法 PISO算法的压力速度耦合格式是SIMPLE算法族的一部分，是基于压力速度校正方程之间的高度近似关系的一种算法。SIMPLE算法和SIMPLEC算法的一个限制是在压力校正方程解出后，新的速度值和相应的流量不满足动量平衡。因此必须重复计算，直至平衡得到满足。 为了提高计算的效率，PISO算法执行了两个附加的校正：相邻校正和偏斜校正。PISO算法的主要思想是：将压力校正方程的解阶段中的SIMPLE算法和SIMPLEC算法所需的重复计算移除。经过一个或更多附加PISO算法循环，校正的速度会更接近满足求解连续性和动量方程。这一迭代过程被称为动量校正或邻近校正。 PISO算法在每个迭代中要花费稍多的CPU时间，但是极大地减少了达到收敛所需要的迭代次数，尤其是对于过渡问题，这一优点更为明显。 在对压力校正方程的解进行初始化之后，重新计算压力校正梯度，然后用重新计算出来的值更新质量流量校正。这个被称为偏斜矫正的过程，极大地降低了计算高度扭曲网格所遇到的收敛性困难。PISO偏斜校正可以使我们在基本相同的迭代计算步数内，从高度偏斜的网格上得到的计算结果与更为正交的网格上得到的结果不相上下。 通过分析Fluent软件从6.3到2020完善全过程 帮你梳理Fluent 软件仿真分析基础、有效设置及快捷操作 教你学会如何把复杂工程化问题简化为运用Fluent 软件进行分析计算 视频辅助操作练习，将理论应用于实际