ANSYS／FLOTRAN流体动力学(CFD)分析

第4 章FLOTRAN流体分析典型工程实例ANSYS程序中的FLOTRAN CFD流体分析是一个用于分析二维及三维流体流动场的先进工具。

本章重点通过实例讲解介绍FLOTRAN CFD流体分析在工程上的一些典型应用。

本章要点如何解决流体力学问题FLOTRAN流体分析典型工程实例本章案例三维U型管道速度场的数值模拟实际生活中射流现象的数值模拟4.1 如何解决流体力学问题在流体力学的研究中，常用的方法有理论研究方法、数值计算方法和实验研究方法。

理论研究方法的特点是：能够清晰、普遍地揭示出流动的内在规律，但该方法目前只局限于少数比较简单的理论模型。

研究更复杂更符合实际的流动一般采用数值计算方法，它的特点就是能够解决理论研究方法无法解决的复杂流动问题，如常见的航空工程、气象预报、水利工程、环境污染预报、星云演化过程等。

实验研究方法的特点就是结果可靠，但其局限性在于相似准侧不能全部满足、尺寸限制、边界影响等。

数值计算方法和实验研究方法相比，它所需的费用和时间都比较少，并且有较高的精度，但它要求对问题的物理特性有足够的了解（通过实验方法了解），并能建立较精确的描述方程组（通过理论分析）。

对于流体力学的数值模拟常采用的步骤如下。

（1）建立力学模型通过流动分析，采用合理的假设与简化，建立力学模型。

假设与简化：连续介质与不连续介质；理想流体与粘性流体；不可压缩流体与可压缩流体；定常流动与非定常流动。

（2）建立数学模型根据力学模型，建立描述力学模型的数学方程组，并利用无量钢化、量纲分析、引进新的物理参数、经验或半经验公式等方法对基本方程组进行简化，得到相应流动的求解方程组，再根据具体的流动条件确定流动的初始条件和边界条件。

描写流体运动的两种方法：拉格朗日方法和欧拉方法。

（3）求解方法●准确解法：解析解●近似解法：近似解、数值解●实验解法：相似解（4）求解结果速度分布、压力分布、合力、阻力、能量耗散等物理量的求解结果。

FLOTRAN输出及保存文件控制命令：FLDATA5, OUTP, Lable, Value功能：设置输出及保存文件控制菜单：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up> Additional Out>Print ControlsMain Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Additional Out>RFL Out DerivedMain Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Additional Out>RFL Prop BasedMain Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Additional Out>Residual FileMain Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Execution CtrlMain Menu> Solution >FLOTRAN Set Up>Additional Out>Print ControlsMain Menu> Solution >FLOTRAN Set Up>Additional Out>RFL Out DerivedMain Menu> Solution >FLOTRAN Set Up>Additional Out>RFL Prop BasedMain Menu> Solution >FLOTRAN Set Up>Additional Out>Residual File Main Menu> Solution >FLOTRAN Set Up>Execution Ctrl其中，Lable的选项及其各自含义如下：(上面Print Controls 菜单路径下：)DEBG：控制输出到调试文件Jobname.DBG中的信息，其Value有如下值供选：0：不输出调试信息1：每一总体迭代步的初始和最终信息2：每一总体迭代步的完整信息3：输出总体系数矩阵(不建议用该值，因其硬盘占用量很大)4：输出总体系数矩阵和每一总体迭代的其它附加量(不建议使用该值,因其硬盘占用量极大)该Lable 的菜单形式如下：(上面RFL Out Derived 菜单路径下：) PTOT：输出总压，缺省为真TTOT：输出总温，缺省为真HFLU：输出热通量，缺省为真HFLM：输出对流换热系数，缺省为真STRM：输出流线函数，缺省为真PCOE：输出压力系数，缺省为否MACH：输出马赫数，缺省为真YPLU：输出y+，缺省为否TAUW：输出壁面剪切应力，缺省为否该Lable 的菜单形式如下：(上面RFL Prop Based 菜单路径下：)DENS：输出层流密度，缺省为否SPHT：输出比热，缺省为否VISC：输出层流粘性系数，缺省为否COND：输出层流导热系数，缺省为否EVIS：输出有效粘性系数，缺省为真ECON：输出有效导热系数，缺省为真该Lable 的菜单形式如下：(上面Residual File 菜单路径下：)RESI：控制是否生成残差文件Jobnome.RDF，缺省为否该Lable 的菜单形式如下：5 FLOTRAN输出收敛监测量的控制命令：FLDATA6, CONV, Lable, Value功能：控制收敛监测量的输出菜单：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Additional Out>Print ControlsMain Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Additional Out>Print Controls其中，Lable的选项及其各自含义如下：OUTP：控制收敛监测量的显示模式，可用Value值有LAND、BLOC或BNOW 详见Value之解释，缺省为BNOW模式ITER：当OUTP为LAND或BLOC时，控制每隔n 次迭代打印收敛监测参数，缺省n 为1Value的个值含义如下：LAND：所有自由度都以水平模式打印输出(Lable=OUTP时有效)BLOC：所有自由度都以条状模式打印输出(Lable=OUTP时有效)BNOW：当一个迭代完成时，所有自由度都立即以条状模式打印输出(Lable= OUTP时有效)n ：迭代数(Lable=ITER时有效)该命令的菜单形式如下：6 FLOTRAN流体类型及其特性的可变性控制命令：FLDATA7, PROT, Lable, Value 或FLDATA12, PROT, Lable, Value功能：定义流体类型命令：FLDATA13, VARY, Lable, Value功能：控制流体特性是否可变以上二命令的菜单路径如下：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Fluid PropertiesMain Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Fluid Properties第一条命令的Lable 的选项及其各自含义如下：DENS：指定流体密度类型，缺省为常值VISC：指定流体粘性类型，缺省为常值COND：指定流体导热系数类型，缺省为常值SPHT：指定流体比热类型，缺省为常值第一条命令的Value为流体性质的类型，有如下值：CONSTANT：性质为常值GAS：气体性质LIQUID：流体性质TABLE：由材料性质表输入(MPTEMP和MPDATA命令)POWL：非牛顿流的Power Law 粘性类型CARR：非牛顿流的Carreau 粘性类型BING：非牛顿流的Bingham 粘性类型USERV：用户自定义粘性类型(通过用户子程序USERVISLAW实现) AIR：国际单位制的空气性质AIR_B：国际单位制的空气性质，其计算密度时的压力为参考压力AIR-SI：国际单位制的空气性质AIR-SI_B：国际单位制的空气性质，其计算密度时的压力为参考压力AIR-CM：厘米-克-秒制的空气性质AIR-CM_B：厘米-克-秒制的空气性质，其计算密度时的压力为参考压力AIR-MM：毫米-克-秒制的空气性质AIR-MM_B：毫米-克-秒制的空气性质，其计算密度时的压力为参考压力AIR-FT：英尺-斯-秒值的空气性质AIR-FT_B：英尺-斯-秒值的空气性质，其计算密度时的压力为参考压力AIR-IN：英寸-(磅-秒2/英寸)-秒制空气性质AIR-IN_B：英寸-(磅-秒2/英寸)-秒制空气性质，其计算密度时的压力为参考压力CMIX：多组份流体质量比USER：用户自定义流体性质各性质的详细描述请参见理论手册第二条命令的Lable 的选项及其各自含义如下：DENS：指定流体密度是否变化，缺省为否VISC：指定流体粘性是否变化，缺省为否COND：指定流体导热系数是否变化，缺省为否SPHT：指定流体比热是否变化，缺省为否第二条命令的Value 取“是”或“否”二者之一这两条命令的菜单形式如下：7 FLOTRAN流体性质参数设定上面6中介绍的各种不同的流体类型，其特性的定义是不一样的，如，CONSTANT、GAS、LIQUID等流体性质就分别需要定义其性质的名义项、第一参数项、第二参数项、第三参数项等，然后利用这些项通过各自特定的公式来拟合流体性质，定义这些项目的命令如下：命令：FLDATA8, NOMI, Lable, Value功能：定义流体性质方程的名义项参数命令：FLDATA9, COF1, Lable, Value功能：定义流体性质方程的第一参数项命令：FLDATA10, COF2, Lable, Value功能：定义流体性质方程的第二参数项命令：FLDATA11, COF3, Lable, Value功能：定义流体性质方程的第三参数项这四条命令的菜单路径都是：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Fluid PropertiesMain Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Fluid Properties这四条命令的Lable 的选项及其各自含义如下：DENS：指定密度特性的各参数项VISC：指定粘性特性的各参数项COND：指定导热系数特性的各参数项SPHT：指定比热特性的各参数项这些命令的菜单形式如下(该图只显示了LIQUID性质系数的定义，其它性质流体的性质系数的定义与此类似)：8 FLOTRAN分析的坐标系统的指定命令：KEYOPT, 1, 3, Value功能：设定FLOTRAN单元的分析坐标系菜单：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Flow Environment>FLOTRANCoor SysMain Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Flow Environment>FLOTRANCoor Sys其中，对于平面分析(141单元)Value的值及其含义如下：0：的卡尔直角坐标系(此为缺省值)·1：绕X轴轴对称2：绕Y轴轴对称3：极坐标系对于三维分析(142单元)Value的值及其含义如下：0：的卡尔直角坐标系(此为缺省值)3：柱坐标系该命令的菜单形式如下：二维分析三维分析9 FLOTRAN分析参考条件的设置命令：FLDATA14, TEMP, Lable, Value功能：设定参考温度其中，Lable的选项及其各自含义如下：NOMI：指定初始温度，缺省为293BULK：指定用于计算传热系数的环境温度，缺省为293TTOT：指定用于可压缩绝热流分析的总温(滞止温度)命令：FLDATA15, PRES, REFE, Value功能：设定参考压力，缺省值为1.0135×105命令：FLDATA16, BULK, BETA, Value功能：设定体积模数(βp=∂P/∂ρ)，缺省值为1×1015命令：FLDATA17, GAMM, COMP, Value功能：指定比热比，缺省为1.4命令：TOFFST, Value功能：指定当前温度系统(如摄氏度)的零度与绝对温度系统(开氏温度)零度间的差值这些命令的菜单路径都是：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Flow Environment>Ref CondintionsMain Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Flow Environment>Ref Condintions这些命令的菜单形式如下：10 指定FLOTRAN分析的旋转坐标系统命令：CGOMGA, CGOMX, CGOMY, CGOMZ功能：指定关于总体坐标系原点的旋转速度其中：CGOMX：关于总体坐标系X轴的旋转速度CGOMY：关于总体坐标系Y轴的旋转速度CGOMZ：关于总体坐标系Z轴的旋转速度命令：CGLOC, XLOC, YLOC, ZLOC功能：指定加速度坐标系的原点其中：XLOC：加速度坐标系原点在总体的卡尔坐标系中的X坐标值YLOC：加速度坐标系原点在总体的卡尔坐标系中的Y坐标值ZLOC：加速度坐标系原点在总体的卡尔坐标系中的Z坐标值以上两条命令的菜单路径是：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Flow Environment>Rotating CoordsMain Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Flow Environment>RotatingCoords以上两条命令的菜单形式如下：11 指定FLOTRAN分析的重力加速度命令：ACEL, ACELX, ACELY, ACELZ功能：指定FLOTRAN分析的重力加速度菜单：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Flow Environment>GravityMain Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Flow Environment>Gravity其中，ACELX：沿加速度坐标系X轴方向上的加速度值ACEL Y：沿加速度坐标系Y轴方向上的加速度值ACELZ：沿加速度坐标系Z轴方向上的加速度值该命令的菜单形式如下：12 设置有助于FLOTRAN求解稳定的参数命令：FLDATA26, STAB, Lable, Value功能：设置有助于求解稳定的参数菜单：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Relax/Stab/Cap>Stability ParmsMain Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Relax/Stab/Cap>Stability Parms其中，Lable的选项及其各自含义如下：MOME：指定动量惯性松弛因子，缺省为1×1015PRES：指定压力惯性松弛因子，缺省为1×1015TEMP：指定能量惯性松弛因子，缺省为1×1020TURB：指定湍流惯性松弛因子，缺省为1×1015VISC：指定人工粘性系数，缺省为0该命令的菜单形式如下：13 设定FLOTRAN自由度松弛系数命令：FLDATA25, RELX, Lable, Value功能：设定自由度松弛系数，以助于收敛菜单：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Relax/Stab/Cap>DOF RelaxationMain Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Relax/Stab/Cap>DOF Relaxation其中，Lable的选项及其各自含义如下：VX：指定X方向速度松弛因子，缺省为0.5VY：指定Y方向速度松弛因子，缺省为0.5VZ：指定Z方向速度松弛因子，缺省为0.5PRES：指定压力松弛因子，缺省为0.5TEMP：指定温度松弛因子，缺省为0.8ENKE：指定湍流松弛因子，缺省为0.5ENDS：指定湍流耗散率松弛因子，缺省为0.5该命令的菜单形式如下：14 设定FLOTRAN流体性质松弛因子命令：FLDATA25, RELX, Lable, Value功能：设定流体性质松弛系数，以助于收敛菜单：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Relax/Stab/Cap>Prop RelaxationMain Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Relax/Stab/Cap>Prop Relaxation其中，Lable的选项及其各自含义如下：DENS：设定密度松弛因子，缺省为0.5SPHT：设定比热松弛因子，缺省为1.0VISC：设定粘性松弛因子，缺省为0.5COND：设定导热系数松弛因子，缺省为0.5EVIS：设定有效粘性系数松弛因子，缺省为0.5ECON：设定有效导热系数松弛因子，缺省为0.5该命令的菜单形式如下：。

一个典型的FLOTRAN分析有如下七个主要步骤：1. 确定问题的区域。

2. 确定流体的状态。

3. 生成有限元网格。

4. 施加边界条件。

5. 设置FLOTRAN分析参数。

6. 求解。

7. 检查结果。

第一步：确定问题的区域用户必须确定所分析问题的明确的范围，将问题的边界设置在条件已知的地方，如果并不知道精确的边界条件而必须作假定时，就不要将分析的边界设在靠近感兴趣区域的地方，也不要将边界设在求解变量变化梯度大的地方。

有时，也许用户并不知道自己的问题中哪个地方梯度变化最大，这就要先作一个试探性的分析，然后再根据结果来修改分析区域。

这些在后面章节中都有详述。

第二步：确定流体的状态用户在此需要估计流体的特征，流体的特征是流体性质、几何边界以及流场的速度幅值的函数。

FLOTRAN能求解的流体包括气流和液流，其性质可随温度而发生显著变化，FLO TRAN中的气流只能是理想气体。

用户须自己确定温度对流体的密度、粘性、和热传导系数的影响是否是很重要，在大多数情况下，近似认为流体性质是常数，即不随温度而变化，都可以得到足够精确的解。

通常用雷诺数来判别流体是层流或紊流，雷诺数反映了惯性力和粘性力的相对强度，详见第四章。

通常用马赫数来判别流体是否可压缩，详见第七章。

流场中任意一点的马赫数是该点流体速度与该点音速之比值，当马赫数大于0.3时，就应考虑用可压缩算法来进行求解；当马赫数大于0.7时，可压缩算法与不可压缩算法之间就会有极其明显的差异。

第三步：生成有限元网格用户必须事先确定流场中哪个地方流体的梯度变化较大，在这些地方，网格必须作适当的调整。

例如：如果用了紊流模型，靠近壁面的区域的网格密度必须比层流模型密得多，如果太粗，该网格就不能在求解中捕捉到由于巨大的变化梯度对流动造成的显著影响，相反，那些长边与低梯度方向一致的单元可以有很大的长宽比。

为了得到精确的结果，应使用映射网格划分，因其能在边界上更好地保持恒定的网格特性，映射网格划分可由命令MSHKEY,1或其相应的菜单Main Menu>Preproce ssor > -Mes hing-Mesh>-entity-Mapped来实现。

ANSYS流体分析CFD
ANSYSCFD的优点是能够提供详尽准确的流场和温度场分布，解释物理过程并了解产品性能，从而改进设计。

它还可以提供对流体流动和传热性能进行优化的机会，以便实现更高效、更可靠和更经济的设计。

在各行各业中，如汽车、航空航天、能源、化工等领域，ANSYSCFD已经成为设计过程中不可或缺的一部分。

ANSYSCFD分析支持各种复杂的物理模型，包括不可压缩流体流动、可压缩流体流动、多相流、湍流流动和传热等问题。

它还通过使用适当的数值方法和离散化技术来求解流动方程和边界条件，以确保计算结果的准确性和可靠性。

1.建模：这一步骤包括将设计或物体转化为几何模型，并设定适当的边界条件和初始条件。

2.离散化：在这一步骤中，将几何模型离散化为网格，以便对流场进行数值计算。

网格的生成是一个关键步骤，对结果的准确性和计算效率有重要影响。

3.物理建模和数值求解：在这一步骤中，根据具体问题，选择适当的物理模型和数值求解方法，对流体流动和传热进行数值计算。

4.后处理与结果分析：完成数值计算后，需要对结果进行后处理和分析。

这可能包括生成流场图、剖面分析、计算参数提取等。

综上所述，ANSYSCFD是一种强大的工具，可用于解决各种涉及流体流动和传热的工程问题。

它提供了详尽准确的流场和温度场分布，帮助工程师理解和改进设计，并优化产品性能。

通过使用ANSYSCFD，工程师可以更好地满足产品的要求和设计目标。

第一章 FLOTRAN 计算流体动力学(CFD)分析概述FLOTRAN CFD 分析的概念ANSYS程序中的FLOTRAN CFD分析功能是一个用于分析二维及三维流体流动场的先进的工具，使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID 141和FLUID 142 单元，可解决如下问题：作用于气动翼(叶)型上的升力和阻力超音速喷管中的流场弯管中流体的复杂的三维流动同时，FLOTRAN还具有如下功能：计算发动机排气系统中气体的压力及温度分布研究管路系统中热的层化及分离使用混合流研究来估计热冲击的可能性用自然对流分析来估计电子封装芯片的热性能对含有多种流体的(由固体隔开)热交换器进行研究FLOTRAN 分析的种类FLOTRAN可执行如下分析：层流或紊流传热或绝热可压缩或不可压缩牛顿流或非牛顿流多组份传输这些分析类型并不相互排斥，例如，一个层流分析可以是传热的或者是绝热的，一个紊流分析可以是可压缩的或者是不可压缩的。

层流分析层流中的速度场都是平滑而有序的，高粘性流体（如石油等）的低速流动就通常是层流。

紊流分析紊流分析用于处理那些由于流速足够高和粘性足够低从而引起紊流波动的流体流动情况，ANSYS中的二方程紊流模型可计及在平均流动下的紊流速度波动的影响。

如果流体的密度在流动过程中保持不变或者当流体压缩时只消耗很少的能量，该流体就可认为是不可压缩的，不可压缩流的温度方程将忽略流体动能的变化和粘性耗散。

热分析流体分析中通常还会求解流场中的温度分布情况。

如果流体性质不随温度而变，就可不解温度方程。

在共轭传热问题中，要在同时包含流体区域和非流体区域（即固体区域）的整个区域上求解温度方程。

在自然对流传热问题中，流体由于温度分布的不均匀性而导致流体密度分布的不均匀性，从而引起流体的流动，与强迫对流问题不同的是，自然对流通常都没有外部的流动源。

可压缩流分析对于高速气流，由很强的压力梯度引起的流体密度的变化将显著地影响流场的性质，ANSYS对于这种流动情况会使用不同的解算方法。

ANSYS／FLOTRAN流体动力学分析
使用ANSYSFLOTRAN进行流体动力学分析时，首先需要建立一个几何模型。

可以使用ANSYS的几何建模工具或其他CAD软件进行建模，并将几何模型导入到FLOTRAN中。

然后，需要定义流体材料属性、边界条件和初始条件。

可以选择不同的材料模型，如理想气体、压缩流体或多相流体，并指定相应的物理参数。

边界条件定义了流体流动的入口和出口条件，例如速度、压力或温度。

初始条件是指流体的初始状态，包括速度、压力和温度。

在建立完几何模型和定义边界条件后，可以进行网格生成。

网格的质量对计算结果的准确性和稳定性至关重要，因此需要根据具体问题进行调整。

ANSYSFLOTRAN提供了丰富的网格生成工具，并支持结构化和非结构化网格。

完成网格生成后，可以设置求解器参数并开始求解。

ANSYSFLOTRAN 使用数值方法离散化方程，并通过迭代求解获得流动场的数值解。

求解器可以自动适应计算速度和精度，并提供详细的收敛信息。

求解完成后，可以进行后处理分析。

ANSYSFLOTRAN提供了多种后处理工具，如流线、压力和温度分布图、剪切应力等。

此外，还可以对结果进行比较和优化，以寻找最佳设计方案。

总之，ANSYSFLOTRAN是一种强大的流体动力学分析工具，可用于模拟和分析各种流体流动问题。

它提供了丰富的功能和工具，帮助工程师更好地理解和优化流体流动的行为。

第一章 FLOTRAN 计算流体动力学(CFD)分析概述FLOTRAN CFD 分析的概念ANSYS程序中的FLOTRAN CFD分析功能是一个用于分析二维及三维流体流动场的先进的工具，使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID 141和FLUID 142 单元，可解决如下问题：∙作用于气动翼(叶)型上的升力和阻力∙超音速喷管中的流场∙弯管中流体的复杂的三维流动同时，FLOTRAN还具有如下功能：∙计算发动机排气系统中气体的压力及温度分布∙研究管路系统中热的层化及分离∙使用混合流研究来估计热冲击的可能性∙用自然对流分析来估计电子封装芯片的热性能∙对含有多种流体的(由固体隔开)热交换器进行研究FLOTRAN 分析的种类FLOTRAN可执行如下分析：∙层流或紊流∙传热或绝热∙可压缩或不可压缩∙牛顿流或非牛顿流∙多组份传输这些分析类型并不相互排斥，例如，一个层流分析可以是传热的或者是绝热的，一个紊流分析可以是可压缩的或者是不可压缩的。

层流分析层流中的速度场都是平滑而有序的，高粘性流体（如石油等）的低速流动就通常是层流。

紊流分析紊流分析用于处理那些由于流速足够高和粘性足够低从而引起紊流波动的流体流动情况，ANSYS中的二方程紊流模型可计及在平均流动下的紊流速度波动的影响。

如果流体的密度在流动过程中保持不变或者当流体压缩时只消耗很少的能量，该流体就可认为是不可压缩的，不可压缩流的温度方程将忽略流体动能的变化和粘性耗散。

热分析流体分析中通常还会求解流场中的温度分布情况。

如果流体性质不随温度而变，就可不解温度方程。

在共轭传热问题中，要在同时包含流体区域和非流体区域（即固体区域）的整个区域上求解温度方程。

在自然对流传热问题中，流体由于温度分布的不均匀性而导致流体密度分布的不均匀性，从而引起流体的流动，与强迫对流问题不同的是，自然对流通常都没有外部的流动源。

可压缩流分析对于高速气流，由很强的压力梯度引起的流体密度的变化将显著地影响流场的性质，ANSYS对于这种流动情况会使用不同的解算方法。