基于FLUENT的水下子弹数值模拟

基于FLUENT的水下子弹数值模拟

一、问题介绍

Fluent是目前处于领先地位的CFD软件包之一，它为流体力学领域提供了强大丰富的计算平台。针对各种复杂流动的物理现象，fluent可以采用不同的离散格式和插值方法，在特定区领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合。但是针对特殊的物理情景，其自身无法提供完全近似的物理模型，必须通过其自带的自定义函数UDF(user Defined function)对其进行二次开发。例如，对于水下航行的子弹，现有的模块不能模拟子弹运动过程，只能给定一个逆向的速度入口边界条件来实现，即水动子弹不动。为了更近似的模拟子弹运动过程，需要对FLUENT进行二次开发。

本文采取的方法是利用用户自定义函数UDF，对fluent进行二次改造，采用动网格技术，对子弹匀速运动进行模拟。

二、物理平台

本文用到的软件包括：前处理软件gambit,计算软件fluent12.0,UDF支持语言microsoft visual C++6.0,后处理软件tecplot.

Gambit用于建立几何模型，划分网格。本算例采用二维轴对称模型，子弹以一矩形近似代替。

Fluent用于计算子弹运动流场特性，包括速度，压力，阻力等。本算例涉及到子弹运动，需要采用动网格技术，即网格在计算过程不断变化更新，因此通过UDF对fluent进行二次开发。其中UDF是fluent自带的宏命令，其运行环境是C语言，所以必须在计算机中提空支持C语言的运算环境microsoft visual C++6.0（也可以是其他更高版本）。

Tecplot为计算结果后处理软件，可以制作动画，云图等。

三、动网格简介

1.spring based smoothing 弹簧近似光滑模型

2.dynamic layering 动态分层模型

3.local remeshing 局部重构模型

三种动网格技术有自己的使用范围，其中弹簧近似光滑模型对于结构和非结构化网格都适用，对于模拟物体小范围运动或者变形有巨大优势，而对于大范围移动却无法实现，一般情况下此方法很少单独使用，通常是配合后面两种动网格技术使用。网格局部重构模型只适合四面体网格和三角形网格，可以用于模拟大范围平移和旋转，同时在模拟复杂边界移动具有很大优势。动态分层模型只是用于结构化网格，对于三角形和四面体网格则毫无用处。由于本文采用此方法，这里讲具体介绍此模型：

动态分层模型（dynamic layering），对于规则计算域，划分规则四边形网格后，采用此模型有利于实现物体的单方向平动，其优点是不需要网格重构，不会改变运动体周围的网格形态，节约了网格更新的时间，同时能保证网格一致性，提高计算效率。此方法的弱点在于无法模拟物体旋转运动，无论对于二维还是三维模型，只能解决物体平动问题。

此方法的思想是当网格边界缩短小于设定值时自动与上一个网格合并成，而当网格被拉伸小于设定的最大网格线长度时，又自动分裂成两个网格。

无论是哪种动网格模型，对内部的参数设置要求十分严格，若参数设置不当，可能出现

负网格，因此，在进行划分网格时候，严格记录各关键部位尺寸，计算前，最好进行网格预览。

四、本文算例介绍

1、几何模型

本文将模拟子弹在水下运动过程，分别设定子弹以20m/s,,25m/s,30m/s在水下匀速运动，观察子弹周期的压力场，速度场以及空化情况，在此基础上选取30m/s运动速度采用动网格技术进行模拟，意在指明子弹与水的相对运动关系的区别。

为了节约计算资源，子弹简化为一长30mm,宽10mm,计算区域长300，宽100mm。全域采用四边形结构化网格，同时在子弹周围网格加密。网格总数15050，最小网格0.375mm。因为计算物体和计算区域高度对称，因此截取一半采用二维轴对称方式计算。计算网格及边界条件如图1所示：

图1

2、计算方法

将网格导入fluent12.0中，本文所有算例采用标准k-epsi湍流模型，离散方法为piso算法，打开空化模型。不同速度算例均为定常情况，动网格模型为非定常模型，其时间步长0.0001s。

3、计算结果

算例1：下图为20m/s,25m/s,30m/s速度下，子弹的空泡云图，速度云图和压力云图，从图2中可以看出随着速度增大，空泡尺寸相应增大，子弹周围压力减小。当达到30m/s 时，子弹几何被整个气泡包裹。

空泡尺寸速度云图压力云图

图2

以上算例均以子弹不动，在左边界给一个速度入口边界条件，以水相对子弹运动来代替自带在水中运动，此种方式在数学理论上符合逻辑，但是是否符合物理实际，现在众说纷纭。在相关领域也有相应的实验场地，均采用此种方式模拟真实的子弹或者其他水下航行体运动。由于子弹运行距离较长，不可能在实验中实际检测子弹的运动，因此，此方法在理论和实验方面都具有很强的优势。

算例2：选取30m/s运动速度，采用动网格技术，模拟子弹在水中航行。程序代码如图3

图3

具体操作步骤如下：

因计算机为双核处理器，所以在并行计算时候只能选取双核并行，若计算机性能足够强大，可选择多核并行，如图4标注。

图5 图6

本算例采用动态边界层动网格模型，在相应的模型前选中即可，内部的分裂因子保持默认，如图6。此模型需要把整个流域以及子弹作为运动物体同时运动，并且入口和出口设置为不动边界。此处动网格能否实现的关键在于运动体的参数设置。其中的cell hight均为y方向的最小网格尺寸，若设置成x方向，则无法运动。同时必须保证,s为最小网格尺

寸, 为时间步长，v为物体运动速度。

为了与定常30m/s具有可比性，本算例所以计算方法，参数以及边界条件与30m/s定常运动完全一致，不同之处在于来流速度为0，子弹以30m/s速度向右运动。计算之前最好先进行动网格预览。

图7是不同时刻子弹空泡发展情况：

图7

从云图可以看出，随时间增大，空泡尺寸不断变大，最后发展成为一个超空泡。由于计算区域较短，后面时候子弹运动靠近边界，数据不稳定，可认为此时空泡已经完全发展。由于计算时间较少，若延长计算时间，可看到空泡脱落现象。

为了说明动网格计算结果与定网格计算结果的差异，将30m/s定常结果与动网格模拟结果做对比，由于定常算例计算的是稳定后的空泡形态，因此必须以动网格计算空泡形态稳定后结果作为对比，如图8所示：

图8

图8看出定常计算和动网格计算在形态上有着明显的差别，动网格计算的空泡尺寸和尾部倒流情况明显不同于定常计算结果。至于哪个结果更符合物理实际，需要与相应的实验数据做对比。由于精力和条件限制，此处没有实际实验数据提供参考，此项工作将是后续工作重心。

五、结论和展望

通过以上算例计算，验证了动网格技术的可行性。动网格技术，可以捕捉物体的完整运动过程，对于工程实际可以提供相应的技术参考。

动网格技术也存在很大的缺陷，例如计算时间巨大，对计算机性能要求高，因此，优化网格结构，简化计算方法，提高计算效率是动网格发展的必然趋势。

fluent 软件介绍

百科名片 Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。 简介 Fluent算例 CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。 基本特点 FLUENT软件具有以下特点： FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法； 定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常模拟功能； Fluent 前处理网格划分 FLUENT软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其局部网格重生式是FLUENT所独有的，而

且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题； FLUENT软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术； FLUENT软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，是商用软件中最多的； FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-ω模型组、k-ε模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和V2F模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型； 适用于牛顿流体、非牛顿流体； 含有强制/自然/混合对流的热传导，固体/流体的热传导、辐射； 化学组份的混合/反应； 自由表面流模型，欧拉多相流模型，混合多相流模型，颗粒相模型，空穴两相流模型，湿蒸汽模型； 融化溶化/凝固；蒸发/冷凝相变模型； 离散相的拉格朗日跟踪计算； 非均质渗透性、惯性阻抗、固体热传导，多孔介质模型（考虑多孔介质压力突变）； 风扇，散热器，以热交换器为对象的集中参数模型； 惯性或非惯性坐标系，复数基准坐标系及滑移网格； 动静翼相互作用模型化后的接续界面； 基于精细流场解算的预测流体噪声的声学模型； 质量、动量、热、化学组份的体积源项； 丰富的物性参数的数据库； 磁流体模块主要模拟电磁场和导电流体之间的相互作用问题； 连续纤维模块主要模拟纤维和气体流动之间的动量、质量以及热的交换问题； 高效率的并行计算功能，提供多种自动/手动分区算法；内置MPI并行机制大幅度提高并行效率。另外，FLUENT特有动态负载平衡功能，确保全局高效并行计算； FLUENT软件提供了友好的用户界面，并为用户提供了二次开发接口（UDF）； FLUENT软件采用C/C++语言编写，从而大大提高了对计算机内存的利用率。 在CFD软件中，Fluent软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。Fluent 的软件设计基于"CFD计算机软件群的概念",针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。由于囊括了Fluent Dynamical International比利时PolyFlow和Fluent Dynamical International(FDI)的全部技术力量(前者是公认的在黏弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司,后者是基于有限元方法CFD软件方面领先的公司),因此Fluent具有以上软件的许优点 软件简介

FLUENT算例 (5)搅拌桨底部十字挡板的流场分析

搅拌桨底部十字挡板的流场分析搅拌设备在各个行业运用的十分广泛，搅拌就是为了更够更快速更高效的将物质与介质充分混合，发生充分的反应，而搅拌中存在着许多不利于混合的情况，比如液体旋流。为了解决这个问题，之前很多人提出在罐体的侧壁上增加挡板，可以抵消大部分旋流，然后大部分都是研究侧挡板的，对于底部挡板的研究十分少，本文就在椭圆底部挡板增加十字型挡板，对罐体中进行流场分析。 1．Gambit建模 首先用Gambit建模图形如下： 图1：Gambit建立的模型 分为两个区域，里面的圆柱为动区域，外面包着的大圆柱设为静区域，静区域划分网格大，划分粗糙，内部动区域划分网格小，划分精细。边界条件主要设置了轴，搅拌桨，底部挡板，上层液面。以下就是fluent进行数值模拟。 2.fluent数值模拟 2.1导入case文件

2.2对网格进行检查 Minimum volume的数值大于0即可。 图2网格检查2.3调节比例 单位选择mm单位。 图3比例调节2.4定义求解器参数 设置如图4所示

图4设置求解器参数2.5设置能量线 图5能量线 2.6设置粘度模型，选择k-e模型 k-e模型对该模型模拟十分实用。

图6粘度模型2.7定义材料 介质选择液体水。 2.8定义操作条件

由于存在着终于，建模时的方向向上，所以在Z轴增加一个重力加速度。 图8操作条件 2.9定义边界条件 在边界设置重，动区域如图所示，将材料设成水，motion type设成moving reference frame （相对滑动），转速设为10rad/s，单位可在Define中的set unit中的angular-velocity设置。而在在轴的设置中，如上图所示，将wall motion设成moving wall，motion设成Absolute，速度设成-10，由于轴跟动区域速度是相对的，所以设成反的。

FLUENT算例 (9)模拟燃烧

计算流体力学作业FLUENT 模拟燃烧 问题描述：长为2m、直径为0.45m的圆筒形燃烧器结构如图1所示，燃烧筒壁上嵌有三块厚为0.0005 m，高0.05 m的薄板，以利于甲烷与空气的混合。燃烧火焰为湍流扩散火焰。在燃烧器中心有一个直径为0.01 m、长为0.01 m、壁厚为0.002 m的小喷嘴，甲烷以60 m/s的速度从小喷嘴注入燃烧器。空气从喷嘴周围以0.5 m/s的速度进入燃烧器。总当量比大约是0.76(甲烷含量超过空气约28%)，甲烷气体在燃烧器中高速流动，并与低速流动的空气混合，基于甲烷喷嘴直径的雷诺数约为5.7×103。 假定燃料完全燃烧并转换为:CH4+2O2→CO2+2H2O 反应过程是通过化学计量系数、形成焓和控制化学反应率的相应参数来定义的。利用FLUENT的finite-rate化学反应模型对一个圆筒形燃烧器内的甲烷和空气的混合物的流动和燃烧过程进行研究。 1、建立物理模型，选择材料属性，定义带化学组分混合与反应的湍流流动边界条件 2、使用非耦合求解器求解燃烧问题 3、对燃烧组分的比热分别为常量和变量的情况进行计算，并比较其结果 4、利用分布云图检查反应流的计算结果 5、预测热力型和快速型的NO X含量 6、使用场函数计算器进行NO含量计算 一、利用GAMBIT建立计算模型 第1步启动GAMBIT，建立基本结构 分析：圆筒燃烧器是一个轴对称的结构，可简化为二维流动，故只要建立轴对称面上的

二维结构就可以了，几何结构如图2所示。 (1)建立新文件夹 在F盘根目录下建立一个名为combustion的文件夹。 (2)启动GAMBIT (3)创建对称轴 ①创建两端点。A(0,0,0)，B(2,0,0) ②将两端点连成线 (4)创建小喷嘴及空气进口边界 ①创建C、D、E、F、G点

FLUENT多孔介质数值模拟设置

FLUENT多孔介质数值模拟设置 多孔介质条件 多孔介质模型可以应用于很多问题，如通过充满介质的流动、通过过滤纸、穿孔圆盘、流量分配器以及管道堆的流动。当你使用这一模型时，你就定义了一个具有多孔介质的单元区域，而且流动的压力损失由多孔介质的动量方程中所输入的内容来决定。通过介质的热传导问题也可以得到描述，它服从介质和流体流动之间的热平衡假设，具体内容可以参考多孔介质中能量方程的处理一节。 多孔介质的一维化简模型，被称为多孔跳跃，可用于模拟具有已知速度/压降特征的薄膜。多孔跳跃模型应用于表面区域而不是单元区域，并且在尽可能的情况下被使用（而不是完全的多孔介质模型），这是因为它具有更好的鲁棒性，并具有更好的收敛性。详细内容请参阅多孔跳跃边界条件。 多孔介质模型的限制 如下面各节所述，多孔介质模型结合模型区域所具有的阻力的经验公式被定义为“多孔”。事实上多孔介质不过是在动量方程中具有了附加的动量损失而已。因此，下面模型的限制就可以很容易的理解了。 流体通过介质时不会加速，因为事实上出现的体积的阻塞并没有在模型中出现。这对于过渡流是有很大的影响的，因为它意味着FLUENT不会正确的描述通过介质的过渡时间。 多孔介质对于湍流的影响只是近似的。详细内容可以参阅湍流多孔介质的处理一节。 多孔介质的动量方程 多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源项由两部分组成，一部分是粘性损失项 (Darcy)，另一个是内部损失项： 其中S_i是i向(x, y, or z)动量源项，D和C是规定的矩阵。在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度（或速度方阵）成比例。 对于简单的均匀多孔介质： 其中a是渗透性，C_2时内部阻力因子，简单的指定D和C分别为对角阵1/a 和C_2其它项为零。 FLUENT还允许模拟的源项为速度的幂率： 其中C_0和C_1为自定义经验系数。 注意：在幂律模型中，压降是各向同性的，C_0的单位为国际标准单位。 多孔介质的Darcy定律 通过多孔介质的层流流动中，压降和速度成比例，常数C_2可以考虑为零。忽略对流加速以及扩散，多孔介质模型简化为Darcy定律： 在多孔介质区域三个坐标方向的压降为：

大涡模拟的FLUENT算例2D

Tutorial:Modeling Aeroacoustics for a Helmholtz Resonator Using the Direct Method(CAA) Introduction The purpose of this tutorial is to provide guidelines and recommendations for the basic setup and solution procedure for a typical aeroacoustic application using computational aeroacoustic(CAA)method. In this tutorial you will learn how to: ?Model a Helmholtz resonator. ?Use the transient k-epsilon model and the large eddy simulation(LES)model for aeroacoustic application. ?Set up,run,and perform postprocessing in FLUENT. Prerequisites This tutorial assumes that you are familiar with the user interface,basic setup and solution procedures in FLUENT.This tutorial does not cover mechanics of using acoustics model,but focuses on setting up the problem for Helmholtz-Resonator and solving it.It also assumes that you have basic understanding of aeroacoustic physics. If you have not used FLUENT before,it would be helpful to?rst review FLUENT6.3User’s Guide and FLUENT6.3Tutorial Guide. Problem Description A Helmholtz resonator consists of a cavity in a rigid structure that communicates through a narrow neck or slit to the outside air.The frequency of resonance is determined by the mass of air in the neck resonating in conjunction with the compliance of the air in the cavity. The physics behind the Helmholtz resonator is similar to wind noise applications like sun roof bu?eting. We assume that out of the two cavities that are present,smaller one is the resonator.The motion of the?uid takes place because of the inlet velocity of27.78m/s(100km/h).The ?ow separates into a highly unsteady motion from the opening to the small cavity.This unsteady motion leads to a pressure?uctuations.Two monitor points(Point-1and Point-2) act as microphone points to record the generated sound.The acoustic signal is calculated within FLUENT.The?ow exits the domain through the pressure outlet.

大涡模拟的fluent算例

Introduction:This tutorial demonstrates how to model the2D turbu-lent?ow across a circular cylinder using LES(Large Eddy Simula-tion),and compute?ow-induced noise(aero-noise)using FLUENT’s acoustics model. In this tutorial you will learn how to: ?Perform2D Large Eddy Simulation(LES) ?Set parameters for an aero-noise calculation ?Save surface pressure data for an aero-noise calculation ?Calculate aero-noise quantities ?Postprocess an aero-noise solution Prerequisites:This tutorial assumes that you are familiar with the menu structure in FLUENT,and that you have solved or read Tu-torial1.Some steps in the setup and solution procedure will not be shown explicitly. Problem Description:The problem considers turbulent air?ow over a2D circular cylinder at a free stream velocity U of69.19m/s. The cylinder diameter D is1.9cm.The Reynolds number based on the?ow parameters is about90000.The computational do-main(Figure3.0.1)extends5D upstream and20D downstream of the cylinder,and5D on both sides of it.If the computational domain is not taken wide enough on the downstream side,so that no reversed?ow occurs,the accuracy of the aero-noise prediction may be a?ected.The rule of thumb is to take at least20D on the downstream side of the obstacle. c Fluent Inc.June20,20023-1

基于Fluent的三通管数值模拟及分析

第40卷第2期 当 代 化 工 Vol.40，No. 2 2011年2月 Contemporary Chemical Industry February，2011 收稿日期： 2010-08-17 作者简介： 魏显达（1983-），男，硕士，黑龙江北安人，2007年毕业于大庆石油学院电子信息工程，研究方向：塔顶流出系统的腐蚀与防 基于 Fluent 的三通管数值模拟及分析 魏显达，王为民， 徐建普 （辽宁石油化工大学石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001） 摘 要：Fluent 软件作为流体力学中通用性较强的一种商业CFD 软件应用范围很广。通过利用Fluent 计算流体动力学（CFD）的软件，对石油工业系统中常见的三通管内部流体进行了模拟分析，得到了三通管内在流体流动时的速度、压力和温度场分布图，为石油管道中的流体输送提供了理论依据。 关 键 词：Fluent；三通管；模拟分析；分布图 中图分类号： TQ 018 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2011）02-0165-03 Numerical Simulation and Analysis of Fluid in Three-way Connection Pipe Based on Fluent Software WEI Xian-da ，WANG Wei-min ，XU Jian-pu (Institute of Petroleum and gas engineering , Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China ） Abstract : As a commercial CFD software with good universality, the Fluent software has been used extensively. In this paper, Simulation analysis on fluid in the three-way connection pipe of the oil industry was carried out by the software of fluid mechanics computation .Then distribution graphs of velocity , pressure and temperature of fluid in the three-way pipe were gained ，which can offer theoretical basis on fluid transportation in the petroleum pipeline. Key words : Fluent three-way ；Connection pipe ；Simulation analysis ；Distribution graphs Fluent 是目前国际上比较流行的商用CFD 软件包，在美国的市场占有率为60%，广泛应用于流体、热传热和各种化学反应等有关工业。软件包括前处理器（利用Gambit 进行物理建模、网格划分和划定边界层条件）、求解器（根据专业条件不同，采用不同的求解器，并规定物性、外部工作环境和进行数值迭代）和后处理器（把一些数据可视化，满足用户的特定要求）。 三通管在石油工业中应用广泛，采用传统的设计开发方法，存在经济成本高，研发周期长等缺陷，耗费大量的人力、物力 [1-2] 。应用CFD 软件，能够在 相对较短的设计周期内，较低的成本运行下，准确模拟流动具体过程，如速度场、压力场和温度场等的时变特性等。CFD 技术已经成为不可缺少的设计手段。 本文利用Fluent 的超强数值计算和分析能力对三通管道内原油流动时的速度、压强和温度场进行了数值模拟和分析，为石油管道中的流体输送提供了可靠的理论依据。 1 数学模型的建立和分析 输油管道管中，原油在三通管内的流动属于湍流，简化方程管道内的流体流动满足质量守恒、动量守恒、能量守恒、状态方程等。 连续性方程（连续性方程式质量守恒定律在流体力学中的表现形式）在直角坐标系下表示为（（1）方程） [3-5] ： 0)()()(=??+??+??+??z y x t z y x νννρρρρ （1） 式中：V x ，V y ，V z 是速度矢量ν在x 、y 和z 轴方向的分量，t 是时间，ρ是密度。 最常用的湍流求解模型是标准k -ε湍流模型。它需要求解湍动能k ((2)方程)和耗散率ε((3)方程)，具体如下所示： Y G G x x M b k i t i k t k ?+++??+??=ρεσμρ μ)[(d d （2） K K k t C G C G C x x b K i t i εμρεσμερεεε2 231)(])[(d d ?++??+??= （3）

FLUENT算例 (3)三维圆管紊流流动状况的数值模拟分析

三维圆管紊流流动状况的数值模拟分析 在工程和生活中，圆管内的流动是最常见也是最简单的一种流动，圆管流动有层流和紊流两种流动状况。层流，即液体质点作有序的线状运动，彼此互不混掺的流动；紊流，即液体质点流动的轨迹极为紊乱，质点相互掺混、碰撞的流动。雷诺数是判别流体流动状态的准则数。本研究用CFD 软件来模拟研究三维圆管的紊流流动状况，主要对流速分布和压强分布作出分析。 1 物理模型 三维圆管长2000mm l =，直径100mm d =。 流体介质：水，其运动粘度系数6 2 110m /s ν-=?。 Inlet ：流速入口，10.005m /s υ=，20.1m /s υ= Outlet ：压强出口 Wall ：光滑壁面，无滑移 2 在ICEM CFD 中建立模型 2.1 首先建立三维圆管的几何模型Geometry 2.2 做Blocking 因为截面为圆形，故需做“O ”型网格。

2.3 划分网格mesh 注意检查网格质量。 在未加密的情况下，网格质量不是很好，如下图 因管流存在边界层，故需对边界进行加密，网格质量有所提升，如下图

2.4 生成非结构化网格，输出fluent.msh等相关文件 3 数值模拟原理 紊流流动

当以水流以流速20.1m /s υ=，从Inlet 方向流入圆管，可计算出雷诺数10000υd Re ν ==，故圆管内流动为紊流。 假设水的粘性为常数（运动粘度系数62 110m /s ν-=?）、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程如下： ①质量守恒方程： ()()()0u v w t x y z ρρρρ????+++=???? (0-1) ②动量守恒方程： 2()()()()()()()()()()[]u uu uv uw u u u t x y z x x y y z z u u v u w p x y z x ρρρρμμμρρρ??????????+++=++??????????'''''????+---- ???? (0-2) 2 ()()()()()()()()()()[]v vu vv vw v v v t x y z x x y y z z u v v v w p x y z y ρρρρμμμρρρ??????????+++=++??????????'''''????+- ---???? (0-3) 2 ()()()()()()()()()()[]w wu wv ww w w w t x y z x x y y z z u w v w w p x y z z ρρρρμμμρρρ??????????+++=++??????????'''''????+- ---???? (0-4) ③湍动能方程： ()()()()[())][())][())]t t k k t k k k ku kv kw k k t x y z x x y y k G z z μμρρρρμμσσμμρεσ????????+++=+++????????? ?+ ++-?? (0-5) ④湍能耗散率方程： 212()()()()[())][())][())]t t k k t k k u v w t x y z x x y y C G C z z k k εεμμρερερερεεεμμσσμεεεμρσ??????? ?+++=+++??????????+++-?? (0-6) 式中，ρ为密度，u 、ν、w 是流速矢量在x 、y 和z 方向的分量，p 为流体微元体上的压强。 方程求解：采用双精度求解器，定常流动，标准ε-k 模型，SIMPLEC 算法。 4 在FLUENT 中求解计算紊流流动 4.1 FLUENT 设置 除以下设置为紊流所必须设置的外，其余选项和层流相同，不再详述。

应用FLUENT进行射流流场的数值模拟

应用FLUENT进行射流流场的数值模拟 谢峻石何枫 清华大学工程力学系 一．引言 射流是流体运动的一种重要类型，射流的研究涉及到许多领域，如热力学、航空航天学、气象学、环境学、燃烧学、航空声学等。在机械制造与加工的过程中，就经常利用压缩空气喷枪喷射出高速射流进行除尘、除水、冷却、雾化、剥离、引射等。在工业生产中，改善气枪喷嘴的设计，提高气枪的工作效率对于节约能源具有重大的意义。 FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。本文的工作就是将FLUENT应用于喷嘴射流流场的数值模拟，使我们更加深刻地理解问题产生的机理、为实验研究提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用.。 二．控制方程与湍流模式 非定常可压缩的射流满足如下的N-S方程： （1） 上式中，是控制体，是控制体边界面，W是求解变量，F是无粘通量，G是粘性通量，H是源项。

采用二阶精度的有限体积法对控制方程进行空间离散，时间离散采用Gauss-Seidel隐式迭代。 FLUENT软件包中提供了S-A(Spalart-Allmaras)，K-（包括标准K-、RNG K-和Realizable K-），Reynolds Stress等多种湍流模式，本文在大量数值实验的基础上，亚音速射流选择RNG K-湍流模式，超音速射流选择S-A湍流模式。 三．算例分析 （一）二维轴对称亚声速自由射流 计算了一个出口直径为3mm的轴对称收缩喷嘴的亚声速射流流场，压比为1.45。外流场的计算域为20D×5D（见图1）。 图1 计算域及网格示意图 图2显示的是速度分布，图3、图4分别显示了轴线上的速度分布以及截面上的速度分布计算值与实验值的比较。从图中可以看出，亚声速自由射流轴线上的速度核心区的长度约为5～6D，计算值与实验值吻合的比较一致，证明RNG k-湍流模式适合于轴对称亚音速自由射流的数值模拟。

Fluent数值模拟步骤

Fluent数值模拟的主要步骤 使用Gambit划分网格的工作： 首先建立几何模型，再进行网格划分，最后定义边界条件。 Gambit中采用的单位是mm，Fluent默认的长度是m。 Fluent数值模拟的主要步骤： （1）根据具体问题选择2D或3D求解器进行数值模拟； （2）导入网格(File-Read-Case)，然后选择由Gambit导出的msh文件。 （3）检查网格(Grid-Check)，如果网格最小体积为负值，就要重新进行网格划分。（4）选择计算模型(Define-Models-Solver)。（6） （5）确定流体的物理性质(Define-Materials)。 （6）定义操作环境(Define-Operating Conditions)。 （7）指定边界条件(Define-Boundary Conditions )。 （8）求解方法的设置及其控制（Solve-Control-Solution）。 （9）流场初始化（Solve-Initialize）。 （10）打开残插图（Solve-Monitors-Residual）可动态显示残差，然后保存当前的Case和Data文件（File-Writer-Case&Data）。 （11）迭代求解（Solve-Iterate）。 （12）检查结果。 （13）保存结果（File-Writer-Case&Data），后处理等。 在运行Fluent软件包时，会经常遇到以下形式的文件： .jou文件：日志文档，可以编辑运行。 .dbs文件：Gambit工作文件，若想修改网格，可以打开这个文件进行再编辑。 .msh文件：Gambit输出的网格文件。 .cas文件：是.msh文件经过Fluent处理后得到的文件。 .dat文件：Fluent计算数据结果的数据文件。 三维定常速度场的计算实例操作步骤 对于三维管道的速度场的数值模拟，首先利用Gambit画出计算区域，并且对边界条件进行相应的指定，然后导出Mesh文件。接着，将Mesh文件导入到Fluent求解器中，再经过一些设置就得到形影的Case文件，再利用Fluent求解器进行求解。最后，可以将Fluent 求解的结果导入到Tecplot中，并对感兴趣的结果进行进一步的处理。

FLUENT算例(9)模拟燃烧(优选.)

最新文件---------------- 仅供参考--------------------已改成-----------word文本 --------------------- 方便更改 计算流体力学作业FLUENT 模拟燃烧 问题描述：长为2m、直径为0.45m的圆筒形燃烧器结构如图1所示，燃烧筒壁上嵌有三块厚为0.0005 m，高0.05 m的薄板，以利于甲烷与空气的混合。燃烧火焰为湍流扩散火焰。在燃烧器中心有一个直径为0.01 m、长为0.01 m、壁厚为0.002 m的小喷嘴，甲烷以60 m/s的速度从小喷嘴注入燃烧器。空气从喷嘴周围以0.5 m/s的速度进入燃烧器。总当量比大约是0.76(甲烷含量超过空气约28%)，甲烷气体在燃烧器中高速流动，并与低速流动的空气混合，基于甲烷喷嘴直径的雷诺数约为5.7×103。 假定燃料完全燃烧并转换为:CH4+2O2→CO2+2H2O 反应过程是通过化学计量系数、形成焓和控制化学反应率的相应参数来定义的。利用FLUENT的finite-rate化学反应模型对一个圆筒形燃烧器内的甲烷和空气的混合物的流动和燃烧过程进行研究。 1、建立物理模型，选择材料属性，定义带化学组分混合与反应的湍流流动边界条件 2、使用非耦合求解器求解燃烧问题 3、对燃烧组分的比热分别为常量和变量的情况进行计算，并比较其结果 4、利用分布云图检查反应流的计算结果 5、预测热力型和快速型的NO X含量 6、使用场函数计算器进行NO含量计算 一、利用GAMBIT建立计算模型 第1步启动GAMBIT，建立基本结构

分析：圆筒燃烧器是一个轴对称的结构，可简化为二维流动，故只要建立轴对称面上的二维结构就可以了，几何结构如图2所示。 (1)建立新文件夹 在F盘根目录下建立一个名为combustion的文件夹。 (2)启动GAMBIT (3)创建对称轴 ①创建两端点。A(0,0,0)，B(2,0,0) ②将两端点连成线 (4)创建小喷嘴及空气进口边界

fluent模拟基本步骤及注意事项

二维模拟： 一、模拟类型： 1、 大区域空间速度场模拟 计算区域大小设置：迎风面是建筑长度的3倍，背风面是建筑长度的12倍，两侧面是建筑宽度的3倍，高度是建筑高度的4倍。 根据相似理论：l C -几何比例尺 速度比例尺：2 10l C C =υ 风量比例尺：2520l l Q C C C C =?=υ 热量比例尺： 250l T Q C C C Cq =?=? 2、 建筑户型温度场、速度场模拟 二、基本操作步骤及注意事项： A gambit 建模 1、 建模： 方法一：直接在GAMBIT 建模； 方法二：CAD 导入gambit ； 1） 在CAD 中用PL 线将户型的基本构造画出来，创建为面域； 2） 输入命令acisoutver ，把‘70’修改为‘30’。 3） “文件”——“输出”——sat 文件 4） 在gambit 中导入Acis 文件 注意：在用PL 线构画户型时，在进口和出口边界（窗户、内户门），要各边界端点连续画线。 2、 划分网格： Interval Size ：50 3、 设置边界条件 内部开口边界（门）设置为internal ，房间相邻墙壁设置为Wall 4、 保存文件，并输出mesh 文件 B 导入fluent 计算： 1、 导入mesh 文件 2、 检查网格 3、 设置单位 gambit 里可以缩小建筑比例建模，在fluent 中设置单位恢复原模型。 4、 选择计算模型 5、 设置材料类型 6、 设置边界条件 7、 设置模拟控制条件 8、 边界初始化

9、设置监视窗口 10、设置迭代次数进行计算 11、结果显示 12、保存文件 三、需解决问题： 1、湍流强度等计算； 2、层流湍流界定问题； 3、壁面湿度设置问题； 四、待提高部分： 1、户型流场模拟时，墙壁考虑采用双钱； 2、南京理工校区原始模型（不简化）模拟； 3、三维模型模拟； 五、

(完整版)如何在gambit中提高网格质量

如何在gambit中提高网格质量 经常在网上看到一些网友为gambit划分不出好的网格质量而烦恼。 要生成一套好的网格，我觉得以下几点是很必要的： 1.选择一款好的网格生成软件； 2.确保实体尽量简洁； 3.合理布置线上节点； 但是，对于一些初学者来说，gridgen等专业点的网格划分软件在短时间内是很难掌握的，所以大部分人还是喜欢用gambit。对于gambit来说，有的时候满足了条件2，3，仍然有可能生成质量很差的网格，这个时候就需要手动调整以提高网格质量了。下面我将以一个例子来详细讲解一下如何在gambit中提高网格质量。 这个是个简单的楔形体，包括附面层网格。该网格满足实体简单，节点的布置也合理，但是生成的网格质量很差，主要是在楔形体尾部附面层网格与三角形网格交接的地方。 该图为放大图，从中可以看出有一个网格基本上已经退化成一条线了，从而导致整个网格最大的倾斜率超过了0.99。

解决方法一： 由于质量差的网格集中在附面层与三角形网格过渡的地方，可以从改变附面层网格分布入手。 改变楔形体三个顶点的类型，将其改为side，从而改变附面层网格。 改变附面层网格分布后，重新生成的网格质量提高了不少。 解决方法二： 改变三角形网格分布。

选择调整面网格的节点分布。 手动调整质量差的网格的节点，使其分布合理。

通过调整后，最大倾斜率小于0.91了。该质量的网格基本上就能导入fluent计算了，通过fluent中的smooth/swap功能，还能进一步提高网格质量。 以上例子只是给网友一个在gambit中调整网格的思路，希望能解决一部分人的问题。 其实，提高网格质量最好的办法就是将坏的网格merge到好的网格中，可惜我目前还没有在gambit中发现该功能。有机会再跟大家探讨一下在tgrid中如何用merge功能提高网格质量。

实体入水FLUENT模拟过程_包括划分网格方法

实体入水模拟过程 3.2.1利用GAMBIT建立计算模型 1）启动GAMBIT，打开对话框如图3.2.1选择工作目录为D:\GAMBIT working。 图 3.2.1 2）首先建立等边三角形，单击Geometry Vertex Create Real Vertex，在Create Real Vertex面板的x、y、z坐标输入（0,0,0），单击Apply按钮生成第一个点，按同样的方法建立点（0.4,0,0）。然后单击Geometry Edge Create Straight Edge，在Create Straight Edge面板中选择点1与点2，连接这两点省成线段。如图3.2.2 图3.2.2 3）单击Edge面板中的Move/Copy Edges按钮，打开如图3.2.3的面板，选择线段1，单击copy按钮，并选择Operation为Rotate，在Angle栏输入60，其他保持默认，单击Apply 按钮。即旋转复制生成第二条线段。

图3.2.3 4）剩下的一条线段只需连接右侧两点即可，如图3.2.4所示。 图3.2.4 5）创建三角形面。单击Geometry Face Create Face from Wireframe，在Create Face from Wireframe面板中利用鼠标左键框选等边三角形的三条边，然后单击Apply按钮创建面。 6）由于三角形面域的位置不对，所以还要对其位置进行调整。首先需将其旋转210度。单击Face面板中的Move/Copy Faces按钮，在Move/Copy Faces面板中，选择面1（face.1），单击Move并选择Operation为Rotate，在Angle栏输入210，其他保持默认，单击Apply 按钮。其次，需要将三角形平移，在Move/Copy Edges面板中选择面1（face.1），单击Move 并选择Operation为Translate，在x与y栏分别输入3和8.4，单击Apply按钮完成平移操作，此时的视图窗口如图3.2.5所示。

fluent简介

简介： ?? CFD商业软件介绍之一——Fluent 通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。 编辑本段基本特点 FLUENT软件具有以下特点： ☆ FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法； ☆定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常模拟功能； ☆ FLUENT软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其局部网格重生式是FLUENT所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题； ☆ FLUENT软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术； ☆ FLUENT软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，是商用软件中最多的； ☆ FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-ω模型组、k-ε模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和V2F模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型； ☆适用于牛顿流体、非牛顿流体； ☆含有强制/自然/混合对流的热传导，固体/流体的热传导、辐射； ☆化学组份的混合/反应； ☆自由表面流模型，欧拉多相流模型，混合多相流模型，颗粒相模型，空穴两相流模型，湿蒸汽模型； ☆融化溶化/凝固；蒸发/冷凝相变模型； ☆离散相的拉格朗日跟踪计算； ☆非均质渗透性、惯性阻抗、固体热传导，多孔介质模型（考虑多孔介质压力突变）； ☆风扇，散热器，以热交换器为对象的集中参数模型； ☆惯性或非惯性坐标系，复数基准坐标系及滑移网格； ☆动静翼相互作用模型化后的接续界面； ☆基于精细流场解算的预测流体噪声的声学模型； ☆质量、动量、热、化学组份的体积源项； ☆丰富的物性参数的数据库； ☆磁流体模块主要模拟电磁场和导电流体之间的相互作用问题； ☆连续纤维模块主要模拟纤维和气体流动之间的动量、质量以及热的交换问题； ☆高效率的并行计算功能，提供多种自动/手动分区算法；内置MPI并行机制大幅度提

沿程损失阻力系数的FLUENT数值模拟(计算流体力学作业)..

计算流体力学课程作业 作业题目：沿程损失阻力系数的FLUENT数值模拟 学生姓名：易鹏 学生学号： 专业年级：动力工程及工程热物理12级学院名称：机械与运载工程学院 2012年5月2日

沿程损失阻力系数的 FLUENT 数值模拟 一、 引言 沿程损失（pipeline friction loss ）是指管道内径不变的情况下，管内流体流过一段距离后的水头损失。其中边界对水流的阻力是产生水头损失的外因，液体的粘滞性是产生水头损失的内因，也是根 本原因。沿程能量损失的计算公式是：2f l v h =λd 2g 。其中：l 为管长，λ 为沿程损失系数，d 为管道内径，2 v 2g 为单位重力流体的动压头（速度 水头），v 为流体的运动粘度系数。粘性流体在管道中流动时，呈现出两种流动状态，管道中的流速cr v v <(cr v 为层流向湍流转变的临界流速)为层流，此时整个流场呈一簇互相平行的流线。则cr v v >时为湍流，流场中的流体质点作复杂的无规则的运动。沿程损失与流动状态有关，故计算各种流体通道的沿程损失，必须首先判别流体的流动状态。 沿程损失能量损失的计算公式由带粘性的伯努利方程 221122 12f v p v p ++z =++z +h 2g ρg 2g ρg 推出，可知，12f P -P h =ρg 其中： ——单位质量流体的动能（速度水头）。流体静止时为0。 ——单位质量流体的势能（位置水头）。 ——单位质量流体的压力能（压强水头）。 2 v 2g z p ρg

又由量纲分析的π定理，得出 2 Δp L =λ1d ρV 2 ，计算出达西摩擦因子22Δpd λ=LρV ， 则2f L V h =λD 2g ,由于Vd Re =ν，μν=ρ，则d λ=f(Re )。 关于沿程损失最著名的是尼古拉茨在1932～ 1933年问所做的实验(右图为实验装置图)。其测得曲线如图1，从此得出了几个重要结论： 1．层流区 Re ＜2320为层流区。在该区域内，管壁的相对粗糙度对沿程损失系数没有影响。 2．过渡区 2320＜Re ＜4000为由层流向湍流的转换区，可能是层流，也可能是湍流，实验数据分散，无一定规律。 3．湍流光滑管区 4000＜Re ＜26．98（d/ε）8/7，为湍流光滑管区。勃拉修斯（p.Blasius ）1911年用解析方法证明了该区沿程损失系数与相对粗糙度无关，只与雷诺数有关，并借助量纲分析得出了4×10e3＜Re ＜10e5范围内的勃拉休斯的计算公式为 0.25 0.3164 Re λ=