2004-06 FLUENT流体工程仿真计算实例与应用 韩占忠 王敬 兰小平 北京理工大学出版社

前言回到顶部↑ 空气、水、油等易于流动的物质被统称为流体。在力的作用下，流体的流动可引起能量的传递、转换和物质的传送，利用流体进行力传递、进行功和能转换的机械就称为流体机械。比如，泵是一种将电能转换为流体动能并输送液体的机械；风机是一种将机械能或电能转换为风能的机械；水力发电机就是一种将水的势能和动能转换为电能的一种机械。此类例子举不胜举，因此，流体机械与我们的生活和工作密切相关。流体力学就是一门研究流体流动规律以及流体与固体相互作用的一门学科，研究的范围涉及到风扇的，发动机内气体的流动以及车辆外形的减阻设计，水利机械的工作原理，输油管道的铺设，供水系统的设计，乃至航海、航空和航天等领域内动力系统和外形设计等等。  自从1687年牛顿定律公布以来，直到本世纪50年代初，研究流体运动规律的主要方法有两种：一是实验研究，以实验为研究手段；另一种是理论方法，利用简单流动模型假设，给出某些问题的解析解。前者耗费巨大，而后者对于较复杂的非线性流动现象目前还有些无能为力。20世纪70年代以来，飞速发展起来的计算流体力学为实验研究和理论研究都起到了促进作用，也为简化流动模型提供了更多的依据，使很多分析方法得到发展和完善。实验研究、理论分析方法和数值模拟已成为当前研究流体运动规律的三种基本方法。  任何流体运动的规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律为基础的。这些基本定律可由数学方程组来描述，如欧拉方程、N—S方程。采用数值计算方法，通过计算机求解这些控制流体流动的数学方程，进而研究流体的运动规律，这样的学科就是计算流体力学。  尽管流动规律仍然满足质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，但流体力学不同于固体力学，一个根本原因就在于流体的流动过程中发生了巨大的形变，使问题求解变得异常复杂。其控制方程属于非线性的偏微分方程，除几个简单问题之外，一般来说很难求得解析解。为此，对具体问题进行数值求解就成为研究流体流动的一个重要的研究方向和方法，其基础就是计算流体力学。对于大多数人来说，不必要掌握流体力学微分方程的求解以及进行计算流体力学的深人研究，但在工作中又需要对某些具体的流动过程进行分析、计算和研究，由此，计算准确、界面友好、使用简单，又能解决问题的大型商业计算机软件应运而生。目前，比较著名的有FLUENT，CFX，STAR—CD等，本书将向读者介绍FLUENT软件。  本书是以基础知识、二维流动和三维流动的顺序编写而成的。其中第一章是流体力学的基础知识和FLUENT软件简介，可作为后续的简单铺垫。读者可在后面的学习中不断翻阅这一章，以期对所进行模拟的问题和结果有一个理论的说明。第二章是二维流动数值模拟部分，建模和计算都比较简单，是本书的基础。第三章是三维流动问题，建模和计算以及后处理都比较复杂。由于篇幅的限制，本书不可能面面俱到并进行详细讲解，但相信读者通过本书的学习，一定能领会其中的技巧。  本书是利用FLUENT软件进行流体流动与传热计算的一本人门书籍，是以“跟我学”的形式编写的。在编写中，所使用FLUENT的版本是6．0，GAMBIT的版本是2．0。书中给出了11个具体的例子，读者只要按照书中的步骤一步一步进行，即可完成一个具体问题的数值模拟与分析。通过本书中若干个例子的学习，读者可逐步掌握利用FLUENT进行流体流动数值模拟的基本方法，进人流体流动与传热数值模拟这一广阔的领域，尽情地对所感兴趣的问题进行数值模拟和研究，在各自研究的领域内发挥各自的特点，不再受到流体流动问题的困扰。本书第一章、第二章的第1，2，3，4，5节以及第三章的第1节由韩占忠编写；第三章的第2节由兰小平编写；第二章的第6节和第三章的第3，4，5节由王敬编写；全书由韩占忠总纂。在本书的编写过程中，得到了北京理工大学机械与车辆工程学院王国玉教授的热心指导以及硕士研究生陶磊、张震等同学的大力协助，还得到了中国北方车辆研究所工程分析与可靠性中心的魏来生主任、汪建兵工程师和郭刘洋工程师的大力帮助，在此一并致谢。  本书既是广大工程技术人员利用FLUENT软件进行流体流动数值模拟计算的一本入门书，又可作为大专院校相关专业本科和硕士研究生的流体力学以及传热学的教学参考书。鉴于编者水平有限，书中难免有不当之处，还请广大读者给予指正，不胜感谢。  编 者  2004年3月  内容简介回到顶部↑ 书籍 计算机书籍 本书是利用界面友好、使用简单的大型商业计算机应用软件FLUENT进行流体流动与传热计算的一本入门书籍。全书以“跟我学”的形式编写而成。书中给出了11个实例，读者只要按照书中的步骤一步一步进行，即可完成一个具体问题的数值模拟与分析，进而逐步掌握利用FLUENT进行流体流动数值模拟的基本方法。书中使用FLUENT 6．0版本，GAMBIT 2．0版本。本书配有1张光盘，可对书中所举实例进行动画演示。  目录回到顶部↑ 第一章 流体力学基础与fluent简介  第一节 概论  一、流体的密度、重度和比重  二、流体的黏性——牛顿流体与非牛顿流体  三、流体的压缩性——可压缩与不可压缩流体  四、液体的面张力  第二节 流体力学中的力与压强  一、质量力与表面力  二、绝对压强、相对压强与真空度  三、液体的汽化压强  四、静压、动压和总压  第三节 能量损失与总流的能量方程  一、沿程损失与局部损失  二、总流的伯努里方程  三、人口段与充分发展段  第四节 流体运动的描述  一、定常流动与非定常流动  二、流线与迹线  三、流量与净通量  四、有旋流动与有势流动  .五、层流与湍流  第五节 亚音速与超音速流动  一、音速与流速  二、马赫数与马赫锥  三、速度系数与临界参数  四、可压缩流动的伯努里方程  五、等熵滞止关系式  第六节 正激波与斜激波  一、正激波  二、斜激波  第七节 流体多维流动基本控制方程  一、物质导数  二、连续性方程  三、n—s方程  第八节 边界层与物体阻力  一、边界层及基本特征  二、层流边界层微分方程  三、边界层动量积分关系式  四、物体阻力  第九节 湍流模型  第十节 fluent简介  一、程序的结构  二、fluent程序可以求解的问题  三、用fluent程序求解问题的步骤  四、关于fluent求解器的说明  五、fluent求解方法的选择  六、边界条件的确定  第二章 二维流动与传热的数值计算  第一节 冷、热水混合器内部二维流动  一、前处理——利用gambit建立计算模型  第1步 确定求解器  第2步 创建坐标网格图  第3步 由节点创建直线  第4步 创建圆弧边  第5步 创建小管嘴  第6步 由线组成面  第7步 确定边界线的内部节点分布并创建结构化网格  第8步 设置边界类型  第9步 输出网格并保存会话  二、利用fluent进行混合器内流动与热交换的仿真计算  第1步 与网格相关的操作  第2步 建立求解模型  第3步 设置流体的物理属性  第4步 设置边界条件  第5步 求解  第6步 显示计算结果  第7步 使用二阶离散化方法重新计算  第8步 自适应性网格修改功能  小结  课后练习  第二节 喷管内二维非定常流动  一、利用gambit建立计算模型  第1步 确定求解器  第2步 创建坐标网格图和边界线的节点  第3步 由节点创建直线  第4步 利用圆角功能对i点处的角倒成圆弧  第5步 由边线创建面  第6步 定义边线上的节点分布  第7步 创建结构化网格  第8步 设置边界类型  第9步 输出网格并保存会话  二、利用fluent进行喷管内流动的仿真计算  第1步 与网格相关的操作  第2步 确定长度单位  第3步 建立求解模型  第4步 设置流体属性  第5步 设置工作压强为0 atm  第6步 设置边界条件  第7步 求解定常流动  第8步 非定常边界条件设置以及非定常流动的计算  第9步 求解非定常流  第10步 对非定常流动计算数据的保存与后处理  小结  课后练习  第三节 三角翼的可压缩外部绕流  一、利用gambit建立计算模型  第1步 启动gambit，并选择求解器为fluent5／6  第2步 创建节点  第3步 由节点连成线  第4步 由边线创建面  第5步 创建网格  第6步 设置边界类型  第7步 输出网格文件  二、利用fluent进行仿真计算  第1步 启动fluent 2d求解器并读入网格文件  第2步 网格检查与确定长度单位  第3步 建立计算模型  第4步 设置流体材料属性  第5步 设置工作压强  第6步 设置边界条件  第7步 利用求解器进行求解  第8步 计算结果的后处理  小结  课后练习  第四节 三角翼不可压缩的外部绕流(空化模型应用)  第1步 启动fluent 2d求解器并读入网格文件  第2步 网格检查与确定长度单位  第3步 设置求解器  第4步 设置流体材料及其物理性质  第5步 设置流体的流相  第6步 设置边界条件  第7步 求解  第8步 对计算结果的后处理  小结  课后练习  第五节 vof模型的应用  一、利用gambit建立计算模型  第1步 启动gambit并选择fluent5／6求解器  第2步 建立坐标网格并创建节点  第3步 由节点连成直线段  第4步 创建圆弧  第5步 创建线段的交点g  第6步 将两条线在g点处分别断开  第7步 删除dg直线和fg弧线  第8步 由边创建面  第9步 定义边线上的节点分布  第10步 在面上创建结构化网格  第11步 设置边界类型  第12步 输出网格文件并保存会话  二、利用fluent 2d求解器进行求解  第1步 读入、显示网格并设置长度单位  第2步 设置求解器  第3步 设置流体材料及属性  第4步 设置基本相和第二相  第5步 运算环境设置  第6步 设置边界条件  第7步 求解  第8步 计算结果的后处理  小结  第六节 组分传输与气体燃烧  一、利用gambit建立计算模型  第1步 打开gambit  第2步 对空气进口边界进行分网  第3步 设置边界条件  第4步 输出2d网格  二、利用fluent-2d求解器进行  模拟计算  第1步 与网格相关的操作  第2步 设置求解模型  第3步 流体材料设置  第4步 边界条件设置  第5步 使用常比热容的初始化并求解  第6步 采用变比热容的解法  第7步 后处理  第8步 nox预测  小结  第三章 三维流动与传热的数值计算  第一节 冷、热水混合器内的三维流动与换热  一、利用gambit建立混合器计算模型  第1步 启动gambit并选定求解器(fluent5／6)  第2步 创建混合器主体  第3步 设置混合器的切向入流管  第4步 去掉小圆柱体与大圆柱体相交的多余部分，并将三个圆柱体联结成一个整体  第5步 创建主体下部的圆锥  第6步 创建出流小管  第7步 将混合器上部、渐缩部分和下部出流小管组合为一个整体，  第8步 对混合器内区域划分网格  第9步 检查网格划分情况  第10步 设置边界类型  第11步 输出网格文件(．msh)  二、利用fluent 3d求解器进行求解  第1步 检查网格并定义长度单位  第2步 创建计算模型  第3步 设置流体的材料属性  第4步 设置边界条件  第5步 求解初始化  第6步 设置监视器  第7步 保存case文件  第8步 求解计算  第9步 保存计算结果  三、计算结果的后处理  第1步 读入case和data文件  第2步 显示网格  第3步 创建等(坐标)值面  第4步 绘制温度与压强分布图  第5步 绘制速度矢量图  第6步 绘制流体质点的迹线  第7步 绘制xy曲线  小结  课后练习  第二节 粘性流体通过圆管弯头段的三维流动  一、前处理——利用gambit建立计算模型  第1步 确定求解器  第2步 创建圆环  第3步 创建立方体  第4步 移动立方体  第5步 分割圆环  第6步 删除3／4圆环  第7步 建立弯管直段  第8步 移动弯管直段  第9步 整合弯管和直段  第10步 边界层的设定  第11步 划分面网格  第12步 划分体网格  第13步 定义边界类型  第14步 输出网格文件  二、利用fluent 3d求解器进行模拟计算  第1步 启动fluent，进入3d模式  第2步 读入网格数据  第3步 网格检查  第4步 显示网格  第5步 建立求解模型  第6步 设置湍流模型  第7步 设置流体的物理属性  第h步 设置边界条件  第9步 求解控制  第10步 求解  第11步 显示初步计算结果  第12步 流线显示  小结  第三节 三维稳态热传导问题  一、利用gambit进行网格划分  第1步 导入几何模型  第2步 选取求解器  第3步 网格划分  第4步 边界条件设置  第5步 网格检查  第6步 输出网格  二、利用fluent-3d求解器进行数值模拟计算  第1步 在fluent中读入网格文件  第2步 选取求解器  第3步 材料设置  第4步 边界条件  第5步 求解控制  第6步 后处理  小结  第四节 动网格问题  一、利用fluent-3d进行计算  第1步 与网格有关的操作  第2步 模型没置  第3步 材料设置  第4步 边界条件设置  第5步 网格运动设置  第6步 求解  二、利用fluent—3d进行后处理  第1步 检查最后一个时间步(bdc)的解  第2步 检查上死点的解  第3步 回放温度等高线动画  第4步 显示上死点时缸内的流动矢量切面  小结  第五节 叶轮机械的mixing plane模型  —、利用fluent-3d求解器进行计算  第1步 网格  第2步 单位设置  第3步 计算模型设置  第4步 混合面(mixing plane)设置  第5步 流体材料设置  第6步 边界条件设置  第7步 求解  二、利用fluent-3d进行后处理  第1步 生成后处理的—个等值画  第2步 显示速度矢量  第3步 平面x=0上绘全压的周向平均量  第4步 显示全压的等高线图  小结  附录  参考文献