ANSYS CFX对流传热数值模拟基础应用教程

所需积分/C币:40 2019-03-16 12:42:51 36.15MB PDF

ANSYS CFX对流传热数值模拟基础应用教程,2010年4月出版的一本图书,作者是孙纪宁,本文打好标签。
ANSYS CFX对流传热数值 模拟基础应用教程 孙纪宁。编著 火从比 京放社 北京· 图书在版编目〔CIP)数据 XHO eerA ANSYS CFX对流传热数值模拟基础应用教程孙纪宁 编著.一北京:国防工业出版社,20104 ISBN978-7-118-06787-3 Ⅰ.①A…Ⅱ.①孙…Ⅲ.①对流传热-数值模拟-应 用软件, ANSYS CFX-教材Ⅳ.①TK124-39 中国版本图书馆CP数据核字(2010)第046614号 囤防宫社出版发行 北京市海淀区紫竹院南路23号邮政编码100048 国防工业出版社印刷厂印刷 新华书店经售 开本787x1092116即张13%字数316千了 2010年4月第1版第1次印刷印数1-30∞0册定价46.00元(含光盘) 本书如有印装错误,我社负责调换) 国防书店:(010)68428422 发行邮购:(010)68414474 发行传真:(010)68411535发行业务:(010)684272754 六 前言 计算流体力学(CFD)从20世纪60年代开始发展,具有40多年的历史。最初,它是 科学家们对自然界中的基木流动和传热现象进行研究的科研工昊,只存在于象牙塔中。 经过20年的发展,这一技术开始成熟,它的应用领域也逐渐从最基本的流动和传热现象 扩展到比较复杂的工程问题。然而,CFD程序要求使用者具有较深厚的流体力学和传热 学等理论知识以及高等数学、数值算法等数学知识,这使它无法成为普通流体工程师可以 掌握的工具。从20世纪70年代末、80年代初开始,在商业市场的推动下,这一技术开始 被商业化,商用CFD软件开始出现。 商用CFD软件的特点是技术成熟,软件界面友好、简便。商用CFD软件采用的流体 理论和数值算法一般都经历过长期的科学论证,这一论证时间通常都要在10年左右。所 以从流体理论和数值算法上看,商用CFD的抆术不属于前沿研究课趣。对商用CF软 件,我们的态度是使用成熟的流体理论和数值算法,解决前沿的应用谏题。 当前,商用CFD软件市场一片繁荣。国内市场上比较常见的软件包括 Fluent、CFX、 Star-CD、 Phoenix、CFD-ACE+、CFD++等。大批的流体工程师和科研人员正在应用这 些软件解决现实工程问题,还有更多的流体工程师正在学习这些软件,期望能在将来的研 究中应用CFD这一工具。 目前,一些商用CFD软件的学习者都是基于软件自带的培训教程学习CFD软件。 这些培训教程的目的主要是为了介绍软件的冬种功能,而不是教学习者如何解决某个专 业问题。所以这类教程看完后,只了解了软件功能,对于如何解决本专业的某个具体问 题,学习者仍然是一头雾水。 作为国内 ANSYS CFX第一本教材,本书案例编排从对流传热专业角度出发,通过讲 解典型传热问题的算例,让读者了解如何用CFX解决对流传热问题,同时学习CFX软件 中求解对流传热问题相关功能的使用方法及技巧。 本书假设读者已学过计算传热学,了解质量守恒方程、功量守恒方程和能量守恒方 程,運用型流体方程的四大项:非稳态项、对流项、扩散项和源项,离散的概念,离散方程的 过程,离散后的非线形代数方程组的选代求解过程,一般残差定义,知道结构化网格和非 结构化网格的概念。 本书包插下列具体内容: 第I章,CFX软件简介。本章简单介绍CFX的主要功能,便于读者对CFX软件有 个宏观了解。 笃2章,CFX软件结构。CFX不是在一个软件界面下完成全部功能,而是一个软件 包。本章介绍CFX軟件包内的具体程序模块及相应功能。 第3章,对流传热基本求解过程。通过管道内的流体将热量带走,是对流传热的一个 常用手段。本章讲解一个内冷换热回转通道的计算过程,从一个已有的几何模型开始,到 得到最终的计算结果。本章涉及到的知识包括四面体网格生成、设置求解条件、启动求解 器、查看计算结果。 第4章,边界层网格。众所周知,壁面边界层内的法向速度梯度大,温度梯度也大,壁 面附近是流动阻力和热流的密集区域,是保证总体计算结果准确的关键区域。因此壁面 附近的边界层网格对于对流传热过程至关重要。本章以第3章的对流传热过程为例,讲 解如何生成边界层网格。 第5章,六面体网格。前面章节全部的计算都是以四面体网格为基础的。通常认为 相比四面体网格,六面体网格在计算速度、收敛性方面都具有一定的兌势,所以划分六面 体网格是对流传热计算专业人员必不可少的技能。本章将在前面章节介绍的叶片简单内 冷通道计算约基础上,用六面体网格重新对该问题进行计算,讲解基本的六面体网格生成 过程。并讲解一个圆弧回转通道的拓扑划分技巧,以增强读者对六面体网格生成过程的 印象。 第6章,网格无关解。通过对第3、4章的介紹,我们已经知道了边界层网格,但边界 昙不是保证计算结果的准确性的,只是让我们用尽量少的网格来获得尽量精确的解。提 高计算精度的终极方法仍然在于增加网格数量。人们在计算实践中发现,对同一个问题, 如果不新增加网格数量到某一数值后,再增加网格数量,计算结果变化将越来越小甚至不 再变化。此时的解人们称为网格无关解。可以说,网格无关解是我们能获得的最精确的 数值解。本章将通过一个具体算例讨论网格无关解的验证过程。 通过本书学习,读者将了解如何计算对流传热问题以及CFX软件的使用流程、基本 参数含义和必要的应用技巧。通过课后实际操作练习文件,读者将能用四面体+边界层 网糝和六面体网格独立完成内冷传热通道对流传热过程的计算。 在之前的讲义初稿中,作者一直使用的是 ANSYS CFX10.0版本界面的讲稿。为了使 广大读者能学习到最新版本,安世亚太公司的杨振亚博士和赵亚辉经理为作者免费提供 了 ANSYS CFX12.0的原版光盘和试用 License,帮助作者得以顺利完成书稿的截图,在此 表示由衷感谢! 另外,作者要感谢张奕欣女士和孙卿珊女士,正是在皰们的建议和鼓励下,作者才鼓 是信心,提笔开始本书的写作。还要感谢硕士生张传杰为本书约完成付出的大量时间和 精力。 限于作者的经验和水平,书中难免出现错误,欢迎广大读者批评和指 正 孙纪宁 2009年于北京航空航天大学 sunjining@buaa.edu.cn 片补员,我量 Ⅳ 置分 目录 平意 第1章CFX软件简介………………………………………………………1 1.1发展历史………1 01.2产品特色…………………………………………………1 1,4独具特色的前处理………………"……"∵.… 13主要求解功能………5 6 第2章CFX软件结构 , 2.1网格生成器 8 2.2CFX启动平台…………………………………………………9 2.3·前处理器…………………10 2.4求解管理器…… 2.5后处理器…………… 12 第3章对流传热基本求解过程……………………14 3.1物理问题 ………………………………14 32导出几何文件 ∴……………………15 3.3生成网格……………………………………………………16 3.3.1导入几何文件………………………………17 3.3.2修复几何……… ……………24 3.3.3面分组……………… ………24 3.3.4创建Body …………………32 3.3.5设置全局网格………………34 3.3.6设置面加密网格……………39 3.3.7输出网格文件… …………44 3.3.8·ICEM几何线和点的作用 ………………46 3.4前处埋… ……………50 3.4.1导人网格文件……………………………………50 3.4.2设置求解类型…………………………5 3.4.3创建求解域………57 3.4.4设置边界条件…………6 3.4.5·编辑材料属性………………………………74 3.4.6设置求解参数…………,, ·.:=++·::··, 3.5求解及求解监视…… ………………178 3.6后处理 ·…····:::·.···:++-::·…·..“··+ 361导人结果文件… “.+ ……………………82 3.6.2创建切平面 ………………………84 3.6.3创建速度矢量图……. 364创建温度场云图和等值线图……………88 3.6.5创建动画 …92 3.6.6统计函数∵…………… 第4章边界层网格 其“““““+““…““““+",· 4.1打开四面体网格 100 42生成边界层网格… ……………………101 4.3在CFX-Pre中替换网格 ………:11:106 4.4设置单机并行计算………………………………112 45对比有、无边界层的计算结果……15 第5章六面体网格…… …18 5.1矩形截面直角回转通道…8 5.1.I分块结构化网格、块拓扑和映射的基本概念………… ………………119 5.1.2创建块拓扑……… …""……………“…………124 5.1.3块特征(顶点、边)和几何特征(点、曲线)映射…………………132 5.1.4设置网格分布参数…… …………"…………………142 5.1.5生成网格………………… …149 5.2矩形截面圆弧回转通道 156 5.2.1块拓扑生成… ……156 5.2.2Ogmd概念及用途…………… 160 5.2.3块拓扑生成(续)…… …………………………………169 5.2.4块特征(顶点、边)和几何特征(点、曲线)映射…… …………"…173 5.2.5设置网格参数及生成网格……80 52.6增加辅助线提高网格质量 ……"……………182 圆形截面圆弧回转通道(读者提高)…………………188 第6章网格无关解… 189 6.1几何模型及物理问题…… …………………………………189 6.2第一次网格及计算结果分析……………………………………190 6.3无边界层网格计算结果对比分析…… 64有边界层网格计算结果对比分析 …………………….206 6.5计算结果和实验结果对比分析… ………………………………………209 的式量录直 的壁 第1章CFX软件简介 )己(/ 钟气木 革源 1.1发展历史 量面, CFx是全球第一个通过090质量认证的大型商业CFD(计算统计力学)软件,是 诞生在的hm公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题面开发的。 展性作为其发展的基本要求,并以其在这些方面的卓越成就,引领着CFD技术的不断发 展。目前,CFX已经遍及航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技 术、水处理火灾安全、冶金、环保等领域,为其在全球60个用户解决了大量的实际 问题。 回顾CFX发展的重要里程,总是伴随着它对革命性的CFD新技术的研发和应用。 195年,CFX收购了旋转机械领域加拿大著名的ASC公司,推出了专业的旋转机械设计 与分析模坎—CFX- Tascflow,该模块一直占据着8%以上的旋转机械CFD市场份额。 同年,CFX成功突破了CFD领域的在算法上的又一大技术障碍,推出了全隐式多网格耦 合算法,该算法以其稳健的收敛性能和优异的运算速度,成为CFD技术发展的重要里程 碑。CFX一直和许多工业和大型研究项目保持着广泛的合作,这种合作确保了CFX能够 紧密结合工业应用的需要,同时也使得CFX可以及时加入最先进的物理模型和数值算 法。作为CFX的前处理器, ICEM CFD优异的网格技术进一步确保CFX的模拟结果精确 而可靠。 2003年,CFX加入了全球最大的CAE仿真软件 ANSYS的大家庭中并正式更名为 ANSYS-CFX。 ANSYS-CFX的用户将会得到包括从固体力学、流体力学、传热学、电学、 磁学等在内的多物理场及多场耦合整体解决方案 1)一 1.2产品特色平坚 ANSYS-CFX是全球第一个在复杂几何、网格、求解这三个CF传统瓶颈问题上均 获得重大突破的商业CFD软件其特点如下: 1.精确的数值方法 和大多数CFD软件不同的是, ANSYS-CFX采用了基于有限元的有限体积法,在保 证了有限体积法的守恒特性的基础上,吸收了有限元法的数值精确性。 基于有限元的有限体积法,对六面体网格单元采用24点积分,而单纯的有限体积 法仅采用6点积分。 基于有限元的有限体积法,对四面体网格单元采用60点积分,而单纯的有限体积 法仅采用4点积分。 △NsYs-CFX在湍流模型的应用上,也一直是业界领先的。 ANSYS-CFX的湍流模 型开发者 Florian Menter等人提出的SST湍流模型的优异性目前已被业界广泛认同。此 外, ANSYS-CFX最先开发了从层流到湍流的转捩模型( Transition Model)。 2.快速稳健的求解技术 ANSYS-CFX是全球第一个发展和使用全隐式多网格耨合求解技术的商业化软件, 这种革命性的求解技术克服了传统算法需要“假设压力项一求解一修正压力项”的反复 迭代过程,而同时求解动量方程和连续性方程。再加上其采用的自适应多网格技术,AN SYS-CFX的计算速度和稳定性较传统方法提高了1个~2个数量级。更重要的是,AN SYS-CFX的求解器获得了对并行计算最有利的几乎线性的“计算时间一网格数量”求解 性能,这使工程技术人员第一次敢于计算大型工程的真实流动问题。 ANSYS-CFX突出 的并行功能还表现在它可以在混合网络上的Un、 Linux、 Window平台之间随意并行,而 且其收敛曲线在单个CPU及多CPU计算时几乎完全一致。的 3.丰富的物理模型 ANSYS-CX的物理模型是建立在世界最大的科技L程企业 AEA Technology50余 年科技工程实践经验基础之上,经过近30年的发展, ANSYS-CFX拥有包括流体流动、传 热、辐射、多相流、化学反应、燃娆等问题的丰富的通用物理模型;还拥有诸如气蚀、凝固、 沸腾、多孔介质、相间传质、非牛顿流、喷雾干燥、动静干涉、真实气体等大量复杂现象的实 用模型。 多相流: ANSYs-CFX超过20年的多相流领域的经验,可以模拟多组分流动、气泡 流、粒子流和自由表面流。粒子输运模型可以模拟连续相内的一个或多种粒子流。瞬态 粒子追踪模拟能力,可以模拟火焰扑灭过程、粒子沉降和喷雾。粒子破碎模型可以模拟液 体颗粒雾化,捕捉粒子在外力下的破碎过程,并考虑相间的作用力,壁面薄膜( Wall film 模型可以考虑颗粒在髙温/低温壁面的反弹、滑移、破碎等现象。歐拉多相流模型可以很 好地模拟相间动量、能量和质量传输,而且 ANSYS-CFX中包含丰富的曳力及非曳力模 型,全隐式耦合算法对于求解相变导致的气蚀蒸发、凝固、沸腾等问题具有很好的健壮 性。 MUSIG多尺度颗粒模型可以模拟颗粒在多分散相多相流动中的破碎和合并行为 利用粒子动力学理论和考虑固体相之间的作用,町以模掼流化床内的流动。在旋转机械 领域 ANSYS-CFX一直拥有最丰富的模型材料库,平衡湿蒸汽和非平衡湿蒸汽模型可以 准确预测汽轮机流动现象,丰富的真实气体模型可以祚确预测各种非理想假设下的流动。 辐射:广泛的辐射模型,从透明介质到参与辐射的非灰体介质。可用于多个领域,包 括燃烧,加热,通风和固体之间的辐射。叫回 燃烧:不论在燃气轮杋燃烧设计、汽车发动杋燃烧模拟、膛妒内煤粉燃烧还是火灾棪 拟, ANSYS-CFX都提供了非常丰富的物理模型来模拟流动中的燃烧和化学反应问题。 ANSYS-CFX涵盖从层流到湍流,从快速化学反应到刚性化学反应,从预混燃烧到非预 混燃娆的问题。所有的组分作为一个耦合的系统求解。对于复杂的反应系统能够加速收 敛。模型包括单步/多步涡破碎模型、有限速率化学反应、层流火焰燃烧模型、湍流火焰模 型、部分预混BvM模型、修正的部分预混ECM模型,同时NO模型、Soot模型、 Dimon模 型、废气再循环EGR模型、自动点火模型、壁面火焰作用( Quenching)模型、火花塞点火模 型也包括在内。

...展开详情
img
qq_27206435
  • 分享王者

    成功上传51个资源即可获取

关注 私信 TA的资源

上传资源赚积分,得勋章
    最新推荐