流体分析--CFD和FLOTRAN

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1、CFD&FLOTRAN一、固体与流体二、流动描述（控制方程）三、CFD求解特点四、CFD稳定性与收敛性五、其它CFDFLOTRAN一、FLOTRAN功能二、FLOTRAN单元三、FLOTRAN特点四、FLOTRAN算例五、FLOTRAN应用CFD一、流体与固体固体：有固定的形状，在有限外力作用下变形有限流体：没有固定的形状（随容器而变），在有限外力作用下无限变形，不能抵抗剪切变形。流固统一：--松驰时间；--作用时间流体；固体二、流动描述（控制方程）运动描述：固体—Lagrang描述，物质坐标，追

2、踪质点，位移流体—Euler描述，空间坐标，控制体积，速度Euler描述加速度：控制方程：连续方程、动量方程、能量方程状态方程（湍流封闭方程、扩散）连续方程动量方程本构关系：牛顿流体：不可压缩：能量方程状态方程未知量：共6个方程个数6，方程组封闭，可以求解方程中：稳态瞬态不可压缩可压缩（压力的函数）(除自然对流外，不可压缩流无须求解能量和状态方程）三、CFD求解的特点1对流限制（网格Reynolds=），梯度大，要求网格密度大，计算规模大。2每个节点6个方程（加上湍流更多），加之网格较密，计算量大。不

3、采用方程联立的方式求解，而是采用逐个方程耦合求解。动量方程速度，连续方程密度（压力）能量方程温度，状态方程压力（密度）方程之间迭代求解，费时3为简化计算，二维可采用涡量流函数法；三维可采用速度矢。不通用，现在采用原始变量法。4流速对流动性质及求解的影响大流动性质随流速变化：层流湍流不可压可压（1）层流与湍流()动量方程中，对流与扩散作用的相对强弱不同，Re，对流强，扩散弱，流动不稳定，层流湍流。（二阶导数项系数变小）从层流湍流，会产生两个问题：对流项的处理，湍流模型A对流项的处理对流特性：上下游的影响

4、不同。有限元采用对称的权函数（影响函数），不区分上下游，与物理不符。对流项处理：细化网格（网格Reynolds数小于2）迎风有限元：不对称权函数（MSU）（FLOTTRAN可选）流线迎风（SUPG）B湍流模型湍流速度脉动，可表示为时均化速度Reynolds时均化方程脉动速度关联项使得时均方程不封闭，用湍流模型来封闭采用涡粘性假设，湍流模型用来计算湍流粘性FLOTRAN可选项：零方程、等六种。（2）不可压与可压(Ma)Mach数不可压：连续方程不含，耦合求解困难，可采用罚函数法、拟可压法、压力校正法。可

5、压：边条：亚音速—抛物型方程，边界条件同不可压；超音速—双曲型方程，下游不影响上游，所以只给上游的速度、总温。激波：压力间断，激波捕获：细化网格，高分辩率算法：TVD、NND，FCT等。四、CFD稳定性与收敛性稳定性：数值计算（非线性）误差的积累，误差随计算次数的增加而增大，数值不稳定。收敛性：数值解趋近于真解。稳定性分析方法：Fourier、NumannCFL条件：（FLOTRAN可选，控制）提高稳定性措施(1)人工粘性—人为增大粘性(2)松驰因子—修正迭代增量(3)惯性松驰—主对角占优五、其它1边

6、界层：网格加密，湍流—对数率；2边界条件(1)粘性固壁：无滑移、无穿透(2)自由表面：,质点不离开表面(3)VOF：体积分数，湿状态(4)多组分：质量分数(5)共轭传热：热边界条件（5种），流固界面自动处理3CFD分析策略是层流还是湍流？（Re)压缩性影响大不大？(Ma)是稳态还是瞬态？流动区域多大合适？（外流，自由流）哪里网格需要加密？（边界层、激波）流动参数是否随温度变化？有无热分析？对流项处流、稳定性措施结果是否合理FLOTRANANSYS一、FLOTRAN功能*层流或湍流*牛顿流体或非牛顿流体

7、*可压缩或不可压缩流*热分析（传热或绝热）*与结构、热等的耦合场问题*管流*多组份输运*自由表面（VOF）*声学二、FLOTRAN单元FLOTRAN中所用单元：FLUID141（二维）FLUID142（三维）ANSYS声流体单元：FLUID29（二维）FLUID30（三维）FLUID129（二维）,FLUID130（三维）ANSYS热流耦合管单元：FLUID66（二维）FLUID116（三维）ANSYS流体耦合单元：FLUID38（二维），FLUID81（三维）ANSYS包容流体单元FLUID79（二

8、维），FLUID80（三维）三、FLOTRAN特点1湍流模型标准k-模型（最常用的紊流模型、适用于大多数流动）零方程紊流模型（适用于紊流强度不大的情况）RNG模型（Re-NormalizedGroupTurbulenceModel）（适用于产生了比较严重的分离或旋涡的流场的分析）Shih新k-模型（适用于对旋转流场作分析）Girimaji非线性模型（适用于对次旋涡、旋转流场作分析）Shih、Zhu、Lumley模型（适用于速度梯度较大的流场）2非牛顿