仿真笔记——Fluent流体模拟仿真常用模型介绍

FLUENT是ANSYS CFD的核心求解器,其拥有广泛的用户群。ANSYS Fluent的主要特点如下。

FLUENT的湍流模型一直处于商业CFD软件的前沿,它为用户提供了丰富的湍流模型,如湍流模型、针对强旋流和各相异性流的雷诺应力模型等,随着计算机能力的显著提高, FLUENT已经将大涡模拟(LES )纳入其标准模块,并且开发了更加高效的分离涡模型(DES ) , FLUENT提供的壁面函数和加强壁面处理的方法可以很好地处理壁面附近的流动问题。

气动声学在很多工业领域中倍受关注,模拟起来却相当困难,如今,使用FLUENT可以有多种方法计算由非稳态压力脉动引起的噪声,瞬态大涡模拟(LES)预测的表面压力可以使用FLUENT内嵌的快速傅立叶变换(FFT)工具转换成频谱。Fnow-Williams&Hawkings声学模型可以用于模拟从非流线型实体到旋转风机叶片等各种噪声源的传播,宽带噪声源模型允许在稳态结果的基础上进行模拟,这是一个快速评估设计是否需要改进的非常实用的工具。

内燃机、阀门、弹体投放和火箭发射都是包含有运动部件的例子, FLUENT提供的动网格模型满足这些具有挑战性的应用需求。它提供几种网格重构方案,根据需要用于同一模型中的不同运动部件,仅需要定义初始网格和边界运动。动网格与FLUENT提供的其他模型如雾化模型、燃烧模型、多相流模型、自由表面预测模型和可压缩流模型相容。搅拌槽、泵、涡轮机械中的周期性运动可以使用FLUENT中的动网格(moving mesh)模型进行模拟,滑移网格多参考坐标系模型被证实非常可靠,并和其他相关模型如LES模型、化学反应模型和多相流等有很好的兼容性。

许多流体流动伴随传热现象, FLUENT提供一系列应用广泛的对流、热传导及辐射模型。对于热辐射, P1Rossland模型适用于介质光学厚度较大的环境,基于角系数的Surface to Surface模型适用于介质不参与辐射的情况, 1(Discrete Ordinates)模型适用于包括玻璃的任何介质。DRTM模型也同样适用。太阳辐射模型使用光线追踪算法,含了一个光照计算器,它允许光照和阴影面积的可视化,这使得气候控制的模拟更加有意义。

其他与传热紧密相关的还有汽蚀模型、可压缩流体模型、热交换器模型、壳导热模型、真实气体模型和湿蒸型。相变模型可以追踪分析流体的熔化和凝固。离散相模型(DPM)可用于液滴和湿粒子的蒸发及煤的液化。易附加源项和完备的热边界条件使得FLUENT的传热模型成为满足各种模拟需要的成熟可靠的工具。

化学反应模型,尤其是湍流状态下的化学反应模型在FLUENT软件中自其诞生以来一直占有很重要的地位,FLUENT强大的化学反应模拟能力帮助工程师完成了对各种复杂燃烧过程的模拟。涡耗散概念、PDF转换以及有限速化学模型已经加入到FLUENT的主要模型中:涡耗散模型、均衡混合颗粒模型、小火焰模型以及模拟大量气体燃烧、燃烧、液体燃料燃烧的预混合模型。预测NOx生成的模型也被广泛的应用与定制。

许多工业应用中涉及发生在固体表面的化学反应, FLUENT表面反应模型可以用来分析气体和表面组分之间的学反应及不同表面组分之间的化学反应,以确保表面沉积和蚀刻现象被准确预测。催化转化、气体重整、污染物控装置及半导体制造等模拟都受益于这一技术。

FLUENT的化学反应模型可以和大涡模拟(LES )及分离涡模拟(DES )湍流模型联合使用,这些非稳态湍流模耦合到化学反应模型中,才有可能预测火焰稳定性及燃尽特性。

多相流混合物广泛应用于工业中, FLUENT软件是在多相流建模方面的领导者,其丰富的模拟能力可以帮助。师洞察设备内那些难以探测的现象, Eulerian多相流模型通过分别求解各相的流动方程的方法分析相互渗透的各种流体或各相流体,对于颗粒相流体采用特殊的物理模型进行模拟。很多情况下,占用资源较少的混合模型也用来模拟颗料相与非颗粒相的混合。FLUENT可用来模拟三相混合流(液、颗粒、气) ,如泥浆气泡柱和喷淋床的模拟。可以模拟相间传热和相间传质的流动,使得对均相及非均相的模拟成为可能。

FLUENT标准模块中还包括许多其他的多相流模型,对于其他的一些多相流流动,如喷雾干燥器、煤粉高炉、液体燃料喷雾,可以使用离散相模型(DPM )。射人的粒子、泡沫及液滴与背景流之间进行发生热、质量及动量的交换。

VOF (Volume of Fluid )模型可以用于对界面的预测比较感兴趣的自由表面流动,如海浪。汽蚀模型已被证实可以很好地应用到水翼艇、泵及燃料喷雾器的模拟。沸腾现象可以很容易地通过用户自定义函数实现。

FLUENT提供专门的工具用来生成几何模型及网格创建。GAMBIT允许用户使用基本的几何构建工具创建几何,它也可用来导入CAD文件,然后修正几何以便于CFD分析。为了方便灵活地生成网格, FLUENT还提供了TGrid,这是一种采用最新技术的体网格生成工具。这两款软件都具有自动划分网格及通过边界层技术、非均匀网格尺寸函数及六面体为核心的网格技术快速生成混合网格的功能。对于涡轮机械,可以使用G/urbo,熟悉的术语及参数化的模板可以帮助用户快速完成几何的创建及网格的划分。

FLUENT的后处理可以生成有实际意义的图片、动画、报告,这使得CFD的结果非常容易地转换成工程师和其他人员可以理解的图形,表面渲染、迹线追踪仅是该工具的几个特征,却使FLUENT的后处理功能独树一帜。FLUENT的数据结果还可以导人到第三方的图形处理软件或者CAE软件进行进一步的分析。