Fluent入門（一）——流體力學(xué)理論概念篇

2016-08-24 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

作為油氣儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域的學(xué)生或從業(yè)者,對FLUENT的學(xué)習(xí)將具有重大的意義。FLUENT和任何一個(gè)專業(yè)軟件一樣,對于初學(xué)者來說,都覺得很難,存在入門的時(shí)期。但只要我們認(rèn)真勤學(xué),注重與理論結(jié)合,FLUENT將成為我們從事流場分析的好幫手。下面大家和小編一起對Fluent進(jìn)行學(xué)習(xí)吧,希望能給學(xué)習(xí)FLUENT的新手一點(diǎn)小的幫助。

啟動(dòng)界面

1.什么是Fluent

Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包,在美國的市場占有率為60%,凡是和流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能,在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、石油天然氣和渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的Fluent流場分析主要基于Gambit+Fluent的雙軟件分析模式進(jìn)行,Gambit通過它的用戶界面(GUI)來接受用戶的輸入,簡單而又直接的做出建立模型、網(wǎng)格化模型、指定模型區(qū)域大小等基本步驟;在Gambit分析完成后,在Fluent中進(jìn)行流場計(jì)算與分析。這種分析模式在2006年,Fluent被ANSYS公司收購后被打破。ANSYS公司將FlUent集成在其操作平臺(tái)WORKBENCH上,并開發(fā)出適合于FLUENT建模的模塊DM,以及用于網(wǎng)格劃分的MESHING和ICEM模塊。從而形成了兩種新的流體分析模式:DM+MESH+FLUENT,DM+ICEM+FLUENT。這兩種分析模式逐漸成為主流,DM+MESH+FLUENT用于簡單流場分析,DM+ICEM+FLUENT用于復(fù)雜流場分析。

操作界面

2.理想流體(IdealFluid)和粘性流體(Viscous Fluid)

流體在靜止時(shí)雖不能承受切應(yīng)力,但在運(yùn)動(dòng)時(shí),對相鄰的兩層流體間的相對運(yùn)動(dòng),即相對滑動(dòng)速度卻是有抵抗的,這種抵抗力稱為粘性應(yīng)力。流體所具備的這種抵抗兩層流體相對滑動(dòng)速度,或普遍說來抵抗變形的性質(zhì)稱為粘性。粘性的大小依賴于流體的性質(zhì),并顯著地隨溫度變化。實(shí)驗(yàn)表明,粘性應(yīng)力的大小與粘性及相對速度成正比。當(dāng)流體的粘性較小(實(shí)際上最重要的流體如空氣、水等的粘性都是很小的),運(yùn)動(dòng)的相對速度也不大時(shí),所產(chǎn)生的粘性應(yīng)力比起其他類型的力如慣性力可忽略不計(jì)。此時(shí)我們可以近似地把流體看成無粘性的,這樣的流體稱為理想流體。十分明顯,理想流體對于切向變形沒有任何抗拒能力。這樣對于粘性而言,我們可以將流體分為理想流體和粘性流體兩大類。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出,真正的理想流體在客觀實(shí)際中是不存在的,它只是實(shí)際流體在某些條件下的一種近似模型。

3.牛頓流體(NewtonianFluid)和非牛頓流體(non-Newtonian Fluid)

日常生活和工程實(shí)踐中最常遇到的流體其切應(yīng)力與剪切變形速率符合下式的線性關(guān)系,稱為牛頓流體。而切應(yīng)力與變形速率不成線性關(guān)系者稱為非牛頓流體。圖2-1(a)中繪出了切應(yīng)力與變形速率的關(guān)系曲線。其中符合上式的線性關(guān)系者為牛頓流體。其他為非牛頓流體,非牛頓流體中又因其切應(yīng)力與變形速率關(guān)系特點(diǎn)分為膨脹性流體(Dilalant),擬塑性流體(Pseudoplastic),具有屈服應(yīng)力的理想賓厄流體(Ideal Bingham Fluid)和塑性流體(Plastic Fluid)等。通常油脂、油漆、牛奶、牙膏、血液、泥漿等均為非牛頓流體。非牛頓流體的研究在化纖、塑料、石油、化工、食品及很多輕工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。圖2-1(b)還顯示出對于有些非牛頓流體,其粘滯特性具有時(shí)間效應(yīng),即剪切應(yīng)力不僅與變形速率有關(guān)而且與作用時(shí)間有關(guān)。當(dāng)變形速率保持常量,切應(yīng)力隨時(shí)間增大,這種非牛頓流體稱為震凝性流體(Rheopectic Fluid)。當(dāng)變形速率保持常量而切應(yīng)力隨時(shí)間減小的非牛頓流體則稱為觸變性流體(Thixotropic Fluid)。

4.可壓縮流體(CompressibleFluid)和不可壓縮流體(Incompressible Fluid)

在流體的運(yùn)動(dòng)過程中,由于壓力、溫度等因素的改變,流體質(zhì)點(diǎn)的體積(或密度,因質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量一定),或多或少有所改變。流體質(zhì)點(diǎn)的體積或密度在受到一定壓力差或溫度差的條件下可以改變的這個(gè)性質(zhì)稱為壓縮性。真實(shí)流體都是可以壓縮的。它的壓縮程度依賴于流體的性質(zhì)及外界的條件。例如水在100個(gè)大氣壓下,容積縮小0.5%,溫度從20°變化到100°,容積降低4%。因此在一般情況下液體可以近似地看成不可壓的。但是在某些特殊問題中,例如水中爆炸或水擊等問題,則必須把液體看作是可壓縮的。氣體的壓縮性比液體大得多,所以在一般情形下應(yīng)該當(dāng)作可壓縮流體處理。但是如果壓力差較小,運(yùn)動(dòng)速度較小,并且沒有很大的溫度差,則實(shí)際上氣體所產(chǎn)生的體積變化也不大。此時(shí),也可以近似地將氣體視為不可壓縮的。

在可壓縮流體的連續(xù)方程中含密度,因而可把密度視為連續(xù)方程中的獨(dú)立變量進(jìn)行求解,再根據(jù)氣體的狀態(tài)方程求出壓力。不可壓流體的壓力場是通過連續(xù)方程間接規(guī)定的。由于沒有直接求解壓力的方程,不可壓流體的流動(dòng)方程的求解具有其特殊的困難。

5.定常流動(dòng)(SteadyFlow)和非定常流動(dòng)(Unsteady Flow)

以時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)流體流動(dòng)的物理量(如速度、壓力、溫度等)是否隨時(shí)間變化,將流動(dòng)分為定常與非定常兩大類。當(dāng)流動(dòng)的物理量不隨時(shí)間變化,為定常流動(dòng);反之稱為非定常流動(dòng)。定常流動(dòng)也稱為恒定流動(dòng),或者穩(wěn)態(tài)流動(dòng);非定常流動(dòng)也稱為非恒定流動(dòng)、非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。許多流體機(jī)械在起動(dòng)或關(guān)機(jī)時(shí)的流體流動(dòng)一般是非定常流動(dòng),而正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可看作是定常流動(dòng)。

6.亞音速流動(dòng)(Subsonic)與超音速流動(dòng)(Supersonic)

當(dāng)氣流速度很大,或者流場壓力變化很大時(shí),流體就受到了壓速性的影響。馬赫數(shù)定義為當(dāng)?shù)厮俣扰c當(dāng)?shù)匾羲僦?。?dāng)馬赫數(shù)小于1時(shí),流動(dòng)為亞音速流動(dòng);當(dāng)馬赫數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1(如M<0.1)時(shí),流體的可壓速性及壓力脈動(dòng)對密度變化影響都可以忽略。當(dāng)馬赫數(shù)接近1時(shí)候(跨音速),可壓速性影響就顯得十分重要了。如果馬赫數(shù)大于1,流體就變?yōu)槌羲倭鲃?dòng)。FLUENT對于亞音速,跨音速以及超音速等可壓流動(dòng)都有模擬能力。

7.層流(LaminarFlow)流動(dòng)和湍流(Turbulent Flow)流動(dòng)

實(shí)驗(yàn)表明,粘性流體運(yùn)動(dòng)有兩種形態(tài),即層流和湍流。這兩種形態(tài)的性質(zhì)截然不同。層流是流體運(yùn)動(dòng)規(guī)則,各部分分層流動(dòng)互不摻混,質(zhì)點(diǎn)的軌線是光滑的,而且流動(dòng)穩(wěn)定。湍流的特征則完全相反,流體運(yùn)動(dòng)極不規(guī)則,各部分激烈摻混,質(zhì)點(diǎn)的軌線雜亂無章,而且流場極不穩(wěn)定。這兩種截然不同的運(yùn)動(dòng)形態(tài)在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。

8.熱傳導(dǎo)(HeatTransfer)及擴(kuò)散(Diffusion)

除了粘性外,流體還有熱傳導(dǎo)及擴(kuò)散等性質(zhì)。當(dāng)流體中存在溫度差時(shí),溫度高的地方將向溫度低的地方傳送熱量,這種現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)。同樣地,當(dāng)流體混合物中存在組元的濃度差時(shí),濃度高的地方將向濃度低的地方輸送該組元的物質(zhì),這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。流體的宏觀性質(zhì),如擴(kuò)散、粘性和熱傳導(dǎo)等,是分子輸運(yùn)性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)平均。由于分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng),在各層流體間交換著質(zhì)量、動(dòng)量和能量,使不同流體層內(nèi)的平均物量均勻化,這種性質(zhì)稱為分子運(yùn)動(dòng)的輸運(yùn)性質(zhì)。質(zhì)量輸運(yùn)宏觀上表現(xiàn)為擴(kuò)散現(xiàn)象,動(dòng)量輸運(yùn)表現(xiàn)為粘性現(xiàn)象,能量輸運(yùn)表象為熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。理想流體忽略了粘性,即忽略了分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量輸運(yùn)性質(zhì),因此在理想流體中也不應(yīng)考慮質(zhì)量和能量輸運(yùn)性質(zhì)——擴(kuò)散和熱傳導(dǎo),因?yàn)樗鼈兙哂邢嗤奈⒂^機(jī)制