Fluent入门（一）——流体力学理论概念篇

2016-08-24 by:CAE仿真在线来源:互联网

作为油气储运领域的学生或从业者,对FLUENT的学习将具有重大的意义。FLUENT和任何一个专业软件一样,对于初学者来说,都觉得很难,存在入门的时期。但只要我们认真勤学,注重与理论结合,FLUENT将成为我们从事流场分析的好帮手。下面大家和小编一起对Fluent进行学习吧,希望能给学习FLUENT的新手一点小的帮助。

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1.什么是Fluent

Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包,在美国的市场占有率为60%,凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能,在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。传统的Fluent流场分析主要基于Gambit+Fluent的双软件分析模式进行,Gambit通过它的用户界面(GUI)来接受用户的输入,简单而又直接的做出建立模型、网格化模型、指定模型区域大小等基本步骤;在Gambit分析完成后,在Fluent中进行流场计算与分析。这种分析模式在2006年,Fluent被ANSYS公司收购后被打破。ANSYS公司将FlUent集成在其操作平台WORKBENCH上,并开发出适合于FLUENT建模的模块DM,以及用于网格划分的MESHING和ICEM模块。从而形成了两种新的流体分析模式:DM+MESH+FLUENT,DM+ICEM+FLUENT。这两种分析模式逐渐成为主流,DM+MESH+FLUENT用于简单流场分析,DM+ICEM+FLUENT用于复杂流场分析。

操作界面

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

流体在静止时虽不能承受切应力,但在运动时,对相邻的两层流体间的相对运动,即相对滑动速度却是有抵抗的,这种抵抗力称为粘性应力。流体所具备的这种抵抗两层流体相对滑动速度,或普遍说来抵抗变形的性质称为粘性。粘性的大小依赖于流体的性质,并显著地随温度变化。实验表明,粘性应力的大小与粘性及相对速度成正比。当流体的粘性较小(实际上最重要的流体如空气、水等的粘性都是很小的),运动的相对速度也不大时,所产生的粘性应力比起其他类型的力如惯性力可忽略不计。此时我们可以近似地把流体看成无粘性的,这样的流体称为理想流体。十分明显,理想流体对于切向变形没有任何抗拒能力。这样对于粘性而言,我们可以将流体分为理想流体和粘性流体两大类。应该强调指出,真正的理想流体在客观实际中是不存在的,它只是实际流体在某些条件下的一种近似模型。

3.牛顿流体(NewtonianFluid)和非牛顿流体(non-Newtonian Fluid)

日常生活和工程实践中最常遇到的流体其切应力与剪切变形速率符合下式的线性关系,称为牛顿流体。而切应力与变形速率不成线性关系者称为非牛顿流体。图2-1(a)中绘出了切应力与变形速率的关系曲线。其中符合上式的线性关系者为牛顿流体。其他为非牛顿流体,非牛顿流体中又因其切应力与变形速率关系特点分为膨胀性流体(Dilalant),拟塑性流体(Pseudoplastic),具有屈服应力的理想宾厄流体(Ideal Bingham Fluid)和塑性流体(Plastic Fluid)等。通常油脂、油漆、牛奶、牙膏、血液、泥浆等均为非牛顿流体。非牛顿流体的研究在化纤、塑料、石油、化工、食品及很多轻工业中有着广泛的应用。图2-1(b)还显示出对于有些非牛顿流体,其粘滞特性具有时间效应,即剪切应力不仅与变形速率有关而且与作用时间有关。当变形速率保持常量,切应力随时间增大,这种非牛顿流体称为震凝性流体(Rheopectic Fluid)。当变形速率保持常量而切应力随时间减小的非牛顿流体则称为触变性流体(Thixotropic Fluid)。

4.可压缩流体(CompressibleFluid)和不可压缩流体(Incompressible Fluid)

在流体的运动过程中,由于压力、温度等因素的改变,流体质点的体积(或密度,因质点的质量一定),或多或少有所改变。流体质点的体积或密度在受到一定压力差或温度差的条件下可以改变的这个性质称为压缩性。真实流体都是可以压缩的。它的压缩程度依赖于流体的性质及外界的条件。例如水在100个大气压下,容积缩小0.5%,温度从20°变化到100°,容积降低4%。因此在一般情况下液体可以近似地看成不可压的。但是在某些特殊问题中,例如水中爆炸或水击等问题,则必须把液体看作是可压缩的。气体的压缩性比液体大得多,所以在一般情形下应该当作可压缩流体处理。但是如果压力差较小,运动速度较小,并且没有很大的温度差,则实际上气体所产生的体积变化也不大。此时,也可以近似地将气体视为不可压缩的。

在可压缩流体的连续方程中含密度,因而可把密度视为连续方程中的独立变量进行求解,再根据气体的状态方程求出压力。不可压流体的压力场是通过连续方程间接规定的。由于没有直接求解压力的方程,不可压流体的流动方程的求解具有其特殊的困难。

5.定常流动(SteadyFlow)和非定常流动(Unsteady Flow)

以时间为标准,根据流体流动的物理量(如速度、压力、温度等)是否随时间变化,将流动分为定常与非定常两大类。当流动的物理量不随时间变化,为定常流动;反之称为非定常流动。定常流动也称为恒定流动,或者稳态流动;非定常流动也称为非恒定流动、非稳态流动。许多流体机械在起动或关机时的流体流动一般是非定常流动,而正常运转时可看作是定常流动。

6.亚音速流动(Subsonic)与超音速流动(Supersonic)

当气流速度很大,或者流场压力变化很大时,流体就受到了压速性的影响。马赫数定义为当地速度与当地音速之比。当马赫数小于1时,流动为亚音速流动;当马赫数远远小于1(如M<0.1)时,流体的可压速性及压力脉动对密度变化影响都可以忽略。当马赫数接近1时候(跨音速),可压速性影响就显得十分重要了。如果马赫数大于1,流体就变为超音速流动。FLUENT对于亚音速,跨音速以及超音速等可压流动都有模拟能力。

7.层流(LaminarFlow)流动和湍流(Turbulent Flow)流动

实验表明,粘性流体运动有两种形态,即层流和湍流。这两种形态的性质截然不同。层流是流体运动规则,各部分分层流动互不掺混,质点的轨线是光滑的,而且流动稳定。湍流的特征则完全相反,流体运动极不规则,各部分激烈掺混,质点的轨线杂乱无章,而且流场极不稳定。这两种截然不同的运动形态在一定条件下可以相互转化。

8.热传导(HeatTransfer)及扩散(Diffusion)

除了粘性外,流体还有热传导及扩散等性质。当流体中存在温度差时,温度高的地方将向温度低的地方传送热量,这种现象称为热传导。同样地,当流体混合物中存在组元的浓度差时,浓度高的地方将向浓度低的地方输送该组元的物质,这种现象称为扩散。流体的宏观性质,如扩散、粘性和热传导等,是分子输运性质的统计平均。由于分子的不规则运动,在各层流体间交换着质量、动量和能量,使不同流体层内的平均物量均匀化,这种性质称为分子运动的输运性质。质量输运宏观上表现为扩散现象,动量输运表现为粘性现象,能量输运表象为热传导现象。理想流体忽略了粘性,即忽略了分子运动的动量输运性质,因此在理想流体中也不应考虑质量和能量输运性质——扩散和热传导,因为它们具有相同的微观机制