Fluent建模教育材料.doc
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1、/目录1. 理论知识1.1 Gambit软件的介绍1.2 Fluent软件的介绍1.3 Exceed.13+Gambit.V2.4.06+Fluent.6.3安装介绍2. 建模过程2.1 Gambit 启动2.2 建立几何模型3. 网格划分3.1 划分网格3.2 检查网格划分情况3.3 设置边界类型3.4 输出网格文件4. 计算求解4.1 检查网格并定义长度单位4.2 设置计算模型4.3 设置流体材料属性4.4 设置边界条件4.5 求解初始化4.6 设置残差监视4.7 保存case文件4.8 求解计算4.9 保存计算结果5. 后期处理5.1 读入case和data文件5.2 显示网格5.3 创
2、建相关面5.4 计算各单电池获得的质量流率5.5 绘制图表6. 参考链接第一章 理论知识1.1 Gambit软件的介绍GAMBIT是为了帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学(CFD)模型和其它科学应用而设计的一个软件包。GAMBIT通过它的用户界面(GUI)来接受用户的输入。GAMBIT GUI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,然而这对很多的模型应用已是足够了。 面向CFD分析的高质量的前处理器,其主要功能包括几何建模和网格生成。由于GAMBIT本身所具有的强大功能,以及快速的更新,在目前所有的CFD前处理软件中,GAMBIT稳居上游。 GAMBIT软件
3、具有以下特点: ACIS内核基础上的全面三维几何建模能力,通过多种方式直接建立点、线、面、体,而且具有强大的布尔运算能力,ACIS内核已提高为ACIS R12。该功能大大领先于其它CAE软件的前处理器; 可对自动生成的Journal文件进行编辑,以自动控制修改或生成新几何与网格; 可以导入PRO/E、UG、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN等大多数CAD/CAE软件所建立的几何和网格。导入过程新增自动公差修补几何功能,以保证GAMBIT与CAD软件接口的稳定性和保真性,使得几何质量高,并大大减轻工程师的工作量; 新增PRO/E、CATIA等直接接口, 使得导入过程更加直
4、接和方便; 强大的几何修正功能,在导入几何时会自动合并重合的点、线、面;新增几何修正工具条,在消除短边、缝合缺口、修补尖角、去除小面、去除单独辅助线和修补倒角时更加快速、自动、灵活,而且准确保证几何体的精度; G/TURBO模块可以准确而高效的生成旋转机械中的各种风扇以及转子、定子等的几何模型和计算网格; 强大的网格划分能力,可以划分包括边界层等CFD特殊要求的高质量网格。GAMBIT中专用的网格划分算法可以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的四面体、六面体网格或混合网格; 先进的六面体核心(HEXCORE)技术是GAMBIT所独有的,集成了笛卡尔网格和非结构网格的优点,使用该技术划分网格
5、时更加容易,而且大大节省网格数量、提高网格质量; 居于行业领先地位的尺寸函数(Size function)功能可使用户能自主控制网格的生成过程以及在空间上的分布规律,使得网格的过渡与分布更加合理,最大限度地满足CFD分析的需要; GAMBIT可高度智能化地选择网格划分方法,可对极其复杂的几何区域划分出与相邻区域网格连续的完全非结构化的混合网格; 新版本中增加了新的附面层网格生成器,可以方便地生成高质量的附面层网格; 可为FLUENT、POLYFLOW、 FIDAP、ANSYS等解算器生成和导出所需要的网格和格式。1.2 Fluent软件的介绍CFD商业软件介绍之一FLUENT 通用CFD软件包
6、,用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术,因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型,使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。FLUENT软件具有以下特点: FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法,而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法; 定常/非定常流动模拟,而且新增快速非定常模拟功能; FLUENT软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题,用户只需指定初始网格和运
7、动壁面的边界条件,余下的网格变化完全由解算器自动生成。网格变形方式有三种:弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其局部网格重生式是FLUENT所独有的,而且用途广泛,可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题; FLUENT软件具有强大的网格支持能力,支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是,FLUENT软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术; FLUENT软件包含三种算法:非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法,是商用软件中最多的; FLUENT软件包含丰
8、富而先进的物理模型,使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-模型组、k-模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和V2F模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型; 适用于牛顿流体、非牛顿流体; 含有强制/自然/混合对流的热传导,固体/流体的热传导、辐射; 化学组份的混合/反应; 自由表面流模型,欧拉多相流模型,混合多相流模型,颗粒相模型,空穴两相流模型,湿蒸汽模型; 融化溶化/凝固;蒸发/冷凝相变模型; 离散相的拉格朗日跟踪计算; 非均质渗透性、惯性阻抗、固体热传导,多孔介质模型(考虑
9、多孔介质压力突变); 风扇,散热器,以热交换器为对象的集中参数模型; 惯性或非惯性坐标系,复数基准坐标系及滑移网格; 动静翼相互作用模型化后的接续界面; 基于精细流场解算的预测流体噪声的声学模型; 质量、动量、热、化学组份的体积源项; 丰富的物性参数的数据库; 磁流体模块主要模拟电磁场和导电流体之间的相互作用问题; 连续纤维模块主要模拟纤维和气体流动之间的动量、质量以及热的交换问题; 高效率的并行计算功能,提供多种自动/手动分区算法;内置MPI并行机制大幅度提高并行效率。另外,FLUENT特有动态负载平衡功能,确保全局高效并行计算; FLUENT软件提供了友好的用户界面,并为用户提供了二次开发
10、接口(UDF); FLUENT软件采用C/C+语言编写,从而大大提高了对计算机内存的利用率。 1.3 Exceed.13+Gambit.V2.4.06+Fluent.6.3安装介绍1) 将压缩包解压为三个文件夹到D盘,如图1-1所示。图1- 1压缩包解压文件2) 安装环境exceed.13i. 如图1-2所示,双击应用程序Msetup进行安装。图1- 2 文件夹exceed.13ii. 弹出窗口如图1-3所示,点击install exceed。图1- 3 exceed.13安装iii. 弹出窗口如图1-4所示,点击personal installation。图1- 4 exceed.13安装i
11、v. 弹出窗口如图1-5所示,选择english,点击OK。图1- 5 exceed.13安装v. 剩余步骤按照提示操作直至安装结束。3) 安装gambiti. 在解压缩后的文件夹内,双击应用程序gambit-install-2.4.6,如图1-6所示。图1- 6 gambit解压缩文件夹ii. 弹出对话框如图1-7所示。依次按照提示点击next。图1- 7 gambit安装iii. 将安装文件保存到D盘,如图1-8所示。(与此前安装的exceed,以及此后将要安装的fluent都置于同一个根目录下,以免运行时报错。)图1- 8 gambit安装依次按照提示点击next,直至安装结束。iv.
12、将图1-6内所示的拷贝到D:fluent.Inclicense。将拷贝到D:Fluent.Incgambit2.4.6。(勾掉选项,不要对server name进行设定)v. 安装结束,重启电脑。4) 安装fluenti. 打开已解压缩的文件夹,双击进行安装。ii. 按照提示点击next,同样将其安装到D:fluent.Inc。如图1-9所示。图1- 9 fluent安装 iii. 安装结束之后,将fluent解压缩后的文件夹内的拷贝到D: Fluent.Inclicense。iv. 重启电脑,安装成功。第二章 建模过程2.1 Gambit启动1) 双击桌面的Gambit 2.4.6 快捷方式
13、,如图2-1;弹出对话框,如图2-2,单击Run,启动Gambit软件,窗口布局如2-3所示。 图 2- 1 启动GAMBIT 图 2- 2 Gambit Startup 对话框图 2- 3 Gambit 窗口布局 2.2 建立几何结构1) 建立气道部分操作步骤:i. operation geometry volume ,弹出创建立方体的对话框,在对应的width(X)、depth(Y)、height(Z)内填入相应数据,如图 2-4 所示。图 2- 4 立方体设置对话框点击apply,所创建的立方体如图2-5所示。图 2- 5 单条气道可以按下鼠标左键来转动图形,按下右键上下拖动可以缩放图形
14、。ii. 点击, 弹出对话框,点选 copy=16,z=-6,其他设置不变,结果如图2-6所示。图 2- 6 copy volumes 界面首先在的黄色区域单击左键,再按住shift键,左键点击已画出的立方体模型,模型变成红色,同时黄色区域内自动显示所选模型的编号,如,最后点击apply,得到界面如图2-7所示。图 2- 7 气道部分iii. 构建气道的导流部分如步骤a)所示,设置参数如图2-8,得到界面如图2-9。图 2- 8 分流部分设置 图 2- 9创建分流部分接着,移动刚创建的长方体。首先确定相关点的坐标,步骤如图2-10所示。 图 2- 10 确定相关点的坐标 图 2- 11 提取点
15、的代号按住shift,左键点击模型上任一点,黄色区域会自动提取点的代号,如图2-11所示。点击apply,主界面下方transcript将显示该点的坐标,如图2-12所示。图 2- 12 显示该点的坐标将与移动模型所需的点的坐标记录好之后,便可以开始移动模型了。相关参数设置如图2-13。 图 2- 13模型移动参数设置 图2- 14 导流部分图按住shift键,左键点选刚创建的模型,该模型变成红色,表明已点选成功,同时,图2-13黄色区域内将显示出相应的模型编号。点击apply,得到界面如图2-14所示。点击左边刚移动的模型,将其映射到X轴正向。设置参数,如图2-15所示。 图 2- 15 导
16、流部分映射(a) 图 2- 16 导流部分映射(b)点击图中define按钮,弹出对话框,如图2-16所示。选择X negative,点击apply。弹回到2-16界面,再次点击apply。得到界面如图2-17所示。图 2- 17 气道部分模型iv. 构建气道主管部分步骤如d)所示,相关尺寸设置如图2-18所示。 图 2- 18 主管部分参数 图 2- 19 模型移动将刚生成的长方体按照图2-19所示参数进行移动,得到结构如图2-20。 图 2- 20 主管inlet1部分结构 图 2- 21 创建主管inlet1剩余结构同样的方法再一次建立一个长方体,参数为width(x)=10, dept
17、h(y)=4.5, height(z)=23。 如图2-21所示。将a点移动到b点,参数如图2-22,得到模型如图2-23所示。 图 2- 22 移动a点到b点 图2- 23 主管inlet1结构复制主管部分。按住shift键,左键连续点击上步所构建的主管部分,两个部件都变成红色,表示已选定,相关参数设置如2-24所示。 图 2- 24 主管复制并移动图 图2- 25 主管inlet建立完成点击apply,得到界面如图2-25所示。按照2-16所示的映射方式,将刚构建的三个主管映射到另外一侧,得到界面如图2-26所示。图 2- 26 单电池完整2D视图按住左键,转动模型,可以看到各个部分的情况
18、。将所有部件合为一体。步骤如图2-27所示。 图 2- 27 合并各部件图 2- 28 合并步骤3对话框步骤3点击之后,弹出对话框,如图2-28所示。完成步骤2后,主界面上所有部件全部变为红色,表明已全部选中。点击2-27中的apply,所有部件合为一体。如图2-29所示。图 2- 29 单电池完整3D视图至此,单电池气道模型构建结束。另附一些视图效果的处理。在整个操作界面的右下角global control,如图2-30所示。按住右键点击,弹出菜单,选择,得到模型的三维视图。图 2- 30 global control回到global control 菜单,点击,弹出菜单special di
19、splay attributes,相关设置如图2-31所示。图 2- 31 special display attributes设置得到没有显示点的实体模型,如图2-32所示。图 2- 32 单电池3D实体模型视图v. 堆叠单电池,形成含有十层单电池的电堆。操作如图2-33所示。图 2- 33 堆叠10层单电池执行完1-5步之后,左键点击黄色区域,再按住shift键,左键点击所构建的单电池,选定需要复制的部件之后,执行第6步,得到界面,如图2-34所示。图 2- 34 10层电堆结构图执行图2-27,图2-28所示步骤,将十层单电池合为一体。并且执行图2-30以及图2-31所示步骤,得到界面如
20、图2-35所示。图 2- 35 10层电池堆3D实体模型视图接下来,将模型保存。操作如图2-36所示。图 2- 36 保存模型文件(1) 图 2- 37 保存模型文件(2)设置保存名称10-cell stack,如图2-37所示。点击accept,保存完毕。至此,十层电堆模型构建结束。第三章 网格划分3.1 网格划分针对本模型,采用六面体网格。具体操作步骤如图3-1所示:图 3- 1 网格划分参数设定在按住shift,点选模型之后,黄色部分自动显示所选模型代号,element将自动选择hex,type自动选择submap。(注:此处亦可根据运算的需要选择其它类型网格,详情参考后附的gambit
21、中文帮助中关于网格划分的章节。作者尝试过使用四面体网格进行划分,不仅划分速度较慢,而且在进行网格检查的时候发现网格的扭曲度较大,计算结果的可靠度不高。读者可自行尝试划分,并同六面体结构化网格相比较。)在spacing下可根据计算的精度选择网格的尺寸interval size,本例选择1。如图3-2所示。图 3- 2 网格尺寸选择点击apply,系统开始划分网格,界面如图3-3所示。图 3- 3 网格划分过程界面注:以上直接进行网格划分的方法通常只对于简单的模型,对于结构较为复杂的算例,比如本例而言,则会出现以下问题,如图3-4所示。图 3- 4 直接划分出的不规则网格由于模型结构的原因,部分网
22、格将会出现扭曲和不规则,这是划分网格的大忌,将严重影响随后进行的计算的精读。所以,针对复杂的结构,应该将其分割成较为简单和规则的结构来进行单独划分。针对本例,可将十层电堆重新划分成十个单层电池,分别对各层单电池进行划分,网格类型为六面体网格。(注:这样的划分方案看似和之前电堆的建模过程相矛盾,实则是不同的,此时的重新分割是通过建立虚拟存在的面来划分,旨在使得网格划分的结构更简单,同时保证各层单电池的网格是相互连接的。并且,十层单电池单独按次序划分结束后也并不需要再将十层结构再进行一次合并,因为之前进行的划分是虚拟划分。)详细步骤如下。1) 创建用于分割电堆的面步骤如图3-5所示。得到界面如图3
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