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)

作為油氣儲運領(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進行學(xué)習(xí)吧,希望能給學(xué)習(xí)FLUENT的新手一點小的幫助。

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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、先進的數(shù)值方法和強大的前后處理功能,在航空航天、汽車設(shè)計、石油天然氣和渦輪機設(shè)計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中進行流場計算與分析。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。

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

流體在靜止時雖不能承受切應(yīng)力,但在運動時,對相鄰的兩層流體間的相對運動,即相對滑動速度卻是有抵抗的,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。實驗表明,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(實際上最重要的流體如空氣、水等的粘性都是很小的),運動的相對速度也不大時,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。此時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)該強調(diào)指出,真正的理想流體在客觀實際中是不存在的,它只是實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)而且與作用時間有關(guān)。當(dāng)變形速率保持常量,切應(yīng)力隨時間增大,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)

在流體的運動過程中,由于壓力、溫度等因素的改變,流體質(zhì)點的體積(或密度,因質(zhì)點的質(zhì)量一定),或多或少有所改變。流體質(zhì)點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性質(zhì)稱為壓縮性。真實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,運動速度較小,并且沒有很大的溫度差,則實際上氣體所產(chǎn)生的體積變化也不大。此時,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)方程中的獨立變量進行求解,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,不可壓流體的流動方程的求解具有其特殊的困難。

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

以時間為標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)流體流動的物理量(如速度、壓力、溫度等)是否隨時間變化,將流動分為定常與非定常兩大類。當(dāng)流動的物理量不隨時間變化,為定常流動;反之稱為非定常流動。定常流動也稱為恒定流動,或者穩(wěn)態(tài)流動;非定常流動也稱為非恒定流動、非穩(wěn)態(tài)流動。許多流體機械在起動或關(guān)機時的流體流動一般是非定常流動,而正常運轉(zhuǎn)時可看作是定常流動。

6.亞音速流動(Subsonic)與超音速流動(Supersonic)

當(dāng)氣流速度很大,或者流場壓力變化很大時,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,流動為亞音速流動;當(dāng)馬赫數(shù)遠遠小于1(如M<0.1)時,流體的可壓速性及壓力脈動對密度變化影響都可以忽略。當(dāng)馬赫數(shù)接近1時候(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羲倭鲃印LUENT對于亞音速,跨音速以及超音速等可壓流動都有模擬能力。

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

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

8.熱傳導(dǎo)(HeatTransfer)及擴散(Diffusion)

除了粘性外,流體還有熱傳導(dǎo)及擴散等性質(zhì)。當(dāng)流體中存在溫度差時,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,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)象稱為擴散。流體的宏觀性質(zhì),如擴散、粘性和熱傳導(dǎo)等,是分子輸運性質(zhì)的統(tǒng)計平均。由于分子的不規(guī)則運動,在各層流體間交換著質(zhì)量、動量和能量,使不同流體層內(nèi)的平均物量均勻化,這種性質(zhì)稱為分子運動的輸運性質(zhì)。質(zhì)量輸運宏觀上表現(xiàn)為擴散現(xiàn)象,動量輸運表現(xiàn)為粘性現(xiàn)象,能量輸運表象為熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。理想流體忽略了粘性,即忽略了分子運動的動量輸運性質(zhì),因此在理想流體中也不應(yīng)考慮質(zhì)量和能量輸運性質(zhì)——擴散和熱傳導(dǎo),因為它們具有相同的微觀機制