文档介绍：第一章 FLOTRAN 计算流体动力学(CFD)分析概述
FLOTRAN CFD 分析的概念
ANSYS程序中的FLOTRAN CFD分析功能是一个用于分析二维及三维流体流动场的先进的工具,使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID 141和FLUID 142 单元,可解决如下问题:
作用于气动翼(叶)型上的升力和阻力
超音速喷管中的流场
弯管中流体的复杂的三维流动
同时,FLOTRAN还具有如下功能:
计算发动机排气系统中气体的压力及温度分布
研究管路系统中热的层化及分离
使用混合流研究来估计热冲击的可能性
用自然对流分析来估计电子封装芯片的热性能
对含有多种流体的(由固体隔开)热交换器进行研究
FLOTRAN 分析的种类
FLOTRAN可执行如下分析:
层流或紊流
传热或绝热
可压缩或不可压缩
牛顿流或非牛顿流
多组份传输
这些分析类型并不相互排斥,例如,一个层流分析可以是传热的或者是绝热的,一个紊流分析可以是可压缩的或者是不可压缩的。
层流分析
层流中的速度场都是平滑而有序的,高粘性流体(如石油等)的低速流动就通常是层流。
紊流分析
紊流分析用于处理那些由于流速足够高和粘性足够低从而引起紊流波动的流体流动情况,ANSYS中的二方程紊流模型可计及在平均流动下的紊流速度波动的影响。如果流体的密度在流动过程中保持不变或者当流体压缩时只消耗很少的能量,该流体就可认为是不可压缩的,不可压缩流的温度方程将忽略流体动能的变化和粘性耗散。
热分析
流体分析中通常还会求解流场中的温度分布情况。如果流体性质不随温度而变,就可不解温度方程。在共轭传热问题中,要在同时包含流体区域和非流体区域(即固体区域)的整个区域上求解温度方程。在自然对流传热问题中,流体由于温度分布的不均匀性而导致流体密度分布的不均匀性,从而引起流体的流动,与强迫对流问题不同的是,自然对流通常都没有外部的流动源。
可压缩流分析
对于高速气流,由很强的压力梯度引起的流体密度的变化将显著地影响流场的性质,ANSYS对于这种流动情况会使用不同的解算方法。
非牛顿流分析
应力与应变率之间成线性关系的这种理论并不能足以解释很多流体的流动,对于这种非牛顿流体,ANSYS程序提供了三中粘性模式和一个用户自定义子程序。
多组份传输分析
这种分析通常是用于研究有毒流体物质的稀释或大气中污染气体的传播情况,同时,它也可用于研究有多种流体同时存在(但被固体相互隔开)的热交换分析。
第二章 FLOTRAN分析基础
FLOTRAN单元的特点
ANSYS中的FLOTRAN单元,即FLUID141和FLUID142,用于解算单相粘性流体的二维和三维流动、压力和温度分布。对于这些单元,ANSYS通过质量、动量和能量三个守恒性质来计算流体的速度分量、压力、以及温度。
FLUID141单元
FLUID141单元具有下列特征:
维数:二维
形状:四节点四边形或三节点三角形
自由度:速度、压力、温度、紊流动能、紊流能量耗散、多达六种流体的各自质量所占的份额
FLUID142单元
FLUID142单元具有下列特征:
维数:三维
形状:四节点四面体或八节点六面体
自由度:速度、压力、温度、紊流动能、紊流能量耗散、多达六种流体的各自质量所占的份额
FLUID141单元 FLUID142单元
FLUID单元的其他特征
FLUID单元的其他特征包括:
用于模拟紊流的二方程紊流模式
有很多推导结果,诸如:流场分析中的马赫数、压力系数、总压、剪应力、壁面处的y-plus、以及流线函数;热分析中的热流、热交换(膜)系数等。
流体边界条件,包括:速度、压力、紊流动能以及紊流能量耗散率。用户无需提供流场进口处紊流项的边界条件,因FLOTRAN对此提供的缺省值适用于绝大多数分析。
热边界条件,包括:温度、热流、体积热源、热交换(膜)系数。
用户可使用的坐标系有:的卡尔坐标系、柱坐标系、极坐标系和轴对称坐标系。如果所计算的问题是轴对称的,激活旋转(swirl)选项即可算出垂直于对称平面的速度分量。
使用FLOTRAN单元的一些限制及注意事项
FLOTRAN单元的一些局限性:
在同一次分析中不能改变求解的区域
单元不支持自由流面边界条件
ANSYS程序的某些特征不能同FLOTRAN单元一起使用
使用FLOTRAN单元时不能使用某些命令或菜单
当使用ANSYS的图形用户界面时,程序将只能显示那些在菜单和对话框中的
FLOTRAN SetUp部分要求了的特征和选项。
FLOTRAN单元使用中的一些限制
当使用FLOTRAN单元时,要避免使用ANSYS的某些特