ANSYS-FLOTRAN分析指南F5-FLOTRAN层流和湍流分析算例.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-dateANSYS-FLOTRAN分析指南F5-FLOTRAN层流和湍流分析算例第五章 FLOTRAN层流和湍流分析算例第五章 FLOTRAN层流和湍流分析算例 一、问题描述 二、分析方法及假定 三、几何尺寸及流体性质 四、分析过程 第1步：进入ANSYS 第2步：设置分析选择 第3步：定义单元类型 第4步：生成分析区域的几何面 第5步：定义单元形状 第6步：划分有限元网格 第7步：生成并应用新的工具栏按钮 第8步：施加边界条件 第9步：求解层流 第10步：观察层流分析的结果 第11步：确定流体粘性如何影响流场特性 第12步：进行湍流分析 第13步：对新的出口区划分网格 第14步：施加湍流分析的载荷 第15步：改变FLOTRAN分析选项和流体性 第16步：进行求解 第17步：将流体速度结果以向量图和路径图的方式进行显示 第18步：绘制压力等值线图 第19步：退出ANSYS问题描述该算例是一个二维的导流管分析，先分析一个雷诺数为400的层流情况，然后改变流场参数再重新分析，最后再扩大分析区域来计算其湍流情况。该算例所用单位制为国际单位制。分析区域图示如下： 分析方法及假定 用FLUID141单元来作二维分析，本算例作了如下三个分析：· 雷诺数为400的假想流的层流分析· 降低流体粘性后（即增大雷诺数）的假想流的层流分析· 雷诺数约为260000的空气流的湍流分析分析时假定进口速度均匀，并且垂直于进口流场方向上的流体速度为零。在所有壁面上施加无滑移边界条件（即所有速度分量都为零）；假定流体不可压缩，并且其性质为恒值，在这种情况下，压力就可只考虑相对值，因此在出口处施加的压力边界条件是相对压力为零。第一次分析时，流场为层流，着可以通过雷诺数来判定，其公式如下： 第二次分析时，将流体粘性降低到原来的十分之一（雷诺数相应增大）后再在第 一次分析的基础上重启动分析对于内流来说，当雷诺数达到2000至3000时，流场即由层流过渡到湍流，故第三次分析（空气流，雷诺数约为260000）时，流场是湍流。对于湍流分析，上图所示的导流管的后端应加长，以使流场能得到充分发展。此时，应在该次求解之前改变ANSYS的工作名以防止程序在上一次分析结果的基础上作重启动分析。几何尺寸及流体性质进口段长度4 m进口段高度1 m过渡段长度2 m出口段高度2.5 m层流分析时出口段长度6 m湍流分析时出口段长度12 m假设流体密度1 Kg/m3假设流体粘性第一次分析0.01Kg/m-s；第二次分析0.001 Kg/m-s空气密度1.205 Kg/m3空气粘性1.8135*10-5 Kg/m-s进口速度2.0 m/s出口压力0 nt/m2分析过程如下：第1步：进入ANSYS参见ANSYS Operation Guide第2步：设置分析选择1进入Main Menu>Preference2点取FLOTRAN CFD项3点取OK第3步：定义单元类型1进入Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete2点取Add3在弹出菜单的左框中点取FLOTRAN CFD，右框中点取2D FLOTRAN 1414点取OK5点取Close第4步：生成分析区域的几何面该步定义三个面：分别表示进口和出口的两个矩形面，以及一个表示过渡段的面。1生成进口段，进入Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Areas-Rectangle>By Dimensions2在弹出菜单中的相应区域输入以下值：X1处输入0 X2处输入2 Y1处输入0 Y2处输入13点取Apply4生成出口段，再在上面弹出菜单中输入以下值：X1处输入6 X2处输入12Y1处输入0 Y2处输入2.55点取OK6在工具栏（Toolbar）窗口中点取SAVE_DB7进入Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>Lines>Tan to 2 Lines8点取左侧矩形的上面一条线作为第一条切线，再在点取菜单中点取OK9点取该线的右端点作为第一切点，再在点取菜单中点取OK10点取右侧矩形的上面一条线作为第二条切线，再在点取菜单中点取OK11点取该线的左端点作为第二切点，再在点取菜单中点取OK12在点取菜单中点取Cancel。所生成的结果线是一条界于两个矩形之间的光滑曲线13进入Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Areas-Arbitrary>Through KPs14分别点取界于两个矩形之间的光滑曲线上的两个端点，再点取左侧矩形的右下角和右侧矩形的左下角15 点取OK16在工具栏窗口中点取SAVE_DB第5步：定义单元形状1进入Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesher Opts2将Midside node placement域改为No Midside nodes，点取OK3在弹出菜单中点取QuadOnly4点取OK5进入Utility Menu>Plot>Lines6进入Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>-Lines->Picked Lines7点取进口区（左侧矩形面）的上下两条直线8在点取菜单中点取Apply9在弹出菜单的No. of element divisions域中输入1210在弹出菜单的Spacing ratio域中输入-211点取Apply12点取过渡区（中间面）的上下两条线，并点取Apply13在弹出菜单的No. of element divisions域中输入914在弹出菜单的Spacing ratio域中输入115点取Apply16 点取出口区（右侧矩形面）的上面一条直线，并点取Apply17在弹出菜单的No. of element divisions域中输入13并在Spacing ratio域中输入0.418点取Apply19点取出口区（右侧矩形面）的下面一条直线，并点取Apply20在弹出菜单的Spacing ratio域中输入2.521点取Apply22点取剩下的四条垂线，并点取OK23在弹出菜单的No. of element divisions域中输入10并在Spacing ratio域中输入-224点取OK25在工具栏窗口中点取SAVE_DB第6步：划分有限元网格1进入Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>Areas>Free2在点取菜单中点取Pick All第7步：生成并应用新的工具栏按钮在做类似于该例的分析时，定义一些诸如能“自动选择出与某条线相关的所有节点”、“关闭座标系符号的显示”等的工具栏按钮是非常有助于方便地建立模型的。这一步的目的就是建立两个分别实现上述功能的工具栏按钮1进入Utility Menu>Menu Ctrls>Edit Toolbar2在弹出菜单中的*ABBR后输入ns1,nsll,13点取Accept4在弹出菜单中的*ABBR后输入tri,/triad,off5点取Accept，然后点取Close6在工具栏中点取刚生成好的TRI按钮，之后进入Utility Menu>Plot>Replot，此时，在图形窗口中，原来的座标系符号就会消失了。第8步：施加边界条件在模型的进口处加X方向速度为2、其它方向速度为零的进口速度条件；在所有壁面处加两个方向速度都为零的速度条件，在出口处加零压力边界条件1进入Utility Menu>Plot>Nodes2进入Utility Menu>Select>Entities3在弹出菜单中选择“Nodes”和“By Num/Pick”，并点取OK4在弹出的选择菜单中选择“Box”5按住鼠标左键，在模型左侧进口边的所有节点周围拉出一个方框6点取OK7进入Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Apply>-Fluid/CFD->Velocity>On Nodes8点取Pick All9在弹出菜单的VX域输入2，VY域输入010点取OK11进入Utility Menu>Plot>Lines12进入Utility Menu>Select>Entities13在弹出菜单中选择“Lines”和“By Num/Pick”，之后点取OK14在图形窗口中点取表示上下六个壁面的六条线，之后点取选择菜单中的OK15在工具栏菜单中点取NSL按钮，以选取上面六条线上的全部节点16进入Utility Menu>Plot>Nodes17进入Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Apply>-Fluid/CFD->Velocity>On Nodes18点取Pick All19在弹出菜单的VX域和VY域都输入020点取OK21进入Utility Menu>Select>Everything，然后再进入Utility Menu>Plot>Nodes22进入Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Apply>-Fluid/CFD->Pressure DOF>On Nodes23在弹出的选择菜单中选择“Box”，按住鼠标左键，在模型右侧出口边的所有节点周围拉出一个方框24在弹出菜单中将压力值设为零25点取OK26进入Utility Menu>Select>Everything27在工具栏中点取SAVE-DB第9步：求解层流该步首先建立流体性质，然后设置执行控制，并开始求解1进入Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Fluid Properties2将弹出菜单的“Density”域设为“Constant”，点取OK3将恒值密度设为1.0，恒值粘性设为0.014点取OK5进入Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Execution Control6在弹出菜单的“Global iterations”域输入207点取OK8进入Main Menu>Solution>Run FLOTRAN，开始进行求解第10步：观察层流分析的结果1进入Main Menu>General Postproc>-Read Results->Last Set2进入Main Menu>General Postproc>Plot Results>Vector Plot>Predifined3在弹出菜单中选择“DOF solution”和“Velocity V”4点取OK5进入Utility Menu>PlotCtrls>Device Options6将向量模式(vector mode (wire frame)设为“ON”，之后点取OK7进入Utility Menu>PlotCtrls>Style>Edge Options8在弹出菜单的“Edge tolerance angle”域输入19将“Element Outline for non-contour/contour plots”域设为“Edge Only/All”10将“Replot upon OK/Apply”域设为“Replot”11点取OK第11步：确定流体粘性如何影响流场特性诸如空气和水等常见流体的粘性都低于上例中的假想流体粘性。将该粘性缩小10倍将响应增大雷诺数。在本步中，返回FLOTRAN的输入步，改变粘性值，重新求解。分析将从上面结束处重新开始，并执行附加的20次总体迭代。1进入Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Fluid Properties2点取OK3将粘性值改为0.0014点取OK5进入Main Menu>Solution>Run FLOTRAN，开始进行求解6可进行与上面第10步类似的结果观察第12步：进行湍流分析从低粘性分析的结果可以看出，回流区已延伸到出口边界之后，若希望流体在出口之前得到充分发展，则必须给其更多的空间，对于空气则尤其更应如此，因其粘性比上面的0.001还低。下面所进行的本算例的第二部分，就是紧接着上面的层流分析来作一个空气的湍流分析，此时要延长问题的求解区域并对延长部分重新划分网格、重新施加边界条件、并激活湍流模型。在求解之前，还必须改变工作名（Jobname）。1删除压力边界条件，进入：Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Delete>Fluid/CFD>Pressure DOF>On Nodes，并在弹出菜单中选择“Pick All”2进入Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas->Rectangle>ByDimensions3输入下面的座标值：X1处输入12X2处输入24Y1处输入0Y2处输入2.54点取OK5融合关键点，进入Main Menu>Preprocessor>Numbering Ctrls>Merge Items6将弹出菜单的“Type of item to merge”域设为“All”，然后点取OK，忽略随后弹出的警告信息7进入Utility Menu>Plot>Lines第13步：对新的出口区划分网格1进入Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>-Lines->Picked Lines2点取新的出口区的最右侧的一条垂线，并点取OK3在弹出菜单的No. of element divisions域中输入104在弹出菜单的Spacing ratio域中输入-25点取Apply6点取新出口区的上下两条线7点取OK8在弹出菜单的No. of element divisions域中输入20并在Spacing ratio域中输入19点取OK，并在工具栏中点取SAVE-DB10进入Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>Areas>Free11点取新的出口区，并点取OK12进入Utility Menu>Plot>Nodes，图形显示节点第14步：施加湍流分析的载荷1进入Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Apply>-Fluid/CFD->Velocity>On Nodes2在弹出的选择菜单中选择“Box”3按住鼠标左键，在还未施加边界条件的上壁面节点周围拉出一个矩形框，然后在还未施加边界条件的下壁面节点周围拉出一个矩形框4点取OK5在弹出菜单的VX域和VY域都输入06点取OK7进入Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Apply>-Fluid/CFD->Pressure DOF>On Nodes8在弹出的选择菜单中选择“Box”9在新的模型右侧出口边的所有节点周围拉出一个方框10点取OK11在弹出菜单中将压力值设为零12点取OK第15步：改变FLOTRAN分析选项和流体性质1进入Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Solution Options2将弹出菜单的“Laminar or turbulent”域设为“Turbulent”3点取OK4进入Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Execution Control5在弹出菜单的“Global iterations”域输入606 点取OK7进入Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Fluid Properties8将弹出菜单的“Density”域设为“AIR”9点取OK10确认所用的流体性质是AIR，并点取OK第16步：进行求解1进入Utility Menu>File>Chang Jobname2在弹出的警告信息菜单中点取Close3在弹出的修改工作名的菜单中输入“turb”作为新的工作名4点取OK5进入Main Menu>Solution>Run FLOTRAN，开始进行求解第17步：将流体速度结果以向量图和路径图的方式进行显示1进入Main Menu>General Postproc>-Read Results->Last Set2进入Main Menu>General Postproc>Plot Results>Vector Plot>Predifined3在弹出菜单中选择“DOF solution”和“Velocity V”4点取OK5进入Utility Menu>Plot>Nodes，图形显示节点6进入Main Menu>General Postproc>Path Operations>Define Path>By Nodes7在图形窗口中，分别点取出口边的下面和上面两个节点8点取OK，在弹出菜单的“Define Path Name”域中输入“path1”作为该路径的名字，点取OK，并关闭随后弹出的信息菜单9进入Main Menu>General Postproc>Path Operations>Map Onto Path10在弹出菜单的“Lable”域输入“Velocity”11在“Item to be mapped”域选择“DOF solution”和“Velocity VX”12点取OK13进入Main Menu>General Postproc>Path Operations>-Plot Path Item->On Graph14选择“Velocity”标号15点取OK，该路径图显示出流场还是没有得到充分发展第18步：绘制压力等值线图1进入Utility Menu>PlotCtrls>Style>Contours>Uniform Contours2将“Number of contours”域设为253点取OK4进入Main Menu>General Postproc>Plot Results>-Contour Plot->Nodal Solu5在弹出菜单中，选择“DOF solution”和“Pressure PRES”6点取OK，ANSYS将显示出压力等值线图19退出ANSYS1点取工具栏中的“QUIT”按钮，在弹出菜单中随意点取一项2 点取OK-