【正文】 FLOTRAN計(jì)算流體力學(xué)全文目 錄 第一章 FLOTRAN計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析概述 1第二章 FLOTRAN分析基礎(chǔ) 3第三章 FLOTRAN設(shè)置命令 14第四章 FLOTRAN邊界條件 59第五章 FLOTRAN層流和湍流分析算例 65第一章 FLOTRAN 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析概述FLOTRAN CFD 分析的概念A(yù)NSYS程序中的FLOTRAN CFD分析功能是一個(gè)用于分析二維及三維流體流動(dòng)場的先進(jìn)的工具，使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID 141和FLUID 142 單元，可解決如下問題： 作用于氣動(dòng)翼(葉)型上的升力和阻力 超音速噴管中的流場 彎管中流體的復(fù)雜的三維流動(dòng)同時(shí)，F(xiàn)LOTRAN還具有如下功能： 計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中氣體的壓力及溫度分布 研究管路系統(tǒng)中熱的層化及分離 使用混合流研究來估計(jì)熱沖擊的可能性 用自然對流分析來估計(jì)電子封裝芯片的熱性能 對含有多種流體的(由固體隔開)熱交換器進(jìn)行研究FLOTRAN 分析的種類FLOTRAN可執(zhí)行如下分析： 層流或紊流 傳熱或絕熱 可壓縮或不可壓縮 牛頓流或非牛頓流 多組份傳輸這些分析類型并不相互排斥，例如，一個(gè)層流分析可以是傳熱的或者是絕熱的，一個(gè)紊流分析可以是可壓縮的或者是不可壓縮的。層流分析層流中的速度場都是平滑而有序的，高粘性流體（如石油等）的低速流動(dòng)就通常是層流。紊流分析紊流分析用于處理那些由于流速足夠高和粘性足夠低從而引起紊流波動(dòng)的流體流動(dòng)情況，ANSYS中的二方程紊流模型可計(jì)及在平均流動(dòng)下的紊流速度波動(dòng)的影響。 如果流體的密度在流動(dòng)過程中保持不變或者當(dāng)流體壓縮時(shí)只消耗很少的能量，該流體 就可認(rèn)為是不可壓縮的，不可壓縮流的溫度方程將忽略流體動(dòng)能的變化和粘性耗散。熱分析流體分析中通常還會(huì)求解流場中的溫度分布情況。如果流體性質(zhì)不隨溫度而變，就可不解溫度方程。在共軛傳熱問題中，要在同時(shí)包含流體區(qū)域和非流體區(qū)域（即固體區(qū)域）的整個(gè)區(qū)域上求解溫度方程。在自然對流傳熱問題中，流體由于溫度分布的不均勻性而導(dǎo)致流體密度分布的不均勻性，從而引起流體的流動(dòng)，與強(qiáng)迫對流問題不同的是，自然對流通常都沒有外部的流動(dòng)源?？蓧嚎s流分析對于高速氣流，由很強(qiáng)的壓力梯度引起的流體密度的變化將顯著地影響流場的性質(zhì)，ANSYS對于這種流動(dòng)情況會(huì)使用不同的解算方法。非牛頓流分析應(yīng)力與應(yīng)變率之間成線性關(guān)系的這種理論并不能足以解釋很多流體的流動(dòng)，對于這種非牛頓流體，ANSYS程序提供了三中粘性模式和一個(gè)用戶自定義子程序。多組份傳輸分析這種分析通常是用于研究有毒流體物質(zhì)的稀釋或大氣中污染氣體的傳播情況，同時(shí)，它也可用于研究有多種流體同時(shí)存在（但被固體相互隔開）的熱交換分析。 第二章 FLOTRAN分析基礎(chǔ)FLOTRAN單元的特點(diǎn)ANSYS中的FLOTRAN單元，即FLUID141和FLUID142，用于解算單相粘性流體的二維和三維流動(dòng)、壓力和溫度分布。對于這些單元，ANSYS通過質(zhì)量、動(dòng)量和能量三個(gè)守恒性質(zhì)來計(jì)算流體的速度分量、壓力、以及溫度。FLUID141單元FLUID141單元具有下列特征：維數(shù)：二維 形狀：四節(jié)點(diǎn)四邊形或三節(jié)點(diǎn)三角形 自由度：速度、壓力、溫度、紊流動(dòng)能、紊流能量耗散、多達(dá)六種流體的各自質(zhì)量所占的份額FLUID142單元FLUID142單元具有下列特征：維數(shù)：三維形狀：四節(jié)點(diǎn)四面體或八節(jié)點(diǎn)六面體自由度：速度、壓力、溫度、紊流動(dòng)能、紊流能量耗散、多達(dá)六種流體的各自質(zhì)量所占的份額FLUID141單元 FLUID142單元FLUID單元的其他特征FLUID單元的其他特征包括： 用于模擬紊流的二方程紊流模式 有很多推導(dǎo)結(jié)果，諸如：流場分析中的馬赫數(shù)、壓力系數(shù)、總壓、剪應(yīng)力、 壁面處的yplus、以及流線函數(shù)；熱分析中的熱流、熱交換（膜）系數(shù)等。 流體邊界條件，包括：速度、壓力、紊流動(dòng)能以及紊流能量耗散率。用戶無 需提供流場進(jìn)口處紊流項(xiàng)的邊界條件，因FLOTRAN對此提供的缺省值適用 于絕大多數(shù)分析。 熱邊界條件，包括：溫度、熱流、體積熱源、熱交換（膜）系數(shù)。用戶可使用的坐標(biāo)系有：的卡爾坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系和軸對稱坐標(biāo)系。如果所計(jì)算的問題是軸對稱的，激活旋轉(zhuǎn)（swirl）選項(xiàng)即可算出垂直于對稱平面的速度分量。使用FLOTRAN單元的一些限制及注意事項(xiàng)FLOTRAN單元的一些局限性： 在同一次分析中不能改變求解的區(qū)域 單元不支持自由流面邊界條件 ANSYS程序的某些特征不能同F(xiàn)LOTRAN單元一起使用 使用FLOTRAN單元時(shí)不能使用某些命令或菜單 當(dāng)使用ANSYS的圖形用戶界面時(shí)，程序?qū)⒅荒茱@示那些在菜單和對話框中的FLOTRAN SetUp部分要求了的特征和選項(xiàng)。FLOTRAN單元使用中的一些限制當(dāng)使用FLOTRAN單元時(shí)，要避免使用ANSYS的某些特征和命令，至少，要注意到在使用FLOTRAN單元時(shí)與別的分析稍微有些不同，當(dāng)使用了無效的命令時(shí)，程序會(huì)給出相應(yīng)的警告或錯(cuò)誤信息。使用FLOTRAN單元要注意如下幾點(diǎn)（下面所列命令相應(yīng)的菜單路徑請參見ANSYS命令手冊或聯(lián)機(jī)幫助中的“Commands and Their Location in the GUI” FLOTRAN單元不能和其他單元聯(lián)合使用。 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系必須與總體坐標(biāo)系一致。 /CLEAR命令并不破壞業(yè)已存在的FLOTRAN結(jié)果文件（），這 有助于防止用戶不小心破壞那些花了很多時(shí)間和精力才求得的結(jié)果，用戶必 須在*作系統(tǒng)里才能刪除那些無用的結(jié)果文件。 CP命令通過對自由度進(jìn)行耦合來形成周期邊界條件，ANSYS命令手冊對CP 命令的描述是可以只對某些自由度進(jìn)行耦合，但作FLOTRAN分析時(shí)，周期 邊界的所有自由度都將被耦合。用戶不能對同一個(gè)單元中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合，相鄰單元間節(jié)點(diǎn)耦合也很困難。 ADAPT命令不適用于FLOTRAN分析。 不能用ANTYPE命令來引入FLOTRAN的瞬態(tài)分析。 FLOTRAN分析不支持自動(dòng)時(shí)間步長功能，詳見“FLOTRAN瞬態(tài)分析”。 如果用戶通過BFCUM、BFDELE或BFUNIF來定義節(jié)點(diǎn)熱源，則ANSYS會(huì) 在內(nèi)部用BFE命令來代替。 不能使用LDREAD,FORC命令來電磁載荷轉(zhuǎn)換到FLOTRAN分析中，而必須 使用相應(yīng)的宏來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 FLOTRAN分析不能使用CE、CECMOD、CEDELE和DEINTF命令。 FLOTRAN分析不能使用CNVTOL命令來設(shè)置收斂容差。 不能用DSYM命令來定義FLOTRAN的對稱和反對稱邊界條件。 FLOTRAN不支持旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的角加速度向量。 在FLOTRAN分析中，使用FLDATA4,TIME命令而不是DELTIM命令來定義 一個(gè)載荷步的時(shí)間。 對于FLOTRAN分析，不能使用DESOL命令或PRESOL命令來修改節(jié)點(diǎn)的熱 （HEAT）、流（FLOW）、或流密（FLUX）結(jié)果。 FLOTRAN分析不允許將積分點(diǎn)結(jié)果外推到節(jié)點(diǎn)上（ERESX命令）。 FLOTRAN分析不允許通過鏡象*作來形成單元。 FLOTRAN分析不能用KBC命令來施加漸變載荷，而必須用多個(gè)載荷步來逐 漸改變載荷。 FLOTRAN分析不允許用LCCALC、LCDEF、LCFA、LCFI等命令來作不同載荷狀況之間的運(yùn)算*作。 NCNV命令中的收斂工具不能用于FLOTRAN中相互獨(dú)立的求解器。 FLOTRAN分析不允許用NEQUIT命令來定義非線性分析的平衡迭代數(shù)。 FLOTRAN分析要求節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系必須是總體的卡爾坐標(biāo)系，故不能用N命令、NMODIF命令、和NROTAT命令的旋轉(zhuǎn)（rotational）域。 FLOTRAN分析中，F(xiàn)LDATA2,ITER命令和FLDATA4,TIME命令用來控制一 個(gè)載荷步中的總體迭代數(shù)。 FLOTRAN分析不允許用戶自定義單元。 FLOTRAN分析中，F(xiàn)LDATA2,ITER命令和FLDATA4,TIME命令用來對寫入 數(shù)據(jù)庫中的結(jié)果進(jìn)行控制。 PRNLD命令不能用于FLOTRAN分析中，因其不能將邊界條件作為可打印的 單元節(jié)點(diǎn)載荷來保存。 FLOTRAN分析中沒有節(jié)點(diǎn)反力解。 部分和預(yù)定義求解選項(xiàng)（PSOLVE命令定義）不適用于FLOTRAN各自獨(dú)立 的求解器。 TIME命令不能用在FLOTRAN分析中。 FLOTRAN用FLDATA1,SOLU命令而不是TIMINT命令來定義瞬態(tài)載荷 步。 FLOTRAN用FLDATA4,TIME命令而非TRNOPT命令來定義瞬態(tài)分析選項(xiàng)。FLOTRAN分析的主要步驟一個(gè)典型的FLOTRAN分析有如下七個(gè)主要步驟：1. 確定問題的區(qū)域。2. 確定流體的狀態(tài)。3. 生成有限元網(wǎng)格。4. 施加邊界條件。5. 設(shè)置FLOTRAN分析參數(shù)。6. 求解。7. 檢查結(jié)果。第一步：確定問題的區(qū)域用戶必須確定所分析問題的明確的范圍，將問題的邊界設(shè)置在條件已知的地方，如果并不知道精確的邊界條件而必須作假定時(shí)，就不要將分析的邊界設(shè)在靠近感興趣區(qū)域的地方，也不要將邊界設(shè)在求解變量變化梯度大的地方。有時(shí)，也許用戶并不知道自己的問題中哪個(gè)地方梯度變化最大，這就要先作一個(gè)試探性的分析，然后再根據(jù)結(jié)果來修改分析區(qū)域。這些在后面章節(jié)中都有詳述。第二步：確定流體的狀態(tài)用戶在此需要估計(jì)流體的特征，流體的特征是流體性質(zhì)、幾何邊界以及流場的速度幅值的函數(shù)。FLOTRAN能求解的流體包括氣流和液流，其性質(zhì)可隨溫度而發(fā)生顯著變化，F(xiàn)LOTRAN中的氣流只能是理想氣體。用戶須自己確定溫度對流體的密度、粘性、和熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響是否是很重要，在大多數(shù)情況下，近似認(rèn)為流體性質(zhì)是常數(shù)，即不隨溫度而變化，都可以得到足夠精確的解。通常用雷諾數(shù)來判別流體是層流或紊流，雷諾數(shù)反映了慣性力和粘性力的相對強(qiáng)度，詳見第四章。通常用馬赫數(shù)來判別流體是否可壓縮，詳見第七章。流場中任意一點(diǎn)的馬赫數(shù)是該點(diǎn)流體速度與該點(diǎn)音速之比值，就應(yīng)考慮用可壓縮算法來進(jìn) 行求解；，可壓縮算法與不可壓縮算法之間就會(huì)有極其明顯的差 異。第三步： 生成有限元網(wǎng)格用戶必須事先確定流場中哪個(gè)地方流體的梯度變化較大，在這些地方，網(wǎng)格必須作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。例如：如果用了紊流模型，靠近壁面的區(qū)域的網(wǎng)格密度必須比層流模型密得多，如果太粗，該網(wǎng)格就不能在求解中捕捉到由于巨大的變化梯度對流動(dòng)造成的顯著影響，相反，那些長邊與低梯度方向一致的單元可以有很大的長寬比。為了得到精確的結(jié)果，應(yīng)使用映射網(wǎng)格劃分，因其能在邊界上更好地保持恒定的網(wǎng)格特性，映射網(wǎng)格劃分可由命令MSHKEY,1或其相應(yīng)的菜單Main MenuPreproce ssor MeshingMeshentityMapped來實(shí)現(xiàn)。第四步：施加邊界條件可在劃分網(wǎng)格之前或之后對模型施加邊界條件，此時(shí)要將模型所有的邊界條件都考慮進(jìn)去，如果與某個(gè)相關(guān)變量的條件沒有加上去，則該變量沿邊界的法向值的梯度將被假定為零。求解中，可在重啟動(dòng)之間改變邊界條件的值，如果需改變邊界條件的值或不小心忽略了某邊界條件，可無須作重啟動(dòng)，除非該改變引起了分析的不穩(wěn)定。第五步：設(shè)置FLOTRAN分析參數(shù)為了使用諸如紊流模型或求解溫度方程等選項(xiàng)，用戶必須激活它們。諸如流體性質(zhì)等特定項(xiàng)目的設(shè)置，是與所求解的流體問題的類型相關(guān)的，該手冊的其他部分詳細(xì)描述了各種流體類型的所建議的參數(shù)設(shè)置。第六步：求解通過在觀察求解過程中相關(guān)變量的改變率，可以監(jiān)視求解的收斂性及穩(wěn)定性。這些變量包括速度、壓力、溫度、動(dòng)能 (ENKE自由度) 和動(dòng)能耗散率 (ENDS自由度) 等 紊流量以及有效粘性（EVIS）。一個(gè)分析通常需要多次重啟動(dòng)。第七步：檢查結(jié)果可對輸出結(jié)果進(jìn)行后處理，也可在打印輸出文件里對結(jié)果進(jìn)行檢查，此時(shí)用戶應(yīng)使用自己的工程經(jīng)驗(yàn)來估計(jì)所用的求解手段、所定義的流體性質(zhì)、以及所加的邊界條件的可信程度。FLOTRAN分析中產(chǎn)生的一些文件在ANSYS中進(jìn)行的大多數(shù)流體分析都是通過多次中斷和重啟動(dòng)來完成的，通常,分析人員需要在各個(gè)重啟動(dòng)之間改變諸如松弛系數(shù)等參數(shù)或開關(guān)某些項(xiàng)（如求解溫度方程的開關(guān)）。每當(dāng)用戶繼續(xù)一個(gè)分析時(shí)，ANSYS程序會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)附加在所有的 由FLOTRAN單元產(chǎn)生的文件中。下面將對FLOTRAN單元產(chǎn)生的所有文件進(jìn)行說明: 結(jié)果文件， Jobname. RFL，包含節(jié)點(diǎn)結(jié)果。 打印文件， ，包含各量的收斂記錄及進(jìn)/出口狀態(tài)(如流量等)。 壁面文件， ，包含壁面剪切應(yīng)力以及YPlus信息。 殘差文件， ，包含節(jié)點(diǎn)殘差。 調(diào)試文件， ，包含數(shù)學(xué)求解器的有關(guān)信息。 結(jié)果備份文件， ，包含結(jié)果文件數(shù)據(jù)的一個(gè)拷貝。 重啟動(dòng)文件， ，包含F(xiàn)LOTRAN的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。結(jié)果文件FLOTRAN分析的結(jié)果并不自動(dòng)保存在ANSYS的數(shù)據(jù)庫中，在每次求解之后。用戶可對結(jié)果文件的內(nèi)容及程序 對結(jié)果文件的更新頻率進(jìn)行控制，ANSYS命令手冊中對FLDATA5,OUTP命令的介紹就詳細(xì)說明了結(jié)果文件會(huì)基于用戶的選擇而保存些什么內(nèi)容。在一個(gè)穩(wěn)態(tài)FLOTRAN分析中，結(jié)果文件能保存多少個(gè)結(jié)果集是沒有限制的，在求解的初期多保存幾個(gè)結(jié)果有很多好處：可以比較各結(jié)果集之間的變化、可以使用不同的選項(xiàng)或松弛系數(shù)來從一個(gè)分析