Fluent建模.docx
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Fluent建模
Fluent建模
1.理论知识
1.1Gambit软件的介绍
1.2Fluent软件的介绍
1.3Exceed.13+Gambit.V2.4.06+Fluent.6.3安装介绍
2.建模过程
2.1Gambit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
☆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（Sizefunction）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。
1.1Fluent软件的介绍
CFD商业软件介绍之一——FLUENT
通用CFD软件包，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-ω模型组、k-ε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。
1.2Exceed.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.13
i.如图1-2所示，双击应用程序Msetup进行安装。
图1-2文件夹exceed.13
ii.弹出窗口如图1-3所示，点击installexceed。
图1-3exceed.13安装
iii.弹出窗口如图1-4所示，点击personalinstallation。
图1-4exceed.13安装
iv.弹出窗口如图1-5所示，选择english，点击OK。
图1-5exceed.13安装
v.剩余步骤按照提示操作直至安装结束。
3）安装gambit
i.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1-6gambit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1-7gambit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1-8gambit安装
依次按照提示点击next，直至安装结束。
iv.将图1-6内所示的
拷贝到D:
\fluent.Inc\license。
将
拷贝到D:
\Fluent.Inc\gambit2.4.6。
（勾掉选项，不要对servername进行设定）
v.安装结束，重启电脑。
4）安装fluent
i.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1-9fluent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.Inc\license。
iv.重启电脑，安装成功。
第二章建模过程
2.1Gambit启动
1）双击桌面的Gambit2.4.6快捷方式，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2-2GambitStartup对话框
图2-3Gambit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。
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2-6copyvolumes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Xnegative，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,depth（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。
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globalcontrol，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2-30globalcontrol
回到globalcontrol菜单，点击
，弹出菜单specialdisplayattributes，相关设置如图2-31所示。
图2-31specialdisplayattributes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2-3410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，得到界面如图2-35所示。
图2-3510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-cellstack，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intervalsize，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3-6所示。
图3-5创建用于分割的面
图3-6创建的面的示意图
此时，需将所创建的面移动到电堆的最底层和倒数第二层的交界处。
步骤如3-7所示。
图3-7移动分割面
将此面复制到相邻的两个单电池之间。
共需向上复制8个。
步骤如图3-8所示。
图3-8复制分割面
得到界面如图3-9所示。
图3-9分割面建立成功
2）分割实体
通过所建立的面，将电堆划分为十个单电池。
步骤如图3-10所示。
图3-10分割实体过程设置
得到效果如图3-11所示。
图3-11电堆被分割后的效果图
3）单独划分
从电堆的最上层单电池开始，依次向下进行划分。
针对最上层的单电池，步骤如图3-12所示。
图3-12单独划分网格设置
过程如图3-13所示。
图3-13单独划分网格过程
该层电池划分结束，粗略的可以发现，所划分的网格较图3-4中所示的效果而言，没有出现扭曲的现象，非常规整。
如图3-14所示。
（具体的网格数据在随后的步骤中将会给出。
）
图3-14部分网格示意图
剩下的单电池划分方式相同。
逐一划分结束之后将得到如图3-15所示的效果。
图3-15电堆网格整体示意图
3.2检查网格划分情况
点击位于主界面右下角工具栏中的
图标，打开网络设置对话框，如图3-16所示。
图3-16网格检查
1）在displaytype（显示类型）项选择plane（平面）。
2）选择3Delement以及
。
3）在qualitytype（质量类型）项选择equalangleskew。
4）在cutorientation项，用鼠标左键拖动Z轴滑块，会显示不同的Z值平面上的网格。
5）在cutorientation项，用鼠标左键拖动X或Y轴滑块，则会显示X和Y平面上的网格。
6）在displaytype项选择range，点击对话框下部滑块可选择显示的比例及大小。
同时可以看出网格总数以及每一部分的网格质量好坏。
3.3设置边界类型
注意：
在设置边界类型之前，可按照之前介绍的方法，在
中将网格设置为不可见，这样利于计算机减少在这个阶段的计算量，同时便于对相关面进行观察和设置。
1）设置入口边界。
操作如图3-17所示。
图3-17边界类型设置
注：
第五步时，右键长按，拖动选择velocity_inlet。
第六步时，按住shift键，左键点选模型中的第一个入口，变成红色表明选中为inlet1。
如图3-18所示。
图3-18选择inlet1
以相同的方式设置其他两个速度入口inlet2和inlet3。
2）设置出口边界。
如同设置inlet的方式，点选模型另一侧的三个面来设置oulet1，outlet2和outlet3。
注意type项要相应的选择pressure_out。
边界类型设置完毕之后的界面如图3-19所示。
图3-19边界类型设置完成
注意：
对于其他未设置的面，默认为固壁。
3.4输出网格文件
操作如图3-20所示。
图3-20网格输出图3-21文件名称保存
保留默认设置，点击accept确认。
如图3-21所示。
第四章计算求解
4.1检查网格并定义长度单位
1）启动fluent6.3.26
点击fluent6.3.26图标，弹出对话框，如图4-1所示。
选择3d，点击run。
图4-1启动fluent
2）读入网格文件
如图4-2所示操作顺序。
图4-2读入网格信息
在相应的文件夹内找到之前保存的10-cellstack.msh读入。
读入后界面如图4-3所示。
图4-3网格信息显示
3）网格光滑与交换
操作如图4-4所示。
图4-4网格光滑
弹出对话框如图4-5所示。
图4-5网格光划过程
反复点击smooth和swap，直到主界面显示的数据没有变化，显示nonodesmoved,smoothingcomplete.Done.为止。
关闭对话框。
4）确定长度单位为cm。
依次点击grid-scale，打开长度单位设置对话框，如图4-6所示。
图4-6设置模型尺寸
i.在1处点选mm。
ii.点击2处后，此时domainextents的单位全部变为mm。
iii.点击3处，界面给出区域的范围。
5）检查网格
依次点击grid—check。
Fluent会对网格进行各种检查并在信息反馈窗口中显示检查过程和结果，如图4-7所示。
图4-7检查网格信息
其中，特别需要注意的是，最小体积必须是正值，不能有警告或者错误信息，最后一行必须是Done。
6）显示网格
依次点击display—grid，打开网格显示对话框后，按图4-8操作，可得到区域网格图。
图4-8显示网格
4.2设置计算模型
1）设置求解器
按照图4-9顺序操作，弹出求解器设置对话框，如图4-10所示。
图4-9设置计算模型
图4-10模型设置信息
保留原始设置，点击OK。
2）启动能量方程
点击define—models—energy，打开能量方程设置对话框，如图4-11所示，点击OK。
图4-11设置能量方程
3）设置层流模型
点击define—models—viscous，打开对话框，如图4-12所示，点选laminar，其他保留初始设置，点击OK。
图4-12设置层流模型
4.3设置流体的材料属性
点击define—materials，打开材料属性设置对话框，如图4-13所示。
图4-13设置流体材料属性
i.点击右侧的fluentdatabase，打开流体材料库对话框，如图4-14所示。
图4-14选择流体材料为氢气
ii.在fluentfluidmaterials列表中选择hydrogen。
iii.点击copy，点击close。
iv.回到图4-13，此时materialname里面显示的就是刚才点选的hydrogen了，点击change/creat。
v.点击close，关闭材料属性设置对话框。
4.4设置边界条件
依次点击Define—boundarycondition，打开边界条件设置对话框，如图4-15所示。
1）选择工作流体为氢气
按照图4-15所示步骤执行。
图4-15选择工作流体为氢气
2）设置入流口的边界条件
Inlet1操作步骤如图4-16、4-17所示
图4-16inlet1设置
（1）
图4-17inlet设置
（2）
补充说明：
i.第四步，速度0.94m/s的设置。
参考链接：
Akeygeometricparameterfortheflowuniformityinplanarsolidoxidefuelcellstacks.WuxiBi,DaifenChen,ZijingLin*.internatinaljournalofhydrogenenergy34（2009）3873–3884.中的3.3节，关于入口速度的计算公式。
ii.第六步，反应温度取1073K，此时的氢气密度经计算为0.02287kg/m3。
iii.其余两个入流口inlet2和inlet3的操作和inlet1相同。
3）设置出流口的边界条件
Outlet1的操作步骤如图4-18所示。
图4-18outlet1设置
Outlet2和outlet3的步
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