1、.universityofscisenceasndtechnologybeijingcilandnvironmeningineeringschool，計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent簡(jiǎn)介goyukun geologic 2017年3月，主要內(nèi)容依靠電子計(jì)算機(jī)結(jié)合有限元或有限體積等方法，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，實(shí)現(xiàn)工程問(wèn)題和物理問(wèn)題，甚至自然各種問(wèn)題的研究目的。1計(jì)算流體力學(xué)和流動(dòng)概述，1.1概念，3的比較：1計(jì)算流體力學(xué)和流動(dòng)概述，1.1概念，3的比較：數(shù)值模擬雖然增長(zhǎng)很快，但無(wú)論現(xiàn)在還是將來(lái)發(fā)展到什么程度，都離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究和理論分析。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)現(xiàn)象和理論分析是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，計(jì)算結(jié)果需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)

2、象和理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。物理問(wèn)題，理論分析，數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)研究，工程應(yīng)用，檢查，檢查，檢查，集成設(shè)計(jì)方法圖，1計(jì)算流體力學(xué)和流暢度概述，1.1概念，當(dāng)前工程領(lǐng)域中常用的數(shù)值基本思想是先把問(wèn)題的范圍劃分為網(wǎng)格，然后根據(jù)網(wǎng)格點(diǎn)上相應(yīng)的數(shù)值微分公式，用不良者代替給定解決問(wèn)題的微商，從而把原始問(wèn)題分為差異形式，得出數(shù)值解法。Matlab、FLAC3D/2D等；1計(jì)算流體力學(xué)和Fluent概述；1.1概念；目前工程領(lǐng)域中常用的數(shù)值模擬方法和軟件是有限元方法(也稱為有限元法)(FiniteElementMethod，F(xiàn)EM)，在每個(gè)單元內(nèi)假定連續(xù)解決方案域這使得一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題成為離散的有限自由度問(wèn)

3、題。Ansys、Abaqus、LS-DYNA、NASTRAN等，1計(jì)算流體力學(xué)和流暢度概述，1.1概念，目前工程領(lǐng)域中常用的數(shù)值模擬方法和軟件包括：finite volume ethod(FVM)將計(jì)算區(qū)域分割為一系列非迭代控制卷，并在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍創(chuàng)建一個(gè)控制卷。針對(duì)每個(gè)控制體積積分，建立了要解析的微分方程組。其中，未知數(shù)是網(wǎng)面點(diǎn)的變數(shù)值。要獲得控制體積的積分，必須假定值在網(wǎng)格點(diǎn)之間變化的規(guī)律，即假定值的分段分布的分布部分。Fluent、CFX、Star-CD等預(yù)處理軟件：Gambit、ICEM、Hypermesh等后處理軟件：Fieldview、Ensight、Tecplot等；1計(jì)算流體

4、力學(xué)和fluens，1計(jì)算流體力學(xué)和流暢度概述，1.1概念，什么是CFD？CFD(計(jì)算流體力學(xué))的縮寫(xiě)，是預(yù)測(cè)流體流動(dòng)、熱量和物質(zhì)傳遞、化學(xué)反應(yīng)以及其他相關(guān)物理現(xiàn)象的研究。CFD通常通過(guò)數(shù)值方法解決以下控制方程質(zhì)量守恒方程動(dòng)量守恒方程能量守恒方程分裂守恒方程體積力等問(wèn)題。CFD分析通常適用于下一階段：概念設(shè)計(jì)產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題設(shè)計(jì)CFD分析改進(jìn)設(shè)計(jì)CFD分析補(bǔ)充物理測(cè)試，但可以節(jié)省更多成本和人力。1計(jì)算流體力學(xué)和流暢度概述，1.1概念，什么是CFD？本質(zhì)上是一個(gè)通用CFD包，它模擬控制方程的解決方案、未知函數(shù)、u、v、w、p、T參數(shù)T、x、y、z、1fd軟件FLUENT簡(jiǎn)介、1.1概念、C

5、FD商業(yè)軟件Fluent、高度不可壓縮的復(fù)雜流FLUENT使用多種解決方案和多網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，可以達(dá)到最佳收斂速度和解決方案精度。流動(dòng)和湍流、傳熱和相變、化學(xué)反應(yīng)和燃燒、多相流動(dòng)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、移動(dòng)/變形網(wǎng)格、噪聲、材料處理、燃料電池等領(lǐng)域廣泛使用的靈活非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)和成熟的物理模型。目前，與FLUENT配合使用效果最好的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格軟件是ICEMCFD。什么是Fluent？1fd軟件Fluent簡(jiǎn)介，1.2Fluent用戶界面(以15.0版為例)，1fd軟件Fluent簡(jiǎn)介，1.3Fluent軟件的發(fā)展歷史，1975年謝菲爾德大學(xué)(UK)在Tempest1983年創(chuàng)建了美國(guó)流體技術(shù)服務(wù)提供商cr

6、eature 2015年底分別介紹了14.0、15.0、16.0、1CFD軟件流量，1.4Fluent軟件的基本功能，可壓縮和不可壓縮流動(dòng)問(wèn)題的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)問(wèn)題的非粘性流動(dòng)、層流和湍流問(wèn)題牛頓流體和非牛頓流體對(duì)流換熱問(wèn)題(包括自然對(duì)流和混合對(duì)流)的熱和多運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中的流動(dòng)問(wèn)題化學(xué)成分混合和反應(yīng)可以處理熱、質(zhì)量、動(dòng)量和化學(xué)成分的源項(xiàng)，使用拉格朗日軌道模型處理稀疏相(粒子、水滴、氣泡等)多孔介質(zhì)流一維風(fēng)扇，計(jì)算熱開(kāi)關(guān)性能兩相流問(wèn)題復(fù)雜表面形狀中的自由表面流，1CFD軟件流動(dòng)簡(jiǎn)介，1.5流體使用圓柱描述符，如圖所示。氣泡來(lái)自底部inlet入口，氣泡來(lái)自outlet出口。幾何尺寸如圖所示?？梢允褂肍

7、luent的附加模型populationbalancemodel計(jì)算氣泡流的分裂和收斂。本示例將Euler多相流與PBM模型結(jié)合使用，以模擬流動(dòng)過(guò)程中氣泡的破壞和聚集。計(jì)算模型，2Fluent應(yīng)用領(lǐng)域結(jié)果概述，2.1Fluent模擬氣泡破碎和凝聚，計(jì)算后可以觀察氣泡粒度分布云圖像等，如圖左側(cè)所示。您還可以查看總體計(jì)算面積空間(右側(cè))的不同粒子大小氣泡數(shù)直方圖分布。粒度分布、不同粒度的氣泡數(shù)分布、2Fluent應(yīng)用程序結(jié)果概述、2.2Fluent模擬晃動(dòng)、實(shí)現(xiàn)原理是：(1)運(yùn)動(dòng)加載(2)VOF模型。這個(gè)非常簡(jiǎn)化的模型是完全封閉的。1、加載運(yùn)動(dòng)。使用UDF，使用DEFINE_TRANSIENT_P

8、ROFILE宏設(shè)置區(qū)域范圍的運(yùn)動(dòng)。2、選擇模型選擇VOF模型，空氣初級(jí)相，水兩相。結(jié)果，仿真結(jié)果，2Fluent應(yīng)用領(lǐng)域結(jié)果概述，2.3Fluent滑動(dòng)網(wǎng)格模擬區(qū)域運(yùn)動(dòng)，達(dá)到目標(biāo)：杯子里裝滿了水，現(xiàn)在繼續(xù)以1rad/s的速度將杯子傾斜1rad，觀察5s時(shí)鐘中水的變化。這包括(1)創(chuàng)建界面幾何模型。創(chuàng)建多個(gè)幾何體主要涉及每個(gè)模型網(wǎng)格的集合問(wèn)題。(2)區(qū)域運(yùn)動(dòng)的指定。在此示例中，主要指定運(yùn)動(dòng)區(qū)域的旋轉(zhuǎn)速度。旋轉(zhuǎn)中心和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)置很重要。(3)多相流的使用。在此示例中，使用VOF模型。計(jì)算結(jié)果概述了2Fluent應(yīng)用領(lǐng)域的結(jié)果，2.4隧道排放引起的CO擴(kuò)散，本例模擬了CO氣體從隧道中排出后的擴(kuò)散情

9、況。仿真結(jié)果，2Fluent應(yīng)用領(lǐng)域結(jié)果概述，2.5發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋冷卻的熱固耦合模擬，F(xiàn)luent可應(yīng)用于機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)汽油(柴油)的燃燒模擬，發(fā)動(dòng)機(jī)熱模擬等燃燒，熱交換熱對(duì)流區(qū)域。本示例模擬了發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的冷卻。仿真結(jié)果、模型網(wǎng)格劃分、2Fluent應(yīng)用領(lǐng)域結(jié)果概述、2.6橋梁抗風(fēng)、本例說(shuō)明了Fluent在建筑行業(yè)中的應(yīng)用，可應(yīng)用于建筑行業(yè)消防設(shè)計(jì)、建筑風(fēng)場(chǎng)指標(biāo)要求、建筑溫度要求等。下圖是模擬橋的抗風(fēng)模擬。2Fluent應(yīng)用領(lǐng)域結(jié)果概述、2.7推進(jìn)系統(tǒng)模擬柵格和壓力系數(shù)、引擎推進(jìn)系統(tǒng)的柵格和壓力系數(shù)分布云如下圖所示。模型的網(wǎng)格劃分，模型的壓力系數(shù)，介紹了3浮體在礦山安全中的應(yīng)用，3.1煤礦綜放工

10、作面高鉆孔瓦斯控制，3.1.1煤礦綜放工作面的幾何模型建立，將煤層形狀設(shè)置為水平分布，將采空區(qū)近似成三維矩形梯，風(fēng)巷、回風(fēng)巷和工作面作為長(zhǎng)方體大小為入口和返回車道縱橫比=20m 4 m4m。工作平面大小為橫豎高度=100m4m。Goaf大小為：縱橫比=150m 100m 80m裂縫場(chǎng)距煤層底板高度35米。巖石的膨脹系數(shù)取決于巖石的特性及其位置，為了獲得良好的模擬結(jié)果，將矩形梯子分成15個(gè)區(qū)域。模型顯示在下一頁(yè)。3.1煤礦綜放工作面高鉆孔瓦斯控制，3.1.1煤礦綜放工作面幾何模型的建立，未提取模型的三維圖，未提取模型的三維視角，介紹3浮體在礦山安全中的應(yīng)用，3.1煤礦綜放工作面高鉆孔瓦斯控制，3

11、.1.1煤礦綜放工作面幾何模型的建立，頂板仿真主要分析了高鉆孔影響下的氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而不考慮與工作面的鉆孔場(chǎng)距離。3.1煤礦綜放工作面高鉆孔瓦斯控制，3.1.2煤礦綜放工作面幾何模型網(wǎng)格劃分，未提取模型網(wǎng)格劃分圖，頂板高鉆孔排水模型網(wǎng)格劃分圖，模型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)和方法直接影響計(jì)算速度和結(jié)果，對(duì)模型其他區(qū)域進(jìn)行了模型劃分。未提取的模型劃分80552個(gè)節(jié)點(diǎn)，778794個(gè)柵格。采樣模型劃分21555737個(gè)節(jié)點(diǎn)，10627904個(gè)柵格。3.1煤礦綜放工作面高鉆孔瓦斯控制，3.1.3工作面采空區(qū)瓦斯分布數(shù)值模擬未排水條件下工作面三維瓦斯?jié)舛确植既缦聢D所示，工作面瓦斯?jié)舛确植既S，3Fluent

12、在礦山安全中的應(yīng)用，3.1煤礦綜放工作面高鉆孔瓦斯控制，3.1.3工作面采空區(qū)瓦斯分布數(shù)值工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植既S圖，礦山安全3.2采場(chǎng)爆破煙塵分布規(guī)律數(shù)值模擬，3.2.1采場(chǎng)爆破煙塵運(yùn)動(dòng)幾何模型，本文以采場(chǎng)幾何模型西石門鐵礦南2采區(qū)采場(chǎng)為研究對(duì)象，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和數(shù)值模擬的需要，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化的模型和大小如下：1)連接車道和引道橫斷面為寬度3.5米、高度3.2米的三中心拱，每條長(zhǎng)度11米、10米，連接車道一端連接坡道到入口側(cè)，另一端連接到回風(fēng)井。2)將采場(chǎng)工作面簡(jiǎn)化為水平漸進(jìn)采礦，忽略內(nèi)部空間的障礙物影響。3)道路、采場(chǎng)周圍的墻面、樓板和頂板簡(jiǎn)化為具有粗糙度的平面邊界。

13、模型顯示在下一頁(yè)。介紹了3Fluent在礦山安全中的應(yīng)用，3.2 stope爆破煙塵分布規(guī)律數(shù)值模擬，建立3.2.1 stope爆破煙塵移動(dòng)幾何模型，3.2 stope爆破煙塵分布規(guī)律數(shù)值模擬，3.2.2 stope爆破煙塵移動(dòng)幾何模型網(wǎng)格劃分，幾何模型網(wǎng)格劃分，示例適應(yīng)性強(qiáng)整個(gè)模型共有182232個(gè)柵格，最大柵格體積為0.749748m3，最小柵格體積為1.2527810-6m3，適用于柵格質(zhì)量。3Fluent在礦山安全中的應(yīng)用，3.2 stope爆破煙塵分布規(guī)律數(shù)值模擬，3.2.3 stope爆破煙塵運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬結(jié)果，stope的風(fēng)向分布可以視為穩(wěn)態(tài)通風(fēng)過(guò)程，計(jì)算過(guò)程中的迭代階段設(shè)置為5

14、00個(gè)階段。Stope blasting煤煙運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果殘差監(jiān)控圖，殘差監(jiān)控圖，3Fluent在礦山安全中的應(yīng)用簡(jiǎn)介，3.2 stope blasting煤煙分布規(guī)律數(shù)值模擬，3.2.3 stope blasting煤煙運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬結(jié)果，stope blasting運(yùn)動(dòng)模擬圖中顯示：1)大部分風(fēng)浪直接從車道流出，只有少量風(fēng)流流入入口，接近采礦面，風(fēng)速為0.12m/s左右，由于部分流入，坡道后面的年輪比擋風(fēng)玻璃風(fēng)速大，風(fēng)速為0.43m/s左右；(2)離出去的路較低的地方有很多風(fēng)，離進(jìn)來(lái)的風(fēng)較高的地方有風(fēng)，離采礦面不遠(yuǎn)的死角地區(qū)有近零的風(fēng)。3.3 goaf擱淺干冰在采礦安全中的數(shù)值模擬研究，物理模型，3Fluent在礦山安全中的應(yīng)用介紹，3.3 goaf擱淺干冰的數(shù)值模擬研究，數(shù)學(xué)模型：3Fluent在礦山安全中的應(yīng)用介紹，3.3 goaf擱淺干冰的數(shù)值模擬研究，goaf相關(guān)假設(shè)：采空區(qū)是由塌陷的矸石與煤殘留之間的空隙構(gòu)成的多孔介質(zhì)，矸石崩塌和煤分布的隨機(jī)性可以使采空區(qū)的多孔介質(zhì)幾乎被認(rèn)為是等同性的。2 .把采空區(qū)瓦斯視為理想的瓦斯、不可壓縮的瓦斯。煤巖中二氧化碳的