No Boundaries ANSYS/ FLOTRAN分析指南 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 FLUID141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髙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
No Boundaries ANSYS/FLOTRA N分 析 指南 1 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
No Boundaries ANSYS/ FLOTRAN分析指南 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
No Boundaries ANSYS/FLOTRA N分 析 指南 2 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
No Boundaries ANSYS/ FLOTRAN分析指南 第二章 FLOTRAN分析基础 FLOTRAN单元的特点 ANSYS中的 FLOTRAN单元,即 FLUID141和HUID142,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 FLUID I42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 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(swil)选项即可算出垂直于对称平面的速
No Boundaries ANSYS/FLOTRA N分 析 指南 3 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
No Boundaries ANSYS/ FLOTRAN分析指南 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的某些特征和命令,至少,要注 意到在使用 FLOTRAN单元时与别的分析稍微有些不同,当使用了无效的命令时,程 序会给出相应的警告或错误信息。使用 FLOTRAN单元要注意如下几点(下面所列命 令相应的菜单路径请参见 ANSYS命令手册或联机帮助中的“ Commands and Their Location in the gui” FLOTRAN单元不能和其他单元联合使用 节点坐标系必须与总体坐标系一致。 / CLEAR命令并不破坏业已存在的 FLOTRAN结果文件( Jobname RFL),这有 助于防止用户不小心破坏那些花了很多时间和精力才求得的结果,用户必须 在操作系统里才能删除那些无用的结果文件, ·CP命令通过对自由度进行耦合来形成周期边界条件, ANSYS命令手册对CP 命令的描述是可以只对某些自由度进行耦合,但作 FLOTRAN分析时,周期边 界的所有自由度都将被耦合。 用户不能对同一个单元中的节点进行耦合,相邻单元间节点耦合也很困难 ADAPT命令不适用于 FLOTRAN分析 不能用 ANTYPE命令来引入 FLOTRAN的瞬态分析。 FLOTRAN分析不支持自动时间步长功能,详见 FLOTRAN瞬态分析”。 如果用户通过 BFCUM、 BFDELE或 BFUNIF来定义节点热源,则 ANSYS 会在内部用BFE命令来代替 ·不能使用 LDREAD FORO命令来电磁载荷转换到 FLOTRAN分析中,而必须 使用相应的宏来进行转换。 FLOTRAN分析不能使用CE、 CECMOD、 CEDELE和 DEINTE命令。 FLOTRAN分析不能使用CNⅴTOL命令来设置收敛容差 不能用DSYM命令来定义 FLOTRAN的对称和反对称边界条件。 FLOTRAN不支持旋转坐标系中的角加速度向量。 在 FLOTRAN分析中,使用 FLDATA4ME命令而不是 DELTIM命令来定 义一个载荷步的时间 ·对于 FLOTRAN分析,不能使用 DESOL命令或 PRESOL命令来修改节点的 热(HEAT)、流(FLOW)、或流密(FLUX)结果。 FLOTRAN分析不允许将积分点结果外推到节点上( ERESX命令)
No Boundaries ANSYS/FLOTRA N分 析 指南 4 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 的某些特征和命令，至少，要注 意到在使用 FLOTRAN 单元时与别的分析稍微有些不同，当使用了无效的命令时，程 序会给出相应的警告或错误信息。使用 FLOTRAN 单元要注意如下几点（下面所列命 令相应的菜单路径请参见 ANSYS 命令手册或联机帮助中的“Commands and Their Location in the GUI” • FLOTRAN 单元不能和其他单元联合使用。 • 节点坐标系必须与总体坐标系一致。 • /CLEAR 命令并不破坏业已存在的 FLOTRAN 结果文件（Jobname.RFL），这 有 助于防止用户不小心破坏那些花了很多时间和精力才求得的结果，用户必 须 在操作系统里才能删除那些无用的结果文件。 • CP 命令通过对自由度进行耦合来形成周期边界条件，ANSYS 命令手册对 CP 命令的描述是可以只对某些自由度进行耦合，但作 FLOTRAN 分析时，周期 边 界的所有自由度都将被耦合。 用户不能对同一个单元中的节点进行耦合，相邻单元间节点耦合也很困难。 • ADAPT 命令不适用于 FLOTRAN 分析。 • 不能用 ANTYPE 命令来引入 FLOTRAN 的瞬态分析。 • FLOTRAN 分析不支持自动时间步长功能，详见“FLOTRAN 瞬态分析”。 • 如果用户通过 BFCUM、BFDELE 或 BFUNIF 来定义节点热源，则 ANSYS 会 在内部用 BFE 命令来代替。 • 不能使用 LDREAD,FORC 命令来电磁载荷转换到 FLOTRAN 分析中，而必须 使用相应的宏来进行转换。 • FLOTRAN 分析不能使用 CE、CECMOD、CEDELE 和 DEINTF 命令。 • FLOTRAN 分析不能使用 CNVTOL 命令来设置收敛容差。 • 不能用 DSYM 命令来定义 FLOTRAN 的对称和反对称边界条件。 • FLOTRAN 不支持旋转坐标系中的角加速度向量。 • 在 FLOTRAN 分析中，使用 FLDATA4,TIME 命令而不是 DELTIM 命令来定 义 一个载荷步的时间。 • 对于 FLOTRAN 分析，不能使用 DESOL 命令或 PRESOL 命令来修改节点的 热 （HEAT）、流（FLOW）、或流密（FLUX）结果。 • FLOTRAN 分析不允许将积分点结果外推到节点上（ERESX 命令）
No Boundaries ANSYS/ FLOTRAN分析指南 FLOTRAN分析不允许通过镜象操作来形成单元 FLOTRAN分析不能用KBC命令来施加渐变载荷,而必须用多个载荷步来逐 渐改变载荷。 FLOTRAN分析不允许用 LCCALO、 LCDEF、LCFA、LCFI等命令来作不同 载荷状况之间的运算操作。 NCNV命令中的收敛工具不能用于 FLOTRAN中相互独立的求解器。 FLOTRAN分析不允许用 NEQUIT命令来定义非线性分析的平衡迭代数 FLOTRAN分析要求节点坐标系必须是总体的卡尔坐标系,故不能用N命令 NMODIF命令、和 NROTAT命令的旋转( rotational)域。 LOTRAN分析中, FLDATA2,IER命令和 FLDATA4,TME命令用来控制一 个载荷步中的总体迭代数。 FLOTRAN分析不允许用户自定义单元。 FLOTRAN分析中, FLDATA2ER命令和 FLDATA4,E命令用来对写入 数据库中的结果进行控制。 PRNLD命令不能用于 FLOTRAN分析中,因其不能将边界条件作为可打印的 单元节点载荷来保存。 FLOTRAN分析中没有节点反力解。 部分和预定义求解选项(PSOLⅤE命令定义)不适用于 FLOTRAN各自独立的 求解器。 TIME命令不能用在 FLOTRAN分析中。 FLOTRAN用 FLDATAI,SOLU命令而不是 TIMINT命令来定义瞬态载荷步, FLOTRAN用 FLDATA4TME命令而非 TRNOPT命令来定义瞬态分析选项。 FLOTRAN分析的主要步骤 个典型的 FLOTRAN分析有如下七个主要步骤 确定问题的区域。 2.确定流体的状态。 3.生成有限元网格 4.施加边界条件。 5.设置 FLOTRAN分析参数。 6.求解。 7.检查结果。 第一步:确定问题的区域 用户必须确定所分析问题的明确的范围,将问题的边界设置在条件已知的地方, 如果并不知道精确的边界条件而必须作假定时,就不要将分析的边界设在靠近感兴趣 区域的地方,也不要将边界设在求解变量变化梯度大的地方。有时,也许用户并不知 道自己的问题中哪个地方梯度变化最大,这就要先作一个试探性的分析,然后再根据 结果来修改分析区域。这些在后面章节中都有详述。 第二步:确定流体的状态 用户在此需要估计流体的特征,流体的特征是流体性质、几何边界以及流场的速
No Boundaries ANSYS/FLOTRA N分 析 指南 5 • FLOTRAN 分析不允许通过镜象操作来形成单元。 • FLOTRAN 分析不能用 KBC 命令来施加渐变载荷，而必须用多个载荷步来逐 渐改变载荷。 • FLOTRAN 分析不允许用 LCCALC、LCDEF、LCFA、LCFI 等命令来作不同 载荷状况之间的运算操作。 • NCNV 命令中的收敛工具不能用于 FLOTRAN 中相互独立的求解器。 • FLOTRAN 分析不允许用 NEQUIT 命令来定义非线性分析的平衡迭代数。 • FLOTRAN 分析要求节点坐标系必须是总体的卡尔坐标系，故不能用 N 命令、 NMODIF 命令、和 NROTAT 命令的旋转（rotational）域。 • FLOTRAN 分析中，FLDATA2,ITER 命令和 FLDATA4,TIME 命令用来控制一 个载荷步中的总体迭代数。 • FLOTRAN 分析不允许用户自定义单元。 • FLOTRAN 分析中，FLDATA2,ITER 命令和 FLDATA4,TIME 命令用来对写入 数据库中的结果进行控制。 • PRNLD 命令不能用于 FLOTRAN 分析中，因其不能将边界条件作为可打印的 单元节点载荷来保存。 • FLOTRAN 分析中没有节点反力解。 • 部分和预定义求解选项（PSOLVE 命令定义）不适用于 FLOTRAN 各自独立 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 命令来定义瞬态载荷 步。 • FLOTRAN 用 FLDATA4,TIME 命令而非 TRNOPT 命令来定义瞬态分析选项。 FLOTRAN 分析的主要步骤 一个典型的 FLOTRAN 分析有如下七个主要步骤： 1. 确定问题的区域。 2. 确定流体的状态。 3. 生成有限元网格。 4. 施加边界条件。 5. 设置 FLOTRAN 分析参数。 6. 求解。 7. 检查结果。 第一步：确定问题的区域 用户必须确定所分析问题的明确的范围，将问题的边界设置在条件已知的地方， 如果并不知道精确的边界条件而必须作假定时，就不要将分析的边界设在靠近感兴趣 区域的地方，也不要将边界设在求解变量变化梯度大的地方。有时，也许用户并不知 道自己的问题中哪个地方梯度变化最大，这就要先作一个试探性的分析，然后再根据 结果来修改分析区域。这些在后面章节中都有详述。 第二步：确定流体的状态 用户在此需要估计流体的特征，流体的特征是流体性质、几何边界以及流场的速