No Boundaries ANSYS/ FLOTRAN分析指南 第五章 FLOTRAN层流和湍流分析算例 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: 外壁面 过渡段 出口 进口 流体流动方向 内壁面 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(即増大雷诺数)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: D 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 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 进口段高度 过渡段长度 出口段高度 层流分析时出口段长度6m 湍流分析时出口段长度12 假设流体密度 I Ke/ 假设流体粘性 第一次分析001Kg/m-s:第二次分析0001Kg/m-s
No Boundaries ANSYS/FLOTRAN 分 析指 南 65 第五章 FLOTRAN 层流和湍流分析算例 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
No Boundaries ANSYS/ FLOTRAN分析指南 空气密度 1.205Kg/m 空气粘性 1.8135*10-5Kg/m 进口速度 2.0m/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> Preference 2点取 FLOTRAN CFD项 3点取OK 第3步:定义单元类型 Ii x Main Menu>Preprocessor> Element Type>Add/Edit/Delete 2点取Add 3在弹出菜单的左框中点取 FLOTRAN CFD,右框中点取2 DFLOTRAN141 4点取OK 5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 dimensions 2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1 3点取 Apply 4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12 Y1处输入0 Y2处输入2.5 5点取OK 6在工具栏( Toolbar)窗口中点取 SAVE DB 7 i X Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>Lines>Tan to 2 Lines 8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OK 9点取该线的右端点作为第一切点,再在点取菜单中点取OK 10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OK 11点取该线的左端点作为第二切点,再在点取菜单中点取OK 12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 3 it Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Areas-Arbitrary>Through KPs
No Boundaries ANSYS/FLOTRAN 分 析指 南 66 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>Preference 2 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/Delete 2 点取 Add 3 在弹出菜单的左框中点取 FLOTRAN CFD，右框中点取 2D FLOTRAN 141 4 点取 OK 5 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>-AreasRectangle>By Dimensions 2 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 1 3 点取 Apply 4 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 12 Y1 处输入 0 Y2 处输入 2.5 5 点取 OK 6 在工具栏（Toolbar）窗口中点取 SAVE_DB 7 进入 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>Lines>Tan to 2 Lines 8 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 OK 9 点取该线的右端点作为第一切点，再在点取菜单中点取 OK 10 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 OK 11 点取该线的左端点作为第二切点，再在点取菜单中点取 OK 12 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 KPs
No Boundaries ANSYS/ FLOTRAN分析指南 14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OK 16在工具栏窗口中点取 SAVE DB 第5步:定义单元形状 1 iE X Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesher Opts 2将 Midside node placement域改为 No midside nodes,点取OK 3在弹出菜单中点取 QuadOnly 4点取OK 5进入 Utility Menu> Plotlines 6 itX Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>-Lines->Picked Lines 7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 Apply 9在弹出菜单的No. of element divisions域中输入12 10在弹出菜单的 Spacing ratio域中输入-2 1点取 Apply 12点取过渡区(中间面)的上下两条线,并点取Aply 13在弹出菜单的No. of element divisions域中输入9 14在弹出菜单的 Spacing ratio域中输入1 15点取 Apply 16点取出口区(右侧矩形面)的上面一条直线,并点取 apply 17在弹出菜单的No. of element divisions域中输入13并在 Spacing ratio域中输入04 18点取Aply 9点取出口区(右侧矩形面)的下面一条直线,并点取 Apply 20在弹出菜单的 Spacing ratio域中输入25 21点取 Apply 22点取剩下的四条垂线,并点取OK 23在弹出菜单的No. of element divisions域中输入10并在 Spacing ratio域中输入2 24点取OK 25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>Free 2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 curls> Edit toolbar 2在弹出菜单中的*ABBR后输入nsl,nsl,1 3点取 Accept 4在弹出菜单中的*ABBR后输入tri,riad,off 5点取 Accept,然后点取 Close 6在工具栏中点取刚生成好的TRI按钮,之后进入 Utility Menu>Plot> Replot,此
No Boundaries ANSYS/FLOTRAN 分 析指 南 67 14 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 OK 16 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 Opts 2 将 Midside node placement 域改为 No Midside nodes，点取 OK 3 在弹出菜单中点取 QuadOnly 4 点取 OK 5 进入 Utility Menu>Plot>Lines 6 进入 Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>-Lines->Picked Lines 7 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 Apply 9 在弹出菜单的 No. of element divisions 域中输入 12 10 在弹出菜单的 Spacing ratio 域中输入-2 11 点取 Apply 12 点取过渡区（中间面）的上下两条线，并点取 Apply 13 在弹出菜单的 No. of element divisions 域中输入 9 14 在弹出菜单的 Spacing ratio 域中输入 1 15 点取 Apply 16 点取出口区（右侧矩形面）的上面一条直线，并点取 Apply 17 在弹出菜单的 No. of element divisions 域中输入 13 并在 Spacing ratio 域中输入 0.4 18 点取 Apply 19 点取出口区（右侧矩形面）的下面一条直线，并点取 Apply 20 在弹出菜单的 Spacing ratio 域中输入 2.5 21 点取 Apply 22 点取剩下的四条垂线，并点取 OK 23 在弹出菜单的 No. of element divisions 域中输入 10 并在 Spacing ratio 域中输入-2 24 点取 OK 25 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>Free 2 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 Toolbar 2 在弹出菜单中的*ABBR 后输入 ns1,nsll,,1 3 点取 Accept 4 在弹出菜单中的*ABBR 后输入 tri,/triad,off 5 点取 Accept，然后点取 Close 6 在工具栏中点取刚生成好的 TRI 按钮，之后进入 Utility Menu>Plot>Replot，此
No Boundaries ANSYS/ FLOTRAN分析指南 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> Nodes 2进入 U tility menu> Select> Entities 3在弹出菜单中选择“ Nodes”和“ By Num/Pick”,并点取OK 4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OK 7 iEA Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Apply>-Fluid/CFD->Velocity> Dn node 8点取 Pick all 9在弹出菜单的VX域输入2,VY域输入0 10点取OK 11进入 Utility menu> Plot lines 12进入 Utility Menu> SelectEntities 13在弹出菜单中选择“ Lines”和“ By Num/Pick”,之后点取OK 4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OK 5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> Nodes 17 iA Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Apply>-Fluid/CFD->Velocity> On nodes 18点取 Pick all 19在弹出菜单的ⅤX域和Y域都输入0 20点取OK 21进入 Utility Menu> Select everything,然后再进入 Utility Menu>Plot> Nodes 22进入 Main menu> Preprocessor> Loads-> Loads> Apply> Fluid/cFD→> Pressure dof>On nodes 23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OK 26进入 Utility Menu> Select> Everything 27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 iA Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp> Fluid Properties 2将弹出菜单的“ Density”域设为“ Constant”,点取OK 3将恒值密度设为10,恒值粘性设为001 4点取OK 5 ittX Main Menu>Solution>FLOTRAN SetU p>Execution Control 6在弹出菜单的“ Global iterations”域输入20 7点取OK
No Boundaries ANSYS/FLOTRAN 分 析指 南 68 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>Nodes 2 进入 Utility Menu>Select>Entities 3 在弹出菜单中选择“Nodes”和“By Num/Pick”，并点取 OK 4 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 OK 7 进入 Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Apply>-Fluid/CFD->Velocity> On Nodes 8 点取 Pick All 9 在弹出菜单的 VX 域输入 2，VY 域输入 0 10 点取 OK 11 进入 Utility Menu>Plot>Lines 12 进入 Utility Menu>Select>Entities 13 在弹出菜单中选择“Lines”和“By Num/Pick”，之后点取 OK 14 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 OK 15 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>Nodes 17 进入 Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Apply>-Fluid/CFD->Velocity> On Nodes 18 点取 Pick All 19 在弹出菜单的 VX 域和 VY 域都输入 0 20 点取 OK 21 进入 Utility Menu>Select>Everything，然后再进入 Utility Menu>Plot>Nodes 22 进入 Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Apply>-Fluid/CFD-> Pressure DOF>On Nodes 23 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 OK 26 进入 Utility Menu>Select>Everything 27 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 Properties 2 将弹出菜单的“Density”域设为“Constant”，点取 OK 3 将恒值密度设为 1.0，恒值粘性设为 0.01 4 点取 OK 5 进入 Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Execution Control 6 在弹出菜单的“Global iterations”域输入 20 7 点取 OK
No Boundaries ANSYS/ FLOTRAN分析指南 8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 iX Main Menu>General Postproc>-Read Results->Last Set 2进入 Main menu> General Postproc> Plot resultsⅤ ector plot predifined 3在弹出菜单中选择“ DOF Solution”和“ Velocity V” 4点取OK 5进入 U tility menu> Plotctrls> Device Options 6将向量模式( vector mode( wire frame)设为“ON”,之后点取OK 7 ifX Utility Menu>PlotCtrls>Style>Edge Options 8在弹出菜单的“ Edge tolerance angle”域输入1 9将“ Element Outline for non-contour/contour plots”域设为“ Edge only/Al” 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。 ittA Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Fluid Properties 2点取OK 3将粘性值改为0.001 4点取OK 5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0001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 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> Fud/CFD> Pressure DOF> On nodes,并在弹出菜单中选择“ Pick all” iEA Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas->Rectangle>By 3输入下面的座标值 X1处输入12 X2处输入24 Yl处输入0 Y2处输入25 4点取OK 5融合关键点,进入 Main menu> Preprocessor> Numbering Ctrl> Merge items 6将弹出菜单的“ Type of item to merge”域设为“AI",然后点取OK,忽略随 后弹出的警告信息 7进入 Utility Menu> Plotlines
No Boundaries ANSYS/FLOTRAN 分 析指 南 69 8 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 Set 2 进入 Main Menu>General Postproc>Plot Results>Vector Plot>Predifined 3 在弹出菜单中选择“DOF solution”和“Velocity V” 4 点取 OK 5 进入 Utility Menu>PlotCtrls>Device Options 6 将向量模式(vector mode (wire frame))设为“ON”，之后点取 OK 7 进入 Utility Menu>PlotCtrls>Style>Edge Options 8 在弹出菜单的“Edge tolerance angle”域输入 1 9 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 Properties 2 点取 OK 3 将粘性值改为 0.001 4 点取 OK 5 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>By Dimensions 3 输入下面的座标值： X1 处输入 12 X2 处输入 24 Y1 处输入 0 Y2 处输入 2.5 4 点取 OK 5 融合关键点，进入 Main Menu>Preprocessor>Numbering Ctrls>Merge Items 6 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