【fluent软件学习】计算流体力学软件Fluent培训共66页
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度为0，则这样的流体称为理想 流体。
• 在工程中，一般在边界层（靠近壁面）以外 的区域，将实际流体近似成理想流体，带来 的误差很小。
• 为什么要提出理想流体？
– 简化计算。 – 在数学上有很多成熟的、严格的解决理想流体运
动（势流）的方法。
11
理想气体方程式
• 理想气体方程式
学习目的
对计算流体力学原理有初步了解。 能够使用商用流体力学计算软件Fluent进
行简单地计算。 为后续采用Fluent解决工业中实际问题打
下基础。
1
• 什么是Fluent？
– Fluent是一款计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)软件。
• 如何学习Fluent？
PV=nRT
P：压力；V：体积；T：温度(K) n: 气体的摩尔量；R:气体常数 • 幸运的是，在工程应用范围内，实际气体采用理想
气体方程式进行近似可以达到足够的精度。
12
流体运动的描述方法
• 拉格朗日法 • 欧拉法。
13
拉格朗日法
• 该方法着眼于流体内部各质点的运动情况，描述 流体的运动形态。
20
三大守恒定律
• 三大守恒定律指的是：质量守恒、动量守恒和能量守恒定 律。
• 是流体力学的基础，事实上，只要能够得到满足这三个守 恒定律的解，就可以求解任何流体力学问题。
• 直接数值模拟（DNS）即是对这三个守恒定律的直接离散 求解，不依赖任何物理模型。
• 为何要有这么多理论模型（如边界层、湍流、层流）？
• 连续介质假设
– 连续介质假设认为真实流体所占有的空间可近似看作由“流体 质点”连续地无空隙地充满着。
– 换一句话说，就是在我们感兴趣的微小尺度内，都包含着无数 个流体分子。
• 局限性
– 当特征尺寸远大于分子间隙时，可以认为满足连续介质假设。 实际上，在一般的工程问题上，均可以满足。
– 当压力很低的稀薄气体中，分子间距很大，能与感兴趣的特征 尺度相比拟。此时，传统的流体力学理论就不适用，必须使用 统计力学的方法。
7
流体的主要物理性质
• 压缩性
– 单位压力下，流体的密度（或体积）的变化率
– 其中，K为体积模量 – 通常，液体的K非常大，例如常温下水的K为
2×109Pa，当体积减少0.1%时，需要加压2MPa。 因此，工程上可近似水等液体是不可压缩的。 – 液体容易被压缩，近似满足理想气体方程
8
流体的主要物理性质
• 粘度
• 流体内摩擦应力 的大小与流体的 速度梯度成正比
• 持续变形的流体 才能抵抗一定的 剪切力！
9
流体的主要物理性质
• 粘度
• μ：动力粘度系数 • 当流体的μ为常数时，称为牛顿流体。 • 主要受温度影响，基本不受压力影响。 • 一般，液体（如水煤浆、重油）的粘度随温
度的升高而降低；气体的粘度随温度的升高 而升高。
• 任意流体质点的空间位置，将是质点的起始坐标 (a,b,c) 以及时间t的单值连续函数。
• 采用拉格朗日法时，速度和加速度只需对r进行求 导即可，比较方便。
14
欧拉法
• 欧拉法不是着眼于个别流体质点的运动，而是着 眼于整个流场的状态，即研究表征流场内流体流 动特性的各种物理量的矢量场与标量场。
• 区别
– 第1项：固定点上的流体质点的加速度，称当地加速度 local acceleration，或者unsteady acceleration 。
– 第2～4项：由于流体运动空间位置发生变化产生的加
速度，又称迁移加速度（对流加速度，conversion
acceleration）
17
定常流动与非定常流动
1. 掌握流体力学、传质传热和化学反应动力学 等基础知识。
2. 了解CFD中使用的数值计算方法。 3. 了解Fluent中各个数值模型的适用范围及各参
数含义。 4. 接下来，可以尝试使用Fluent进行计算了！
2
交流学习的安排
第一讲 流体力学基础、传热学基础 第二讲 燃烧学，计算流体力学基础 第三讲 Fluent介绍 第四讲 Fluent应用实例（1） 第五讲 Fluent应用实例（2）
• 定常流动
– 流场内的流动情况不随时间变化而变化。 – 工程中绝大部分稳定运行的可采用定常流动来描述。
如：锅炉燃烧、风机运行、化工过程…
• 非定常流动
– 流场内的流动情况随时间变化而变化。 – 一般研究瞬态过程时，需要考虑为非定常流动。如锅
炉点火过程、风机启动等。
18
伯努利方程
• 适用条件
– 理想流体；不可压缩；定常流动；质量力仅为重力。 – 沿流线方向积分（只有同在流线上的点，才能用伯努
– 静止时，不能抵抗任何剪切力，在剪切 力的作用下，会一直发生变形，直到剪 切力消失。
剪切力示意图
5
流体分类
• 液体
– 不能维持自身形状，但能够维持自身体积。 – 不易被压缩。
• 气体
– 不但不能维持自身形状，而且不能维持自身体积。 – 容易被压缩。
6
连续介质假设
• 实际流体
– 是由无数个分子构成，分子与分子间存在间隙，且处于不停的 运动中，因此实际流体是不连续的。
3
交流学习的安排
第一讲 流体力学基础、传热学基础 第二讲 燃烧学，计算流体力学基础 第三讲 Fluent介绍 第四讲 Fluent应用实例（1） 第五讲 Fluent应用实例（2）
4
什么是流体（Fluid）？
• 固体
– 在静止状态下，能够抵抗一定的压力、 拉力和剪切力。
• 流体
– 在静止状态下，能够抵抗一定的压力。
利方程表示）
19
伯努利方程
• 第一项：U2/2g：称为动压头。 • 第二项：P/ρg+z：称为静压头 • 两者之和：H0：称为总压（total pressure） • 物理意义：在流线中的各点，动压和静压之间可
以相互转化，速度越大，相应的静压越小，而总 压保持守恒。 • 是毕托管等测速装置的原理。
– 拉格朗日法：将坐标原点建立在流体质点上，随流体 质点运动。
– 欧拉法：将坐标原理建立在流场中，坐标系不再随流 体质点的运动而运动。
• 在流体力学中的应用更为广泛。
15
欧拉法
16
欧拉法
• 欧拉法中，对加速度的求解与拉格朗日法不同。 • 由于坐标不再在流体质点上，因此对加速度必须
采用全导数的方法求得，又称物质导数 。 • 以x坐标为例：
• 在工程中，一般在边界层（靠近壁面）以外 的区域，将实际流体近似成理想流体，带来 的误差很小。
• 为什么要提出理想流体？
– 简化计算。 – 在数学上有很多成熟的、严格的解决理想流体运
动（势流）的方法。
11
理想气体方程式
• 理想气体方程式
学习目的
对计算流体力学原理有初步了解。 能够使用商用流体力学计算软件Fluent进
行简单地计算。 为后续采用Fluent解决工业中实际问题打
下基础。
1
• 什么是Fluent？
– Fluent是一款计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)软件。
• 如何学习Fluent？
PV=nRT
P：压力；V：体积；T：温度(K) n: 气体的摩尔量；R:气体常数 • 幸运的是，在工程应用范围内，实际气体采用理想
气体方程式进行近似可以达到足够的精度。
12
流体运动的描述方法
• 拉格朗日法 • 欧拉法。
13
拉格朗日法
• 该方法着眼于流体内部各质点的运动情况，描述 流体的运动形态。
20
三大守恒定律
• 三大守恒定律指的是：质量守恒、动量守恒和能量守恒定 律。
• 是流体力学的基础，事实上，只要能够得到满足这三个守 恒定律的解，就可以求解任何流体力学问题。
• 直接数值模拟（DNS）即是对这三个守恒定律的直接离散 求解，不依赖任何物理模型。
• 为何要有这么多理论模型（如边界层、湍流、层流）？
• 连续介质假设
– 连续介质假设认为真实流体所占有的空间可近似看作由“流体 质点”连续地无空隙地充满着。
– 换一句话说，就是在我们感兴趣的微小尺度内，都包含着无数 个流体分子。
• 局限性
– 当特征尺寸远大于分子间隙时，可以认为满足连续介质假设。 实际上，在一般的工程问题上，均可以满足。
– 当压力很低的稀薄气体中，分子间距很大，能与感兴趣的特征 尺度相比拟。此时，传统的流体力学理论就不适用，必须使用 统计力学的方法。
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流体的主要物理性质
• 压缩性
– 单位压力下，流体的密度（或体积）的变化率
– 其中，K为体积模量 – 通常，液体的K非常大，例如常温下水的K为
2×109Pa，当体积减少0.1%时，需要加压2MPa。 因此，工程上可近似水等液体是不可压缩的。 – 液体容易被压缩，近似满足理想气体方程
8
流体的主要物理性质
• 粘度
• 流体内摩擦应力 的大小与流体的 速度梯度成正比
• 持续变形的流体 才能抵抗一定的 剪切力！
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流体的主要物理性质
• 粘度
• μ：动力粘度系数 • 当流体的μ为常数时，称为牛顿流体。 • 主要受温度影响，基本不受压力影响。 • 一般，液体（如水煤浆、重油）的粘度随温
度的升高而降低；气体的粘度随温度的升高 而升高。
• 任意流体质点的空间位置，将是质点的起始坐标 (a,b,c) 以及时间t的单值连续函数。
• 采用拉格朗日法时，速度和加速度只需对r进行求 导即可，比较方便。
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欧拉法
• 欧拉法不是着眼于个别流体质点的运动，而是着 眼于整个流场的状态，即研究表征流场内流体流 动特性的各种物理量的矢量场与标量场。
• 区别
– 第1项：固定点上的流体质点的加速度，称当地加速度 local acceleration，或者unsteady acceleration 。
– 第2～4项：由于流体运动空间位置发生变化产生的加
速度，又称迁移加速度（对流加速度，conversion
acceleration）
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定常流动与非定常流动
1. 掌握流体力学、传质传热和化学反应动力学 等基础知识。
2. 了解CFD中使用的数值计算方法。 3. 了解Fluent中各个数值模型的适用范围及各参
数含义。 4. 接下来，可以尝试使用Fluent进行计算了！
2
交流学习的安排
第一讲 流体力学基础、传热学基础 第二讲 燃烧学，计算流体力学基础 第三讲 Fluent介绍 第四讲 Fluent应用实例（1） 第五讲 Fluent应用实例（2）
• 定常流动
– 流场内的流动情况不随时间变化而变化。 – 工程中绝大部分稳定运行的可采用定常流动来描述。
如：锅炉燃烧、风机运行、化工过程…
• 非定常流动
– 流场内的流动情况随时间变化而变化。 – 一般研究瞬态过程时，需要考虑为非定常流动。如锅
炉点火过程、风机启动等。
18
伯努利方程
• 适用条件
– 理想流体；不可压缩；定常流动；质量力仅为重力。 – 沿流线方向积分（只有同在流线上的点，才能用伯努
– 静止时，不能抵抗任何剪切力，在剪切 力的作用下，会一直发生变形，直到剪 切力消失。
剪切力示意图
5
流体分类
• 液体
– 不能维持自身形状，但能够维持自身体积。 – 不易被压缩。
• 气体
– 不但不能维持自身形状，而且不能维持自身体积。 – 容易被压缩。
6
连续介质假设
• 实际流体
– 是由无数个分子构成，分子与分子间存在间隙，且处于不停的 运动中，因此实际流体是不连续的。
3
交流学习的安排
第一讲 流体力学基础、传热学基础 第二讲 燃烧学，计算流体力学基础 第三讲 Fluent介绍 第四讲 Fluent应用实例（1） 第五讲 Fluent应用实例（2）
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什么是流体（Fluid）？
• 固体
– 在静止状态下，能够抵抗一定的压力、 拉力和剪切力。
• 流体
– 在静止状态下，能够抵抗一定的压力。
利方程表示）
19
伯努利方程
• 第一项：U2/2g：称为动压头。 • 第二项：P/ρg+z：称为静压头 • 两者之和：H0：称为总压（total pressure） • 物理意义：在流线中的各点，动压和静压之间可
以相互转化，速度越大，相应的静压越小，而总 压保持守恒。 • 是毕托管等测速装置的原理。
– 拉格朗日法：将坐标原点建立在流体质点上，随流体 质点运动。
– 欧拉法：将坐标原理建立在流场中，坐标系不再随流 体质点的运动而运动。
• 在流体力学中的应用更为广泛。
15
欧拉法
16
欧拉法
• 欧拉法中，对加速度的求解与拉格朗日法不同。 • 由于坐标不再在流体质点上，因此对加速度必须
采用全导数的方法求得，又称物质导数 。 • 以x坐标为例：