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发信人: ysc (bajie), 信区: Math
标  题: 《ANSYS/FLOTRAN分析指南》 -V-
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Oct 22 08:58:54 2000), 转信

发信人: mikie (秃笔米恺), 信区: MathTools       
发信站: BBS 水木清华站 (Wed Oct 18 20:34:35 2000)

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
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>-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 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
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
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
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
第13步：对新的出口区划分网格
1 进入Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>-Lines->Picked Lines
2 点取新的出口区的最右侧的一条垂线，并点取OK
3 在弹出菜单的No. of element divisions域中输入10
4 在弹出菜单的Spacing ratio域中输入-2
5 点取Apply
6 点取新出口区的上下两条线
7 点取OK
8 在弹出菜单的No. of element divisions域中输入20并在Spacing ratio域中输入1
9 点取OK，并在工具栏中点取SAVE-DB
10 进入Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>Areas>Free
11 点取新的出口区，并点取OK
12 进入Utility Menu>Plot>Nodes，图形显示节点
第14步：施加湍流分析的载荷
1 进入Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Apply>-Fluid/CFD->Velocity>
 On Nodes
2 在弹出的选择菜单中选择“Box”
3 按住鼠标左键，在还未施加边界条件的上壁面节点周围拉出一个矩形框，然后在
还未施加边界条件的下壁面节点周围拉出一个矩形框
4 点取OK
5 在弹出菜单的VX域和VY域都输入0
6 点取OK
7 进入Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Apply>-Fluid/CFD->
 Pressure DOF>On Nodes
8 在弹出的选择菜单中选择“Box”
9 在新的模型右侧出口边的所有节点周围拉出一个方框
10 点取OK
11 在弹出菜单中将压力值设为零
12 点取OK
第15步：改变FLOTRAN分析选项和流体性质
1 进入Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Solution Options
2 将弹出菜单的“Laminar or turbulent”域设为“Turbulent”
3 点取OK
4 进入Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Execution Control
5 在弹出菜单的“Global iterations”域输入60
6  点取OK
7 进入Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Fluid Properties
8 将弹出菜单的“Density”域设为“AIR”
9 点取OK
10 确认所用的流体性质是AIR，并点取OK
第16步：进行求解
1 进入Utility Menu>File>Chang Jobname
2 在弹出的警告信息菜单中点取Close
3 在弹出的修改工作名的菜单中输入“turb”作为新的工作名
4 点取OK
5 进入Main Menu>Solution>Run FLOTRAN，开始进行求解
第17步：将流体速度结果以向量图和路径图的方式进行显示
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>Plot>Nodes，图形显示节点
6 进入Main Menu>General Postproc>Path Operations>Define Path>By Nodes
7 在图形窗口中，分别点取出口边的下面和上面两个节点
8 点取OK，在弹出菜单的“Define Path Name”域中输入“path1”作为该路径
的名字，点取OK，并关闭随后弹出的信息菜单
9 进入Main Menu>General Postproc>Path Operations>Map Onto Path
10 在弹出菜单的“Lable”域输入“Velocity”
11 在“Item to be mapped”域选择“DOF solution”和“Velocity VX”
12 点取OK
13 进入Main Menu>General Postproc>Path Operations>-Plot Path Item->
 On Graph
14 选择“Velocity”标号
15 点取OK，该路径图显示出流场还是没有得到充分发展
18 绘制压力等值线图
1 进入Utility Menu>PlotCtrls>Style>Contours>Uniform Contours
2 将“Number of contours”域设为25
3 点取OK
4 进入Main Menu>General Postproc>Plot Results>-Contour Plot->Nodal Solu
5 在弹出菜单中，选择“DOF solution”和“Pressure PRES”
6 点取OK，ANSYS将显示出压力等值线图
19 退出ANSYS
1 点取工具栏中的“QUIT”按钮，在弹出菜单中随意点取一项
2 点取OK

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      使生如夏花之绚烂，
        死如秋叶之静美！


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