ANSYS Fluent在计算流体力学中的多元应用探索

目前计算流体力学（CFD）技术在各个行业中的应用日趋广泛。许多工程问题将越来越多地借助计算机进行模拟、计算及预测。ANSYS FLUENT是目前全球领先的商用CFD 软件，市场占有率达70%左右，是工程师和研究者不可多得的有力工具。

为了能够熟练使用该工具，往往需要经过大量系统的学习，掌握从建模、网格划分，到求解器数值模型设定等一系列知识，入门过程比较漫长。由浅入深，一步一步讲解，尤其通过多个典型实际工程案例的手把手上机指导，大大缩短Fluent软件的学习周期，能够迅速入门，并将其作为熟悉的工具进行使用。

目标

1、掌握CFD解决工程问题的工作流程；

2、掌握高质量网格划分的方法；

3、掌握流动和传热的模拟方法；

4、掌握流体机械的模拟方法；

5、掌握化学反应/燃烧的模拟方法；

6、能够将Fluent作为熟悉的工具，帮助产品研发及科研；

专家

张光学（教授），中国计量大学能源与动力工程系系主任、澳大利亚阿德莱德大学访问学者。主要从事计算流体力学CFD、声波团聚技术、燃料的高效清洁利用、大气污染物排放与控制、工程气固多相流动等方面的研究。主持国家自然科学基金2项、国家重点研发计划子课题1项、浙江省自然科学基金2项、省部级及企业横向课题共六十余项，获浙江省自然科学学术奖、浙江省质量技术监督科学技术进步奖。是中国微米纳米技术学会高级会员、浙江省工程热物理学会会员。获国家专利11项，其中发明专利6项。发表论文70余篇，其中在Chemical Engineering Journal、Journal of Hazardous Materials、Chemical Engineering Science、Applied Mathematical Modelling、Energy & Fuels 及Powder Technology等国际知名期刊发表SCI论文16篇，EI收录18篇；出版专著1部

引言

CFD介绍、工程应用案例展示与分享

• 介绍CFD的现状和发展趋势
• 展示CFD技术“能做什么”
• 几何模型的建立
• 如何合理地选取计算域，确定计算的几何范围
• 利用第三方几何建模软件（Solidworks、UG等），缩短几何建模的周期。
• 网格划分-导论
• 介绍网格的种类，四面体和六面体网格有何本质区别。
• 网格数量确定的原则。网格是否越多越好？合理的网格数量该如何确定。
• 介绍网格类型选取的原则
• 介绍网格划分的利器ICEM的使用方法
• 上机案例：四面体网格划分

使用ICEM软件，对一台流体机械进行四面体网格划分

• 介绍如何从第三方几何建模软件导入几何模型
• 几何模型的清理、拓扑结构的建立
• 精细化控制网格疏密，实现局部加密。
• 网格数量与网格质量之间的平衡
• 初步的网格划分完成后，如何进行微调和进一步优化。
• 如何在ICEM设置边界条件类型

上机案例：全六面体网格划分

使用ICEM软件，对复杂几何模型进行全六面体网格划分，即减少了网格数量，也能够实现高品质网格。

• 利用ICEM中的“分块”工具，实现六面体网格划分
• 分块切割的技巧、点线面映射和关联的方法
• 圆形几何的处理，O-Grid的应用
• 局部网格微调，逐步提高网格质量。
• 利用缩放因子等手段，精确控制网格数量。

上机案例：使用混合网格对几何模型进行划分

使用ICEM，对复杂几何模型进行混合网格划分，即部分区域采用四面体网格，部分区域使用六面体网格。

• 几何模型如何合理简化，清理不必要的点和线
• 使用混合网格，既适用于复杂几何模型，又能够控制网格数量。
• 介绍不同网格之间的连接方式，非一致网格与一致网格的处理方法
• 如何在ICEM中设定内部壁面
• 如何定义不同的计算域

• ANSYS Fluent求解器介绍
• 介绍Fluent的主要模块、工作流场
• 介绍边界条件的类型及设置方法
• 湍流模型选取原则
• 流体物性的正确设置

判定计算收敛的标准，及注意事项

上机案例：管式换热器模拟

对某企业设计的管式气-气换热器进行模拟，得到换热效果、管壁温度、阻力及流场分布。

• 快速掌握几何模型→网格→Fluent求解的工作流程
• Fluent中湍流、换热等各类模块参数设定
• 掌握传热过程的参数设置
• 通过CFD技术，预测换热器效果，模拟结果比传统的热力计算方法更为精确

上机案例：流体机械-离心风机

对某企业设计的离心风机进行数值模拟，得到风机内流场、风机压头及流量，最后得到风机效率曲线。通过对叶片结构的优化，将风机效率提高约20%。

• 掌握流体机械的模拟方法，让模型转起来。
• 介绍滑移网格和MRF模型的区别
• 如何得到风机效率曲线
• 应用CFD流场模拟，对叶片进行优化
• 旋转机械模拟时，如何提高计算收敛性

上机案例：旋风分离器除尘过程

对一台实际的旋风分离器进行除尘过程的模拟，得到除尘效率曲线。

• 介绍离散颗粒模型的应用
• 固体颗粒入射源设置方法
• 随机轨道模型设置方法
• 对气体流场和颗粒运动，用动画的方式进行后处理。

上机案例：循环流化床物料流化过程

对气固流化床初始流化及鼓泡形成过程进行模拟。

• 欧拉多相流模型设置方法
• 设置相间作用力方法
• 后处理动画的制作

上机案例：化学反应-尿素热解过程模拟

尿素受热后会热解，生成NH3，该过程在专门设计的尿素热解炉中完成，而CFD技术能够帮助热解炉的设计。

• 掌握Fluent中化学反应模拟的相关设置
• 化学反应方程式的设置、化学反应动力学参数设定
• 液滴雾化过程的模拟设置
• 化学组分混合过程的设置

上机案例：化学反应-固体燃料燃烧

对一台实际的燃煤锅炉进行数值模拟，得到流场、温度场及燃料的燃尽情况。

• 掌握燃烧模拟的两个方法：prePDF非预混燃烧模拟方法和空间反应的组分输运模型。
• 燃料组分的设置方法
• 辐射换热的设置
• 燃烧模拟过程中，如何改善计算的稳定性和加速收敛。
• 将模拟结果与热力计算结果及实际运行值进行对比，偏差在1%～3%以内。

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