能源化工计算软件及应用

第1章 计算流体动力学 　　1.1 概述 　　图1-1 CFD求解过程示意图 　　在自然界、工业生产过程和人类活动过程中，两相流及多相流的现象随处可见，如夹带泥沙的海潮、管道中石油天然气的输送、沸腾的水在水壶中的循环、沙漠风沙等。由于两相流及多相流比单相流有着更多变的现象和更复杂的流动状态，单纯的实验方法或者理论分析无法精确、详尽地描述两相流及多相流，计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）正是为了解决这一难题于20世纪60年代发展起来。 　　作为一门新兴学科，一方面，CFD不是很成熟，在对自然界的流动现象进行模拟时，其计算结果不仅取决于数值方法，还取决于描述系统的数学模型[1-3]。然而，由于流动现象的复杂性，数学模型很难精确描述，模拟结果很可能是无效的。另一方面，尽管CFD存在不足，但在航空、航天、航海、石油化工、汽车制造、冶金锻造、医药生物等领域取得的成果，无不显示着其在自然界流动现象和工业生产研究中的强大生命力。 　　计算流体动力学主要研究如何建立和求解描述流体流动的各类方程对，CFD求解过程示意图如图1-1所示[4]。 　　1.2 计算流体动力学商业软件 　　1.2.1 FLUENT软件 　　FLUENT软件是目前处于世界领先地位的商业CFD软件之一，因成本低、计算速度快、仿真效果好、适用范围广等优点，已被广泛用于模拟各种流体流动、相间传质传热、燃烧和机械设计等领域，特别适用于模拟和分析一个复杂区域内流体流动时的热量交换问题。具体而言，其应用领域包括航空、航天、机械加工、汽车设计、水利工程、发电系统、家用电器、建筑设计、设备加工、材料加工、生物医药、环境保护、食品科学、聚合物加工、核能等。 　　1. FLUENT整体计算过程 　　使用FLUENT软件首先需要建立几何模型和网格，称为GAMBIT。用户可以利用基本要素，如点、线、面、体，通过对合的方式，形成所需要的几何模型。形成几何模型后，开始划分网格。在划分网格时，可以选择适合的几何模型和网格划分方式。在生成网格时，用户可以定义网格的疏密程度。一般来说，网格生成的过程由一个端面上的边线开始，首先生成该面上的网格，其次沿着与该面垂直的面依次生成网格，*后由外向内生成整个几何模型的网格，即用代数法生成网格。生成网格后，还需要定义几何模型的基本边界条件。 　　将生成的网格输出给FLUENT，由FLUENT做进一步计算。进入FLUENT后，首先定义求解的方程，以及计算所采用的模型。其次定义流体的物性，FLUENT有现成的物性库，用户可以选取所需要的流体，也可以根据实际情况定义新的流体，并将其保存到物性库中。定义完物性后，定义具体的边界条件，如流速、温度等，再选择离散方程所采用的格式，以及迭代收敛的准则、精度和迭代步数，*后进行计算。FLUENT的计算结果可以用图形或者数字来表示，也可以通过其他相应的软件进行后处理，从而得到用户所需要的计算结果。 　　2. FLUENT体系结构 　　采用FLUENT软件包求解问题的过程，一般分为前处理软件、求解器、后处理软件三部分。从本质上，FLUENT只是一个求解器，其本身包含的功能模块有网格导入模型、数值计算的物理模型、边界条件和材料参数设置模型、求解器模型、后处理模型等[5]。此外，FLUENT提供了各类CAD/CAE软件（如ANSYS、I-DEAS、NASTRAN、PATRAN等）与GAMBIT的接口。图1-2为FLUENT程序结构图。首先利用前处理软件进行几何形状的构建，二维、三维网格的生成，并以FLUENT求解器计算的格式输出；其次利用FLUENT求解器进行求解计算；*后对计算结果进行后处理。 　　同时，GAMBIT、TGrid、prePDF、Filters等CAD/CAE软件与FLUENT有极好的相容性，可接口的程序包括：ANSYS、I-DEAS、NASTRAN等。表1-1介绍了各个软件的具体功能。 　　图1-2 FLUENT程序结构图 　　表1-1 各个软件的具体功能介绍 　　3. FLUENT应用范围 　　FLUENT软件可以采用三角形、四边形、四面体、六面体及其混合网格，能够计算二维和三维流动问题，计算过程中网格可以自适应调整。因此，FLUENT适用于各类复杂的可压缩与不可压缩流动计算，应用范围非常广泛，主要范围如下： 　　（1）可压缩与不可压缩流动问题； 　　（2）稳态和瞬态流动问题； 　　（3）无黏、层流和湍流问题； 　　（4）牛顿流体和非牛顿流体； 　　（5）各种形式换热问题（包括自然对流、混合对流、辐射热传导等）； 　　（6）导热与对流换热耦合问题； 　　（7）化学组分的混合与反应模型问题（包括燃烧模型和表面沉积反应模型）； 　　（8）惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟； 　　（9）用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相（颗粒、水滴、气泡等）； 　　（10）一维风扇、泵、热交换器性能计算； 　　（11）离散相（颗粒、水滴、气泡）的运动轨迹计算问题以及与连续相的耦合计算问题； 　　（12）复杂表面形状下的自由面流动问题； 　　（13）多重运动参考系问题（包括滑动网格界面、转子与定子相互作用的动静结合模型）； 　　（14）空化流问题； 　　（15）多相流问题； 　　（16）相变模型问题（包括熔化、凝固等）； 　　（17）用非结构化自适应网格求解二维或三维区域内的流动。 　　4. FLUENT求解步骤 　　**步：确定几何模型，利用前处理软件生成计算网格； 　　第二步：选择求解器（二维或三维等）； 　　第三步：导入网格并检查网格质量； 　　第四步：选择计算模型； 　　第五步：设定流体的材料物性； 　　第六步：设定边界条件； 　　第七步：求解方法的设置与控制； 　　第八步：流场初始化与迭代求解计算； 　　第九步：保存结果并进行后处理等。 　　1.2.2 离散单元法与EDEM软件 　　1. 离散单元法 　　离散单元法是1971年Cundall在分析由节理岩石（裂缝分布较多的岩石）组成的边坡稳定性问题时提出。由于其计算相对简单、易于实现，很快成为离散介质数值计算的主要分析工具。在离散单元法中，单元间的接触模型是其核心内容，引起很多学者的关注，粒子间接触的本构关系不断得到修正。整体而言，基于接触方式的类型，离散单元模型大体可以分为硬球模型与软球模型[6-7]两类，可溯源于分子动力学模型中适用于事件驱动的方法和时间驱动的方法。 　　早期的离散单元模型假设颗粒均为圆形的刚体，但颗粒间发生接触时允许少量重叠，不计接触面积，若无相对滑动，则重叠量与接触力线性相关；若滑动，则服从Mohr-Coulomb定律，这种模型为软球模型。相对于硬球模型，软球模型将碰撞视为长时接触过程，由接触的本构关系求得颗粒的接触力，随后根据牛顿运动定律更新颗粒的运动状态。软球模型可以吸收融合较多的接触模型，处理数目庞大的颗粒系统时，在未显著增加计算时间的情况下获得了更为详细的颗粒信息，因此应用范围更广，对准静态力学分析与快速颗粒流问题均适用[8]。 　　离散单元模型将颗粒系统视为有限数量单元组成的集合体，根据单元的尺度与几何特征分成块体与颗粒两类系统。实际上这种划分并不唯一，不规则的多面体颗粒也可视作小的块体，处理两类系统的主要区别在于几何特征导致的接触检索方法与接触模型的差异。很多学者开展了考虑颗粒形状影响的离散单元法研究，目前的不规则颗粒主要选取椭圆（球）形。尽管非圆（球）形颗粒更接近实际且更适于探究颗粒间滚动摩阻的产生机制，然而其复杂的接触检索模式将导致计算资源被高额占用和计算效率快速降低，因此目前的颗粒离散单元法研究仍然以圆形和球形颗粒为主[8]。 　　2. EDEM软件 　　随着离散单元法在工程应用中不断成熟，相关软件相继出现。EDEM软件是Favier创立的英国DEM Solutions公司的主导产品，对工业生产中的颗粒处理与操作系统进行模拟和分析，可以简单快捷地创建固体颗粒系统的参数化模型，通过真实颗粒的CAD模型来准确描述固体颗粒的形状，添加物料力学性质和其他物理性质来建立颗粒模型，所创建的颗粒模型能够存入数据库中以便重复使用[9]。 　　EDEM软件能够管理和存储每一个颗粒的所有相关信息，包括质量、速度以及作用在颗粒上的作用力信息。EDEM软件能处理几乎所有形状的颗粒，而不是将所有颗粒都近似成球体。在后处理操作中，其具有丰富的数据分析工具，可以对颗粒流进行3D可视化动态显示并创建相应的Video 文件。 　　EDEM软件由三个功能模块组成，分别是模型创建（creator）模块、仿真计算（simulator）模块和数据分析（analyst）模块[10]。 　　（1）模型创建。利用EDEM前处理建模工具建立仿真模型，步骤如下：①设置参数、物理性质和材料属性；②定义原型颗粒；③定义几何特征；④设定仿真区域；⑤创建颗粒工厂。 　　（2）仿真计算。仿真计算的一般步骤：①设定时间步长和仿真时间；②定义网格尺寸；③仿真运行。 　　（3）数据分析。仿真结果的后处理可以帮助用户对模型的仿真结果进行分析。仿真结果分析与数据的后处理包括：①观察仿真过程；②设置显示方式；③进行颜色标识；④划分网格单元组；⑤截断分析；⑥设置选择组集；⑦使用其他工具；⑧绘制图表；⑨分析导出数据；⑩生成截图；?制作视频。 　　3. CFD-DEM求解过程 　　CFD-DEM的耦合及求解过程如图 1-3 所示[11]。UDF 的详细介绍请见 1.3.4小节。 　　图1-3 CFD-DEM的耦合及求解过程 　　1.3 FLUENT操作介绍 　　1.3.1 FLUENT界面 　　1. FLUENT启动界面 　　启动FLUENT后，会有如图1-4所示的Fluent Launcher窗口，在此窗口可设置计算的维度、启动后的显示方式、单核或并行计算等，设置完成后，单击“OK”，即可启动FLUENT。 　　图1-4 Fluent Launcher窗口 　　2. FLUENT操作界面 　　FLUENT操作界面如图1-5所示，由图形窗口、下拉菜单组成。在选择执行命令时，可通过单击左侧控制树的命令，在其展开的控制对话框进行相关设置；同时，可以利用菜单命令，如Define命令弹出下拉菜单，当用户选择Results命令时，图形窗口会出现相应的结果图像。