化工过程数值模拟软件介绍 第3章单元模拟技术
化工过程数值模拟软件介绍 第3章 单元模拟技术
3.1单元模拟的步骤 1前处理 前处理包括确定计算域、生成网格、设定初始条件和 边界条件、选择求解模型以及设定求解参数 (1)确定计算域 确定计算域即给出所模拟问题的几何结构。各种商业 软件都有自己的创立几何的功能模块,也可以通过专业的 CAD作图软件对几何形状建模然后导入 (2)生成网格 网格生成的目标是离散流动区域,流体力学基本方程 组就在这些离散化后的网格单元上求解,网格生成的质量 直接关系到计算精度与计算稳定性
3.1 单元模拟的步骤 3．1．1 前处理 前处理包括确定计算域、生成网格、设定初始条件和 边界条件、选择求解模型以及设定求解参数。 （1）确定计算域 确定计算域即给出所模拟问题的几何结构。各种商业 软件都有自己的创立几何的功能模块，也可以通过专业的 CAD作图软件对几何形状建模然后导入。 （2） 生成网格 网格生成的目标是离散流动区域，流体力学基本方程 组就在这些离散化后的网格单元上求解，网格生成的质量 直接关系到计算精度与计算稳定性
3.1单元模拟的步骤 网格分为结构型和非结构型两大类。对于较复杂的求 解域,构造结构型网格时要根据其拓扑性质分成若干子域, 各子域间采用分区对接或分区重叠技术来连接。非结构网 格不受求解域的拓破结构与边界形状限制,构造起来方便 得多,而且便于生成自适应网格,能根据流场特征自动调 整网格密度,对提髙局部区域计算精度十分有利。然而, 非结构网格所需内存量和计算工作量都比结构型网格大很 多,有些流场解法和模型不适用于非结构网格,如目前常 用的一些代数湍流模型和壁面函数等就有这样的问题,此 外多层网格技术用于非结构网格也有较多困难,因此,结 构型网格和非结构型网格两者结合的复合型网格是网格生 成技术的发展方向
3.1 单元模拟的步骤 网格分为结构型和非结构型两大类。对于较复杂的求 解域，构造结构型网格时要根据其拓扑性质分成若干子域， 各子域间采用分区对接或分区重叠技术来连接。非结构网 格不受求解域的拓破结构与边界形状限制,构造起来方便 得多，而且便于生成自适应网格，能根据流场特征自动调 整网格密度，对提高局部区域计算精度十分有利。然而， 非结构网格所需内存量和计算工作量都比结构型网格大很 多，有些流场解法和模型不适用于非结构网格，如目前常 用的一些代数湍流模型和壁面函数等就有这样的问题，此 外多层网格技术用于非结构网格也有较多困难，因此，结 构型网格和非结构型网格两者结合的复合型网格是网格生 成技术的发展方向
3.1单元模拟的步骤 (3)设定初始条件和边界条件 根据所处理问题的不同,单元模拟在求解计算前还要 给定不同类型的初始条件和边界条件。边界条件包括进出 口边界条件、壁面边界条件、内部单元区域边界条件和内 部表面边界条件。初始条件和各种边界条件包含的具体内 容随商业CFD软件的不同而各不相同。 (4)模型 前面也已经提到,CFD中涉及的模型包括各种流动模 型、传热模型、多相流模型、燃烧模型、化学反应流模型 以及自由面流模型等模型。单元过程中的流动有很多不同 的特征,对每一种流动特征CFD又有一种到多种模型可以 选择。流动特征按不同着眼点有不同的描述方法
3.1 单元模拟的步骤 （3）设定初始条件和边界条件 根据所处理问题的不同，单元模拟在求解计算前还要 给定不同类型的初始条件和边界条件。边界条件包括进出 口边界条件、壁面边界条件、内部单元区域边界条件和内 部表面边界条件。初始条件和各种边界条件包含的具体内 容随商业CFD软件的不同而各不相同。 （4） 模型 前面也已经提到，CFD中涉及的模型包括各种流动模 型、传热模型、多相流模型、燃烧模型、化学反应流模型 以及自由面流模型等模型。单元过程中的流动有很多不同 的特征，对每一种流动特征CFD又有一种到多种模型可以 选择。流动特征按不同着眼点有不同的描述方法
3.1单元模拟的步骤 a.介质性质不同:根据流体剪切力与速度梯度是否线 性关系分为牛顿流体与非牛顿流体;根据介质密度是否为 常数分为不可压流体,弱可压流体,完全可压流体。 b.流动形态不同:根据流动中是否有速度脉动分为层 流与湍流;根据空间各点上流体质点的速度及其他表示流 动的参数是否随时间变化分为定常流动和非定常流动 c.其他特征:除上述特征外,还有其他一些特征,如 根据流场的几何特征有多孔介质中的流动,根据是否考虑 浮力有浮力驱动流动等等 CFD中涉及的传热模型包括温差或密度差驱动的自然 对流传热模型、流固体耦合传热模型、灰体或非灰体系统 辐射模型
3.1 单元模拟的步骤 a. 介质性质不同：根据流体剪切力与速度梯度是否线 性关系分为牛顿流体与非牛顿流体；根据介质密度是否为 常数分为不可压流体，弱可压流体，完全可压流体。 b. 流动形态不同：根据流动中是否有速度脉动分为层 流与湍流；根据空间各点上流体质点的速度及其他表示流 动的参数是否随时间变化分为定常流动和非定常流动。 c. 其他特征：除上述特征外，还有其他一些特征，如 根据流场的几何特征有多孔介质中的流动，根据是否考虑 浮力有浮力驱动流动等等。 CFD中涉及的传热模型包括温差或密度差驱动的自然 对流传热模型、流固体耦合传热模型、灰体或非灰体系统 辐射模型
3.1单元模拟的步骤 (5)设定求解参数 求解参数的设定是为了控制求解的收敛速度和精度。 求解参数包括差分格式的选择,时间步长的设定等 3.1.2求解计算 求解计算即调用求解器进行计算及根据计算进程调整 求解参数。 3.1.3后处理 后处理就是对计算结果的可视化以及对模拟结果的定 性和定量化分析。 CFD商业软件的流动显示模块都具有三维显示功能来 展现各种流动特性,有的还能以动画功能演示非定常过程
3.1 单元模拟的步骤 （5） 设定求解参数 求解参数的设定是为了控制求解的收敛速度和精度。 求解参数包括差分格式的选择，时间步长的设定等。 3．1．2 求解计算 求解计算即调用求解器进行计算及根据计算进程调整 求解参数。 3．1．3 后处理 后处理就是对计算结果的可视化以及对模拟结果的定 性和定量化分析。 CFD商业软件的流动显示模块都具有三维显示功能来 展现各种流动特性，有的还能以动画功能演示非定常过程
3.2CFD商业软件 3.2.1CFX 3.2.1.CFX简介 CFX是英国 AEA Technology公司开发的一种实用流体工程分析软 件,始于1986年开始作为商业软件向全球发售,时为CFX4,用于模 拟流体流动、传热、多相流、化学反应及燃烧等问题。1996年,CFX 发展到CFX5,并于1997年全面收购了旋转机械领域著名的加拿大 ASC公司,推出了专业的旋转机械设计与分析模块一CFX- Tascflow CFⅹ5成功突破了CFD领域在算法上的一大技术障碍,推出了全隐 式多网格耦合算法,该算法以其稳健的收敛性能和优异的运算速度, 成为CFD技术发展的重要里程碑。2003年,CFX加入了全球最大的 CAE仿真软件公司 ANSYS公司,使其进而可以为包括固体力学、流体 力学、传热学、电学、磁学等在内的多物理场及多场耦合的问题提供 整体解决方案
3.2 CFD商业软件 3.2.1 CFX 3.2.1.1CFX简介 CFX是英国AEA Technology公司开发的一种实用流体工程分析软 件，始于1986年开始作为商业软件向全球发售，时为CFX4，用于模 拟流体流动、传热、多相流、化学反应及燃烧等问题。1996年，CFX 发展到CFX5，并于1997年全面收购了旋转机械领域著名的加拿大 ASC公司，推出了专业的旋转机械设计与分析模块－CFX-Tascflow。 CFX5成功突破了CFD领域在算法上的一大技术障碍，推出了全隐 式多网格耦合算法，该算法以其稳健的收敛性能和优异的运算速度， 成为CFD技术发展的重要里程碑。2003年，CFX加入了全球最大的 CAE仿真软件公司ANSYS公司，使其进而可以为包括固体力学、流体 力学、传热学、电学、磁学等在内的多物理场及多场耦合的问题提供 整体解决方案
3.2CFD商业软件 3.2.1.2CFX的体系结构 加入 ANSYS前,CFX的体系结构如下图(图3.1)所示: CFX-BladeGen CFX-YoluteGen 叶片设计 CFX-ProMixus CFX-Build 撳样盖设计工具 通用前处理器 快速分折 CFX-Wwrbogrid 叶片网格 CFX-PFRReaction. 反应动力学工具 CFX-4 CFX-5 CFX-JASCflov 多相流,燃烧 复杂几何流动 旋转机械,燃烧,多相流 CFX-Radiation 化学反应 传热,反应 镉射运 CFX-INFQRChem CFX-Visualise CFX-JASCto 物性数据库 后处理器 后处理器 后处理器 图3.1加入 ANSYS前CFX的体系结构图
3.2 CFD商业软件 3.2.1.2 CFX的体系结构 加入ANSYS前，CFX的体系结构如下图（图3.1）所示： 图3.1 加入ANSYS前CFX的体系结构图
3.2CFD商业软件 CFX4,CFX5,CFX- TASCflow是三个主要的仿真平台, 分别针对过程工业、机械、旋转设备领域。CFX- Build, CFX- Bladegen,CFX- Volutegen,CFX- TurboGrid等是建模 工具,用于造型、划分网格、设置模型、设置边界条件。 CFX- Analyse,CFX- Visualise,CFX- TASCtool等是仿真后 处理工具,用于将仿真结果以图片、动画等形式进行可视 1Lo CFX-ProMixus, CFX-PFDReaction, CFX-Radiation, CFX- INFORChem,CFX-V+,CFX-B+等是以CFX4、CFX5、 CFX- TASCo1ow为平台的应用软件,分别针对搅拌釜、反应 器、燃烧设备、物化属性、旋转设备叶片
3.2 CFD商业软件 CFX4，CFX5，CFX-TASCflow是三个主要的仿真平台， 分别针对过程工业、机械、旋转设备领域。CFX-Build， CFX-BladeGen，CFX-VoluteGen，CFX-TurboGrid等是建模 工具，用于造型、划分网格、设置模型、设置边界条件。 CFX-Analyse，CFX-Visualise，CFX-TASCtool等是仿真后 处理工具，用于将仿真结果以图片、动画等形式进行可视 化。CFX-ProMixus，CFX-PFDReaction，CFX-Radiation， CFX-INFORChem，CFX-V+，CFX-B+等是以CFX4、CFX5、 CFX-TASCflow为平台的应用软件，分别针对搅拌釜、反应 器、燃烧设备、物化属性、旋转设备叶片
3.2CFD商业软件 加入 ANSYS后,CFX在单元模拟中建立几何结构及生 成网格的过程由 ANSYS的相应模块来实现,其他前处理 过程集中到CFX-Pre平台来完成,求解就由 CFX-Solver Manager平台来完成,而后处理就由 CFX-PoSt平台来完成。 3.2.1.3CFX的模块功能 (1) CFX-BUILD CFX- BUILD是CFX软件家族的通用前处理系统,为 CFX模拟提供几何造型、生成网格和设置边界条件的功能
3.2 CFD商业软件 加入ANSYS后，CFX在单元模拟中建立几何结构及生 成网格的过程由ANSYS的相应模块来实现，其他前处理 过程集中到CFX-Pre平台来完成，求解就由CFX-Solver Manager平台来完成，而后处理就由CFX-Post平台来完成。 3.2.1.3 CFX的模块功能 （1）CFX-BUILD CFX-BUILD是CFX软件家族的通用前处理系统，为 CFX模拟提供几何造型、生成网格和设置边界条件的功能