FLUENT软件在外流场和射流场模拟中的应用(外流-射流-燃烧)

FLUENT软件在外流场和射流场模拟中的应用 1、 在模拟外流场和射流场中CFD所面临的挑战 外流场和射流场的数值模拟一直是航空航天应用中的一个重要课题。同时，由于问题本身的难度及设计要求的不断提高，也对CFD提出了挑战。 · 复杂的几何外形是人们对外流场模拟时遇到的第一个问题。虽然可以借助CAD软件建立几何模型，但由于CAD与CFD属于完全不同的范畴，两者之间的接口在现阶段还存在一定的问题，往往需要工程师对几何做一定的处理。在复杂的计算域内剖分高质量的网格也是一个相当棘手的问题。网格功能差的软件会给工程师带来极大的工作量。 · 在外流场和射流场的模拟中，由于飞行器工作工况往往有较大的变化（低速、跨声速和高超声速飞行），对数值计算的稳定性和精度都提出了较高的要求。 · 在外流场和射流场的模拟中，需要考虑大量复杂的物理现象，如复杂的波系结构对飞行器的飞行性能有较大的影响，射流场中由于喷流与外界自由气流的掺混、卷吸会使涡的耗散结构发生较大的变化，使整个流场呈现出极其复杂的流动图谱。这就要求CFD软件能够精确地模拟这些复杂的物理现象。 · 在外流场和射流场的模拟中，由于涉及到巨大的计算域，使得计算量大大增加。在现阶段，对工程问题的CFD模拟中，单个CPU的计算已经远远不能满足工程师的要求。 2、 FLUENT软件在几何和网格处理上的优势 Fluent公司是全球最大的商用CFD软件商，其市场份额高达52%。其每年在研发上的投入比最大竞争对手的年收入都要高。正是拥有如此强大的财力支持，使得Fluent公司能够斥巨资投入软件开发，目前FLUENT软件每年都有新的版本发布。 在2000年7月，Fluent公司开发的前置处理器Gambit1.3增加了最新的CFD与CAD软件接口。该接口包括了与几乎所有目前最先进的CAD软件的接口，如Ug、ProE、Ideas、Catia、Solidworks、Solidedge等。Gambit1.3与CAD软件的强大的接口能力是其它CFD软件所望尘莫及的，也大大节省了工程师的工作量。 Gambit1.3提供了强大的完全非结构化网格能力。Gambit是CFD专用的非结构化网格生成器，提供非结构化的六面体网格功能、四面体网格功能、混合网格能力，另外还提供了其它CFD软件所不具备的附面层网格能力和最新的Gocarts网格能力。与其它CFD软件相比， Gambit生成的网格质量更高、速度更快、自动化能力更强。这也是FLUENT软件优于其它CFD软件的重要指标之一。 目前国内客户的反馈信息，也证明了FLUENT软件在网格能力上的优势。很多采用竞争对手软件的用户最终又都转向FLUENT软件。 3、 适合于外流场和射流场的数值算法 FLUENT软件采用了有限体积方法，包含三种数值算法：非耦合的隐式算法（Simple算法）、耦合的显式算法、耦合的隐式算法。这些算法中包含了目前对流场细微现象有较好模拟效果的TVD格式等高分辨率格式。这三种算法的解算范围可以从低速不可压缩流动到可压缩流动，乃至高可压缩的高超声速流动。在外流场和射流场的模拟中，飞行器的每一种姿态和工况都会使气流状态有较大的变化。单一的算法难以模拟如此速度跨度的流场。而其它的CFD软件都仅有FLUENT软件三种算法中的一种，因而在模拟外流场和射流场的复杂物理过程时，往往受到较大的局限性。 FLUENT软件算法的另一个独特的优点是其强大的基于解算的自适应网格能力。FLUENT软件的自适应网格能力包含基于流场物理量空间微分值（如压力梯度）、网格容积变化率、壁面Yplus和Y*等8种自适应选项。这也是其它CFD软件所难以比拟的。基于解算的自适应网格功能尤其对复杂流场的模拟有重要的作用，可以更准确地捕捉外流场和射流场中的复杂波系结构和掺混、卷吸、涡破碎等各种复杂的流动现象。 4、 专用于外流场和射流场的物理模型 除了提供强大的数值算法外，FLUENT软件还提供了全方位的先进的物理模型。如FLUENT软件提供了8种湍流模型，包括在工程应用中广泛使用的k-ε模型。FLUENT软件采用了专用于射流计算的Realizable k-ε模型，该模型包含了针对于射流问题的新的涡粘性公式。另外，该模型还采用了基于涡量脉动均方根的动力学方程的耗散率方程。目前，在商用CFD软件中，只有FLUENT提供了该模型。除此之外，FLUENT还提供了三种壁面函数，以模拟壁面上的流动特性。 FLUENT软件提供了在射流场中专用的热辐射模型和多组分扩散模型。上述模型能够真实地模拟射流场中的的物理过程。 FLUENT软件在外流场和射流场的应用文献： 038.Vought aircraft enhances thrust reverser database with CFD simulations 审验飞机提高推力换向器数据库的CFD模拟 045.Unstructured 3D Delaunay mesh generation applied to planes, trains and automobiles 应用于飞机、火车和汽车的非结构化三维Delaunay网格生成方法 185.Numerical investigation of annular jet wiping 环喷发动机摩擦的数值研究 195.Computational fluid dynamics applications in the design and analysis of rocket and ramjet propulsion systems at aerojet 火箭和冲压式发动机喷气推进系统的CFD设计和分析 272.Numerical analysis of confined jet flow field 受约喷气流场的数值分析 285.Modelling of gas turbine exhaust jets relevant to helicopter operations from offshore structures 以近海的直生机运行气轮机喷流模拟 295.Aerodynamic flow field around two car-like shapes, computational vs experimental fluid dynamics 两个类似汽车形状周围空气动力流场，计算与实验流体动力学 338.Limited mesh refinement study of the aerodynamic flow field around a car-like shape, computational VS experimental fluid dynamics 汽车形状周围气动流场限制性网格加密研究，计算与实验流体力学 394.Numerical Modeling of turbulent jet diffusion flames:challenges and implications for flare flame simulations 湍流喷气机扩散火焰的数值模拟:火焰模拟的挑战和应用 461.Jet mixing in a three dimensional dump combustor 喷射混合的三维燃烧室 608. (AIAA 99-0126) Prediction of JDAM separation characteristics from the F/A-18C aircraft F/A-18C飞机的JDAM分离特性的数值模拟 623. Wind tunnel verifiable external-aero simulation of high performance vehicles 有风洞测试校验的高性能汽车的外流场空气动力学模拟 627. CFD Analysis of the LOX-Augmented Nuclear Thermal Rocket (LANTR) Lox增强的热核火箭的CFD分析 628. Profiled End-Wall Design for a Turbine Nozzle Row 透平喷流排的End-Wall设计 630. Transonic Euler Flow Calculation Around a Transport Configuration with Powered Engine effects 考虑发动机效应的运输机的跨音速欧拉绕流计算 712.Advances in External-Aero Simulation of Ground Vehicles Using the Steady RANS quations 用雷诺平均NS方程模拟地面车辆的外流场 FLUENT软件的燃烧模型介绍 Fluent软件中包含多种燃烧模型、辐射模型及与燃烧相关的湍流模型，适用于各种复杂情况下的燃烧问题，包括固体火箭发动机和液体火箭发动机中的燃烧过程、燃气轮机中的燃烧室、民用锅炉、工业熔炉及加热器等。燃烧模型是FLUENT软件优于其它CFD软件的最主要的特征之一。下面对Fluent软件的燃烧模型作一简单介绍： 一、气相燃烧模型 · 有限速率模型 这种模型求解反应物和生成物输运组分方程，并由用户来定义化学反应机理。反应率作为源项在组分输运方程中通过阿累纽斯方程或涡耗散模型。有限速率模型适用于预混燃烧、局部预混燃烧和非预混燃烧。 应用领域：该模型可以模拟大多数气相燃烧问题，在航空航天领域的燃烧计算中有广泛的应用。 · PDF模型 该模型不求解单个组分输运方程，但求解混合组分分布的输运方程。各组分浓度由混合组分分布求得。 PDF模型尤其适合于湍流扩散火焰的模拟和类似的反应过程。在该模型中，用概率密度函数PDF来考虑湍流效应。 该模型不要求用户显式地定义反应机理，而是通过火焰面方法(即混即燃模型)或化学平衡计算来处理，因此比有限速率模型有更多的优势。 应用领域：该模型应用于非预混燃烧（湍流扩散火焰），可以用来计算航空发动机的环形燃烧室中的燃烧问题及液体/固体火箭发动机中的复杂燃烧问题。 · 非平衡反应模型 层流火焰模型是混合组分/PDF模型的进一步发展，从而用来模拟非平衡火焰燃烧。在模拟富油一侧的火焰时，典型的平衡火焰假设失效。 该模型可以模拟形成Nox的中间产物。 应用领域：该模型可以模拟火箭发动机的燃烧问题和RAMJET及SCRAMJET的燃烧问题。 · 预混燃烧模型 该模型专用于燃烧系统或纯预混的反应系统。在此类问题中，充分混合的反应物和反应产物被火焰面隔开。通过求解反应过程变量来预测火焰面的位置。湍流效应可以通过层流和湍流火焰速度的关系来考虑。 应用领域：该模型可以用来模拟飞机加力燃烧室中的复杂流场模拟、气轮机、天然气燃炉等。 二、分散相燃烧模型 除了可以模拟各种气相燃烧问题以外，FLUENT5还提供了模拟分散相燃烧问题(液体燃料燃烧、喷射燃烧、固体颗粒燃烧等)的燃烧模型： · 在拉格朗日坐标下，模拟分散相（包括固体颗粒/油滴/气泡等）在瞬态和稳态下的运动轨迹 · 多种球形和非球形粒子的曳力规律 · 线性分布或Rosin-Rammler方程的粒子大小分布 · 连续相的湍流效应对粒子传播的影响 · 分散相的加热/冷却 · 液滴的汽化和蒸发 · 燃烧粒子，包括油滴的挥发过程和焦碳的燃烧 · 连续相与分散相的耦合 模拟油滴在湍流的影响而产生的扩散效应时，FLUENT可以采用粒子云模型和随机轨道模型。 · 随机轨道模型 该模型利用离散的随机跟踪法模拟瞬态湍流速度脉动对粒子轨迹的影响。 · 粒子云模型 该模型追踪粒子平均轨道的粒子云的形成和演化的统计过程。粒子云浓度通过粒子平均轨迹的概率密度函数来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示。 在FLUENT中，需定义油滴在初始状态的位置、速度、尺寸和温度分布及油滴的物性，根据这些设置计算粒子的轨迹和传热/传质，并可以计算粒子与连续相的相互影响。FLUENT中还提供了丰富的关于粒子运动中曳力、汽化、喷射、破碎、碰撞等子模型，供用户来选择。计算得到的粒子的轨迹和传热传质可以通过图形界面和文本界面显示出来。 三、污染模型 · NOx模拟 Fluent软件提供了三种NOx形成的模型：Thermal NOx、Prompt NOx和Fuel NOx形成模型。从而可以模拟绝大多数情况下的NOx生成问题。 · 烟尘模型（Soot Model） Fluent软件可以考虑单步和两步的烟尘生成问题。烟尘的燃烧由有限速率模型模拟，并考虑了烟尘对辐射吸收的影响。 四、热辐射模型 · Discrete Transfer Radiation Model (DTRM) DTRM模型的优点是简单, 且可以适用的计算对象的尺度范围较大, 其缺点是没有包含散射和不能计算非灰的辐射。提高模型中射线的数量可以提高DTRM模型的精度，但计算量也明显增加。 · P-1模型 P-1模型是P-N模型的简化，适用于大尺度辐射计算。对比DTRM模型，其优点在于计算量更小，且包含散射效应。当燃烧计算域的尺寸比较大时，P-1模型非常有效。另外P-1模型可应用在较为复杂的计算域中。 · The Rosseland Model Rosseland模型是最为简化的辐射模型，只能应用于大尺度辐射计算。其优点是速度最快，需要内存最少。 · Discrete Ordinates (DO) Model DO模型是所有四种模型是最为复杂的辐射模型，从小尺度到大尺度辐射计算都适用，且可计算非－灰度辐射和散射效应，但需要较大计算量。 纵上所述，我们可以看到，无论在模型数量上，还是在模型先进性上，FLUENT软件提供了远远优于其它商用CFD软件的燃烧模型。例如，在气相燃烧模型上，Star-CD仅仅提供了传统的有限速率模型和PDF模型，而缺乏在航空航天领域燃烧问题中应用最为重要的非平衡火焰模型和预混模型；在分散相模型上，与Star-CD相比，Fluent软件同样提供了更为丰富、更为先进的物理模型。 五、FLUENT软件在燃烧领域的应用文献： 025.Advanced fossil fuel combustor 先进的化石燃料燃烧室 027.Prediction of buoyancy-induced thermal mixing between cavities 腔间浮力诱导热混合的预测 028.Computational fluid dynamics eliminates fires in coal classifiers 消除煤分类器着火的CFD 029.Re-examing conventional burner design with computational fluid dynamics leads to NOx compliance economically 导致NOx的柔量经济性的常规焚烧炉设计CFD重新考察 032.First-ever gas-fired annealing of a nuclear reactor 核反应堆燃气退火的有史第一次 033.Co-firing gas Burner,optimized by computer,reduced emissions and saves energy on coal-fired Stoker Boiler 双煤气燃烧炉的计算优化，减少排放量和 节省Stoker炉的煤燃料能源 035.Computational fluid dynamics for effective combustor design and modification 有效燃烧室设计和改进的CFD 050.An analysis of laminar forced convection heat transfer in helically finned heat exchanger passsages 螺旋散热片热交换通道的层流强迫对流传热分析 053.A systematic approach to simulating rapid thermal processing systems 模拟快速热处理装置的系统方法 054.Manifold microchannel heat sinks:numerical analysis 歧管微通道热汇：数值分析 057.Heat sink design and 3D cabinet cooling analysis 热汇设计和三维壳体冷却分析 095.Modelling of gas entrainment into a pilot spray in a combustion bomb 燃烧弹夹带空气导向喷射的模拟 096.Some aspects on the joint GE/VOLVO development of the F404/RM12 augmentor F404/RM12加力燃烧室的联合GE/VOLVO发展的某些方面 097.Circumferential flow analysis at the aft field joint of the space shuttle solid rocket motor 宇宙飞船固体燃料火箭助推器结合部后流场的环向流分析 098.Effect of idealized asymmetric inhibitor stubs on circumferential flow in the space shuttle SRM 宇宙飞船固体火箭助推器环向流的理想化非对称抑制短管效果 099.Experimental thrust reverser design with computational analysis 实验推力换向器设计的计算分析 102.Proediction of engine and near-field plume reacting flows in low-thrust chemical rockets 小推力化学火箭中发动机和近场反应卷流的预测 109.Pulverized coal combustion software package 粉末煤燃烧的软件包 110.Software package for pulverized coal combustion 应用于粉末煤燃烧的软件包 111.ACERC Combustion Models in Fluent 4.4 Fluent 4.4 的ACERC 燃烧模型 112.Pulverized coal combustion 粉末煤燃烧 113.Numerical analysis of cooling devices for gas turbine combustors 汽轮机燃烧室冷却设备的数值分析 114.Computational and experimental evaluation of integral catalytic ignitor/injector for gas turbine applications 汽轮机完整催化点火/喷嘴计算和实验估算的应用 115.Coal-water slurry combustion in gas turbines 汽轮机的煤-水浆液燃烧 116.Numerical correlation of gas turbine combustor ignition 汽轮机燃烧室点火装置的数值关系 117.The prediction of no emissions from an industrial burner 工业燃烧炉无排放的预测 118.Prediction of NOx emissions from oxygen-enriched low NOx burners 富氧低NOx燃烧炉没有NOx排放的预测 119.Effect of swirl and combustor geometry on flowfield combustion and NOx emission characteristics 流场燃烧和NOx排放特性的旋转和燃烧室几何效应 120.Mathematical modeling in aid of experiment in the development of a high air preheat,low NOx gas burner 高压空气预热，低NOx汽燃炉的实验情形下数值模拟的发展 122.Use of computational fluid dynamics modelling to study fuel burnout in a low NOx retrofit application 采用CFD模型研究低NOx燃料烧尽的改型应用 ustion behavior in recovery furnace simulations 分离熔炉中黑色液体喷雾参数的燃烧状态效果的模拟 126.Spray combustor modeling 喷雾燃烧室模型 128.Spray combustion of small and large droplets of heavy fuel oil 重燃油大小液滴的喷雾燃烧 129.The prediction of NOx emissions from spray combustion 喷雾燃烧的NOx释放的预测 130.Advance of research on coal combustion system modelling 煤燃烧系统模拟研究的进展 131.Detailed modelling of a swirling coal flame 旋转煤火焰的细节模拟 132.Measurements and predictions of quarl zone properties of swirling pulverized coal flames 旋转煤粉火焰的耐火区域特性的测量和预测 133.Predicting the near-burner-zone flow field and chemistry of swirl-stabilized low- NOx flames of pulverized coal using the RNG-k-(, RSM and k-( turbulence models 采用RNG-K-(，RSM和k-(湍流模型预测燃烧炉区域近场流 和粉末煤稳定旋转低NOx火焰的化学特性 136.Numerical modelling of mixing characteristics In hazardous waste combustors 危险废物燃烧炉的混合性能数值模拟 140.Computer and physical flow modeling of corner-field furnaces 角熔炉的计算和物理实质流动模拟 143.Computational modelling of an industrial rotary klin incinerator 工业用旋转焚化炉的计算模拟 147.Combustion tempering demonstration on a cyclone unit for NOx control NOx控制的旋流体燃烧回火演示 175.Mathematical modeling of a 2.25 MWt swirling natural gas flame part 2: conserved scalar approach for turbulent combustion 2.25干瓦旋转天然气火焰数值模拟 第二部分：湍流燃烧的守恒标量法 181.Numerical simulations of combustion in an industrial furnace with preheated high temperature air flow 工业熔炉中高温预热气流燃烧的数值模拟 182.Numerical analysis of NOx formation rate in a regenerative furnace 再生熔炉中NOx生成速率的数值分析 187.Simulation of a TV glass refiner using couples combustion and glass flow models 采用复合燃烧和玻璃流模型来模拟TV玻璃精练器 188.Simulations of the 300 KW berl flame 300千瓦钟形火焰模拟 193.Case study:multiple fuel firing in a lime kiln 研究情况：石灰窑的多种燃料燃烧 223.Advances in CFD software for heat transfer and combustion calculations CFD软件在传热和燃烧计算上的进展 231.Pressurized circulating fluidized bed combustion technology 增压循环液化床燃烧技术 257.CFD modelling of heat transfer during gas phase olefin polymerisation 气相烯炔聚合过程传热CFD模拟 459.Numerical investigation of multi-dimensional reacting flow in a dump combustor 三维燃烧室多相反应流的数值研究 460.Analysis of turbulent flow and mixing in a three dimensional dump combustor 三维燃烧室的紊流和混合分析 461.Jet mixing in a three dimensional dump combustor 喷射混合的三维燃烧室 580. Modelling a Seat Fire on a Light Rail Vehicle 轻型有轨车辆座位着火的模拟 581. The Use of CFD in Design of Combustion Equipment CFD在设计燃烧设备中的应用 586. RTP modeling for CVD and thermal oxidation 快速热处理器（RTP）的化学表面沉积和热氧化的模拟 587. Diamond growth by methane injection into Hydrogen/Oxygen flames 在钻石生长中甲烷喷射对氢/氧火焰的影响 588. Prediction of heat transfer in the kraft recovery boiler superheatef region 在牛皮纸循环锅炉中的超燃区域中的传热计算 592. Burner supplements solar Stirling output 燃烧炉补充Stirling太阳能发动机的输出功 597. Flat flame Oxy-Fuel burner technology for glass melting 玻璃熔化过程中的平焰氧-燃料燃烧器技术 600. AIAA 99-0872 A point-coupled multigrid acceleration scheme for radiative heat transfer 应用于辐射传热的点耦合多重网格技术 601. On predictions of turbulent premixed flames using ZIMONT(s models 用ZIMONT模型计算湍流预混火焰 606. On prediction of turbulent premixed flames using ZIMONT(s model 用ZIMONT模型模拟湍流预混火焰 610. Computer simulation of inlet port helps improve fuel economy and emission 计算机模拟汽缸进口有助于提高燃油效率，减少泄露 627. CFD Analysis of the LOX-Augmented Nuclear Thermal Rocket (LANTR) Lox增强的热核火箭的CFD分析 641. American Flame Research Committee: Low Emissions and High Efficiency Combustion Solutions for Industry 美国火焰研究会：工业中一种低放射、高效率的燃烧模拟 645.Heat Transfer from Catalysts with Computational Fluid Dynamics 用计算流体力学模拟催化剂传热 657. Comparison of a Semi-analytic and a CFD Model of Uranium Combustion to Experimental Data 铀燃烧的半分析与CFD模拟与实验的比较