基于ANSYS的流体流动状态分析（层流与紊流）
发表时间： && 作者: 倪欣&&来源: e-works
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研究层流和紊流判断多借助试验进行分析，分析过程比较繁琐。借助ANSYS中的FLOTRAN CFD分析功能，可以很轻松地解决层流和紊流问题。
一、层流与紊流简介&&& 流体在管内流动时，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。此种流动称为层流或滞流，亦有称为直线流动的。流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。管内流体的平均流速与最大流速之比等于0.5，根据雷诺实验，当雷诺准数Re<2100时，流体的流动状态为层流。&&& 紊流是指流体从一种稳定状态向另一种稳定状态变化过程中的一种无序状态。具体是指流体流动时各质点间的惯性力占主要地位，流体各质点不规则地流动。 &&& 紊流一般相对“层流”而言。一般用雷诺数判定。雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数Re＜2000为层流状态，Re＞4000为紊流状态，Re＝为过渡状态。在不同的流动状态下，流体的运动规律．流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速与最大流速的比值也是不同的。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。&&& 研究层流和紊流判断多借助试验进行分析，分析过程比较繁琐。借助ANSYS中的FLOTRAN CFD分析功能，可以很轻松地解决层流和紊流问题。&&& ANSYS软件中的FLOTRAN CFD分析功能是一个用于分析二维和三维流体流动场的先进工具，使用FLOTRAN CFD分析中的FLUID 141和FLUID 141单元，可以解决如下问题：&&& 1）作用于气动翼型上的升力和阻力；&&& 2）超音速喷管中的流场；&&& 3）弯管中流场的复杂三维流动；&&& 同时FLOTRAN还具有以下功能：&&& 1）计算发动机排气系统中气体的压力和温度分布；&&& 2）研究管路系统中热的层化和分离；&&& 3）使用混合流研究来评估热冲击的可能性；&&& 4）用自然对流分析来估计电子封装中芯片的热性能；&&& 5）对含有多种流体的热交换器进行研究；二、FLOTRAN的分析类型：&&& (一)层流或湍流分析&&& 层流中速度场都是平滑而有序的，高粘性流体（如石油等）的低速流动通常是层流。&&& 湍流分析用于处理那些速度足够高，黏性足够低而引起的湍流波动的流体的流动情况，ANSYS中的二次湍流模型可用来模拟平均流动下湍流速度波动的影响。&&& (二)传热或绝热分析&&& 流体分析中常常会要求解流场中的温度分布情况，如果流体性质不随温度改变，就可不解温度方程而使流场收敛。在共轭传热中，要在同时包含流体和非流体的整个区域上求解温度方程。在自然对流传热中，流体由于温度分布不均匀性而导致流体密度分布的不均匀性，从而引起流体的流动，对强迫对流问题不同是：自然对流一般没有外部流动源。&&& (三) 可压缩或不可压缩流体分析&&& 对于高速气流，由很强的压力梯度而引起的流体密度的变化将显著的影响流体性质，对此种流动情况要使用本分析方法进行处理。&&& (四) 牛顿流或非牛顿流分析&&& 应力与应变率之间呈线性关系的这种理论不足以解释很多流体的流动，对于这种非牛顿流体，软件提供三种黏性模型和一个用户自定义子程序供用户使用。&&& (五) 多组分传输分析&&& 这种分析一般是用于研究有毒流体性质的稀释或大气中污染气体的传播情况，同时，也可以用于研究含有多种流体同时存在相互被固体分开的热交换分析。三、FLOTRAN的分析步骤作总结：&&& 1）确定问题的分析区域&&& 读者必须先确定分析问题的明确范围，将问题的边界设置在条件已知的地方，如果并不知道精确的边界条件而必须作出假定时，就不要将边界条件设在靠近感兴趣区域的地方，也不要将边界设在求解变化梯度大的地方。&&& 2）确定流体状态&&& 需要估计流体的特征，流体的特征是流体性质，边界几何以及流场的速度幅值函数。大多数情况下，近似认为流体性质是常数，即不随温度变化，都可以得到足够精确的解。&&& 可用马赫数来判断流体是否可压缩。流场中任意一点的马赫数是该点的流体速度与该点的音速的比值，当马赫数大于0.3时，就应该考虑用可压缩算法来进行计算。&&& 3）生成有限元网格&&& 如果用了湍流模型，靠近壁面区域的网格密度必须要比层流模型密得多。&&& 4）施加边界条件&&& 可在划分网格之前或之后对模型施加边界条件，此时要将模型的所有边界条件考虑进去。&&& 5）设置FLOTRAN分析参数&&& 为了使用诸如湍流模型或求解温度方程时，读者必须激活它们。&&& 6）求解&&& 7）查看结果四、实例&&& 以下是一个典型的工程实例，图1是一个二维的导流管模型，判断流体在导流管中的流动情况。 图1 &&& 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0。在所有壁面上施加无滑移边界条件，即所有速度分量都为0，假定流体不可压缩，在出口处施加的速度边界条件出口方向上速度为2 m/s，管内流体为空气。&&& 空气密度：1.205 kg/m3；空气黏性：1.8135e-5 kg/m .s；进口速度：20 m/s；出口速度：2m/s。&&& 边界条件施加完成后的整个模型如图2。 图2 图3 图4 &&& 图3是分析完成后，导流管中流体的速度矢量图，从图中可以非常清楚地看到：流体（空气）在这种型号的导流管中会发生湍流现象，流体速度分布是随机的。图4显示的是靠近导流管出口处的速度分布图，从这张图中也可以清楚看到，流体确实已经发生湍流。
责任编辑：杜凯安世亚太(PERA Global)
多体流体动力学软件 ANSYS AQWA
AQWA是一套集成模块，主要用于满足各种结构流体动力学特性评估相关分析需求，包括从桅、桁到EPSOs，从停泊系统到救生系统，从TLPs到半潜水系统，从渔船到大型船舶以及结构交互作用。
模块覆盖流体分析的全部范围，包含衍射/辐射（包括浅水效应）－ AQWA-LINE；具有随机波的频域－ AQWA-FER；具有随机波包括慢漂流的时域AQWA-DRIFT；具有宽大波的非线性时域－ AQWA-NAUT；包括停泊线的静动稳定性－ AQWA-LIBRIUM。时域和频域模块还包括耦合缆索动力学。最后所有的模块集成于强大的前后处理器AQWA－图形超级用户界面。
AQWA能够处理多达50个互联的结构，且能够考虑和流体的交互作用。
AQWA还可以作为浮动结构的完整流体和结构分析系统－AQWA-OFFSHORE，它结合了AQWA 和 ASAS并有网格划分和结果显示功能。
· 完全的集成系统
· 丰富的流体交互作用
· 多达50个互联的结构
· AQWA 超级图形用户界面
· 灵活的建模功能
· 耦合缆索动力学
· 能够集成软件以施加外部载荷
· 超过20年的用户适用证明和验证
· 直接将结果传输到 ASAS
AQWA是一个由衍射/辐射(AQWA-LINE)），包含停泊线的初始静动稳定性(AQWA-LIBRIUM) ，具有不规则波的频域(AQWA-FER) ，具有随机波包含慢漂流的时域（AQWA-DRIFT），具有不规则波的非线性时域（ AQWA-NAUT）等模块构成的完整集成系统。
这些模块被封装在强大的AQWA图形用户界面。
另外一个可选择的集成模块－耦合缆索动力学是实用的频域和时域模块，也具有强大的AQWA图形用户界面。
其它可选择的模块包括AQWA-LAUNCH和AQWA-FLOAT。这些模块用来模拟安装时的套管下水和浮动操作。AQWA图形用户界面可以从程序中提取出结果和动画演示。
浮动体间的流体动力学交互作用
AQWA可以考虑邻近结构间的流体动力学相互作用。因而某一结构的运动可能影响另一结构的运动。结构可以由缆索铰结、连接在一起，也可以相互独立无关。一种典型的应用为屏蔽效应分析。需要注意的是具有前进速度条件的流体动力学交互作用目前是不可用的。
功能强大的建模和结果查询
AQWA-Graphical Supervisor是程序的关键模块. 其主要功能如下：
· 数据编辑
· 自动网格产生
· 在线帮助
· 在线参考手册
· 在线指南/算例
· 分析的控制和监测
· 包括前进速度的弯曲动量/剪切力计算
· 分离力计算
· 模型缩放
· 结果演示
· 强大的图形工具
· 输出到电子表格
· 函数处理，如节点 RAOs
· 转换分析，如时域向频域的转换
· 波幅升降的显示
完整的流体动力学分析功能
AQWA不仅仅用于系泊系统或衍射辐射分析，也是通用的流体动力学分析软件，对多种问题提供了非常灵活的解决方法。具体应用实例包括：
· 停泊系统的设计和分析
· FPSOs 的运动分析
· 气隙的确定
· 船和障碍物屏蔽效应的计算
· LNG传递过程中多体相互作用
· 系泊耦合线－结构相互作用
· 带中间浮标的缆索动力学
· 半潜水状态时的分离力计算
· TLP 概念设计
· TLP 缆索分析
· 跌落物体轨迹计算
· 概念设计和波能量系统分析
· 浮船间升降操作的模拟
· 母船登陆卸载工艺
· 驳船/海船对大型近海结构的的运输分析
· 浮动分析
· 桅船的运动分析
耦合缆索动力学
利用这一独特模块，AQWA可以进行独立的或耦合的缆索动力学分析。这一功能既在频域可用(AQWA-FER)，也在时域模块可用（AQWA-DRIFT和 AQWA-NAUT)。频域求解非常快，以确定是否需要进行缆索动力学分析，然而精度仅大约为90％。时域分析可以提供非常高的精度，但是当然要使用更长的运行时间。
某些机构还坚持单独进行缆索动力学分析，这可以直接在AQWA Graphical Supervisor中进行。耦合缆索动力学的其它特点包括：
· 中间的浮筒
· 中间的配重
· 易浮悬链线
· 船舰间的缆索
外力载荷动态联接库
AQWA 5.5具有通过动态联接库(DLL)施加力载荷历史的能力。这一特点可使用户在“C++”或FORTRAN中产生他们自己的动态库来计算结构基于时间、位置和/或速度的力。同时在每一时间步定义了质量矩阵来模拟惯性力。计算可由最多100个整数参数和100个实数参数来控制，这些参数可以由用户输入然后传递到外部力程序。该功能可用于分析如下过程：
· 动态定位系统
· 航向校正系统
· 拖船提供的牵引力
· 具有特殊性质的阻尼系统
· 两船靠近时船体间或船与海床间的吸引力?
全面的校核和验证
AQWA已经开发了近30年。最初它被用于预测大型管套结构的下水和浮起，因为北部海域开始成为巨大的产油区。实际的下水试验证明AQWA能够以非常高的精度预测套管的运动。这使得LAUNCH/FLOAT程序成为了事实上的分析标准，此后该程序又融合了其它第三方软件，包括Exxon、DNV和 Bureau Veritas，功能得到了扩展并成为更通用的程序，又推出了AQWA-FER, AQWA-NAUT和AQWA-DRIFT。这些程序通过试验和其它比较得到了广泛验证。
AQWA-FER、AQWA-LINE和AQWA-LIBRIUM已被挪威海事管理局批准用于停泊分析。连同23个其它国际机构，AQWA被用于NTNF研究项目中的FPS2000比较试验，结果根据授权来使用。
传递结果用于应力分析
AQWA-WAVE是 AQWA-LINE和ASAS间的联接程序。对于给定的波方向，周期和频率，它读取压力和运动形式的结果，并且自动地作为压力和加速度应用到ASAS 有限元模型中。两种模拟间节点坐标的差别由系统自动解决。
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