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Abaqus CFD – Abaqus中的流体计算模块介绍

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发表于 2016-6-15 15:31 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  作为达索SIMULIA仿真平台中的重要组成部分,Abaqus在6.10版本中加入了CFD的流体计算模块,一直到发展到现今的6.14版本,Abaqus中的CFD模块正在逐渐得到内容上的补充和功能上的完善。

  本文主要对Abaqus6.14版本CFD模块的主要功能进行一些介绍。

  1. CFD模块的适用范围和对象
  目前,Abaqus/CFD的计算对象主要是不可压缩流体(Incompressible fluid),不可压缩流体是工程中最常见的一种流体类型,涉及这种流体类型的自然现象和工业过程如下:大气传播(气象)、食品加工、汽车的空气动力学设计、生物医学中的流动现象(人体血液)、电子元件的散热、工业制造过程(化学蒸汽沉降、模具填充、铸造),等等。

  满足如下条件的流体现象可被定义为不可压缩流体:
  1) 流速场为无散场,流体压力不含热动力成分;
  2) 流体声波含有的能量相比于对流传递的能量很小(马赫数在0到0.3之间)。

  在满足不可压缩流体的条件下,CFD的计算对象与过程可以是:
  1) 层流或湍流,定常流或非定常流;
  2) 内部(internal)或外部(external)流动;
  3) 包含能量传输和浮力现象的流动;
  4) 包含可变型网格和ALE(自适应网格)计算;
  5) 与热传导和结构耦合计算。

  2. 控制方程及数值求解方法

  1) 运动方程:
  Abaqus/CFD计算中的流体运动方程为不可压缩流体动量守恒方程,即Navier-Stokes方程。Abaqus/CFD的不可压缩流体求解器(Incompressible solver)采用守恒方程的积分形式,在计算非定常流动时,采用投影方法(Projection method),而在计算定常流动时,采用(SIMPLE method)。在离散化模型时,Abaqus/CFD对流体压力采用node-centered的有限元方法,而对其他变量(流速、温度、湍流等)采用cell-centered的有限体积方法。这种混合离散方法既能保证求解的精确度,又能在保留与传统有限体积法相关的局部守恒属性的基础上,消除伪压力模式(spurious pressure modes)。

  2) 能量方程:
  在Abaqus/CFD计算过程中,采用Boussinesq近似方法,可以选择性的激活普适的能量输运方程,进行流体运动方程和能量守恒方程的耦合求解。Abaqus/CFD支持基于湍流涡流粘度和Prandtl数的能量传输计算。

  3. 湍流模型
  在Abaqus/CFD中,在非定常瞬态计算模式下,可以进行隐式大涡流仿真计算(Implicit Large-Eddy Simulation, ILES)。
  在Abaqus6.14版本中,Abaqus/CFD支持如下4种湍流模型:
  1) Spalart-Allmaras (SA) turbulence model;
  2) K-epsilon RNG turbulence model;
  3) K-epsilon realizable turbulence model;
  4) K-omega SST turbulence model

  4. 初始条件
  在Abaqus/CFD中可设定如下初始条件:密度、流速、温度、涡流粘度、湍流动能和耗散率。

  5. 边界条件
  在Abaqus/CFD中可设定如下边界条件:流速、温度、压力和涡流粘度。以上边界条件可以通过定义Amplitude的方式在计算过程中改变数值。
  需要注意的是,在FSI边界(流固耦合边界)上的位移和速度边界条件是自动计算并赋值的,所以不用也不能人工定义。

  6. 载荷定义
  在Abaqus/CFD中可设定如下载荷:热流、体热源、广义体力和重力。

  7. 材料定义
  在Abaqus/CFD中定义材料属性遵从Abaqus惯例,可定义材料属性如下:粘度、等压比热、密度和热膨胀系数。

  8. 单元类型
  Abaqus/CFD支持的单元类型如下:8节点六面体单元FC3D8;6节点三角形棱柱单元FC3D6;5节点角锥体单元FC3D5;4节点四面体单元FC3D4。

  9. 结果输出
  Abaqus/CFD输出的计算结果包括:节点和表面的场变量数据,单元和表面的历史数据。对于节点和单元,可输出结果如下:流速(V)、温度(TEMP),压力(PRESSURE)和涡流粘度(TURBNU)。对于预选场变量,可输出如下结果:位移(U)。

  综上所述,Abaqus/CFD模块可以解决大部分工程中的不可压缩流体问题。随着达索SIMULIA仿真平台的开发和完善,Abaqus/CFD作为Abaqus有限元仿真计算软件的重要组成部分,天然的具有和Abaqus其他模块间数据传递的便捷性。相比fluent、CFX和star-CD等第三方软件,Abaqus/CFD在和Abaqus/Standard、Abaqus/Explicit等模块的耦合计算方面有着不小的优势,对于一些相对不复杂的流体计算问题和流固耦合计算问题、流、固、热耦合计算问题,完全可以通过Abaqus内部的计算模块之间的耦合功能实现。

  对于Abaqus的多物理场耦合计算,即Abaqus Co-simulation功能,将在之后的博文中介绍。



转自:http://blog.sina.com.cn/s/blog_68d0921b0102vk85.html

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