流热仿真课后作业

第一章

1、计算流体动力学的基本任务是什么？

答：计算流体动力学，简称CFD，是通过计算机数值计算和图像显示，对包含流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD可以看作是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这种模拟我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度）的分布，以及这些物理量随时间的变化，确定漩涡分布的特性、空化特性及脱流区等。

2、什么叫控制方程？常用的控制方程有哪几个？各用在什么场合？

答：（1）流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动包含了不同组分的混合成相互作用系统，还要遵守组分守恒定律，而控制方程是这些守恒组分守恒定律，而控制方程是这些守恒定律的数学描述。

（2）①质量守恒方程：任何流动问题都必须满足；②动量守恒方程：任何流动系统都必须满足；③能量守恒方程：包含有热交换的流动系统必须满足。 3、试写出变径圆管内液体流动的控制方程及其边界条件（假定没有热交换），并写出用CFD来分析时的求解过程。注意说明控制方程如何使用。

第二章

1、什么叫离散化？意义是什么？

2、常用的离散化方法有哪些？各有何特点？

3、简述有限体积法的基本思想，说明其使用的网格有何特点？

4、简述瞬态问题与稳态问题之控制方程的区别，说明在时间域上离散控制方程的基本思想及方法？

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5、分析比较中心差分格式、一阶迎风格式、混合格式、指数格式、二阶迎风格式、QUICK格式各自的特点及使用场合？

第四章

1、湍流流动的特征是什么？

答：Reynolds数值大于临界值，流动呈现无序的混乱状态。这时，即使边界条件保持不变，流动也是不稳定的，速度等流动特性都随机变化。 2、三维湍流数值模拟的方法分类？

答：直接数值模拟方法、非直接数值模拟方法。 3、标准k—ε模型方程的解法及适用性？ 4、Realizable K—ε模型的适用模型？

答：Realizable K—ε模型已被有效地用于各种不同类型的流动模拟，包括旋转均匀剪切流、包含有射流、混合流的自由流动、管道内流动、边界层流动、以及带有分离的流动等。

5、LES方法的基本思想如何？它与DNS方法有怎样的联系和区别？它的控制方程组与时均化方法的控制方程有什么异同？

答：（1）LES方法的主要思想是：用瞬时的N-S方程直接模拟湍流中的大尺度涡，不直接模拟小尺度涡，而小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。

（2）LES和DNS是湍流数值模拟常用的方法，DNS是直接用瞬时的N-S方程对湍流进行计算，最大好处是无需对湍流流动作任何简化或近似，理论上可以得到相对精确的计算结果，是直接数值模拟方法，而LES是非直接数值模拟方法，同时，DNS对内存空间及计算速度的要求高于LES。

（3）LES方法的控制方程组不考虑脉动对湍流运用的影响，将湍流运动看作是时间上的平均流动而DNS考察脉动的影响，把湍流运动看作是时间平均流动和

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瞬时脉动流动的叠加。

6、简述标准K—ε模型的基本思想及相应的控制方程组，说明如何解决湍流应力的计算问题？

答：（1）基本思想：在关于湍动能K的方程基础上，再引入一个关于湍动耗散率ε的方程，形成K—ε两方程模型。

（2）控制方程组：见课本P121的4.24和4.25公式。

（3）如何计算问题：在标准K—ε模型中，对于Keynolds应力各个分量，假定粘度系数Mt是相同的，即假定Mt是各向同性的标量。而在弯曲流线情况下，湍流是各向异性的，Mt应该是各项异性的张量。

7、简述什么是高Re数湍流模型。试对标准K—ε模型、低Re数K—ε模型、RNG K—ε模型、Realizable K—ε模型、Reynolds应力方程模型、代数应力方程模型等多种不同层次的湍流模型，综合处理近壁区湍流的数值方法。

答：（1）高Re数湍流模型：流体试验表明，当Reynolds数小于某一临界值时，流动是平滑的相邻的流体层被彼此有序地流动，这种流动称作层流；当Reynolds数大于临界值时，会出现一系列复杂的变化，最后导致，流动特征的本质变化，流动呈现无序的混乱状态，这时，即使是边界条件保持不变，流动也是不稳定的，速度等流动特征都随机变化，这种状态称为湍流，相对于湍流问题的结局建立的方程即为高Re数湍流模型。

（2）高Re数的湍流计算模型是针对湍流发展非常充分的湍流流动来建立的。在近壁区内的流动，湍流发展并不充分，湍流的脉动影响可能不如分子黏性的影响大，在更近面底层内，流动可能处于层流状态，故，对Re数较低的流动使用上述建立的K—ε模型计算，就会出现问题。于是用壁面函数法或采用低Re数的模型。以低Re数K—ε模型为例：对高Re数K—ε模型进行修改：①控制方程扩散

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系数同时包括湍流扩散系数与分子扩散系数两部分。②考虑不同流态影响。③壁面附近湍动能的耗散不是各向同性的。在此基础上写Re数K—ε模型的运输方程。 8、自己选择或设计一个平面湍动射流问题或其他类似的湍流问题，写出用RNG K—ε模型计算该流程的控制方程及其边界条件，说明用数值方法求解控制方程组的步骤。

第五章

1、什么叫边界条件？有何物理意义？它与初始条件有什么关系？

答：（1）边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随时间和地点的变化规律。（2）对于任何问题，都需要给定边界条件。（3）初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况，对于瞬态问题，必须给定初始条件，稳态问题，则不用给定。对于边界条件与初始条件的处理，直接影响计算结果的精度。

2、常用的边界条件有哪些？请自己设计一个或几个物理问题，将这些边界条件全部用到。

答：（1）常用的边界条件包括：①进口边界、出口便捷：速度进口、压力进口、质量进口、出流、压力出口、压力远场、进风口、排风口、进气扇、排气扇。②壁面、重复、轴类边界：壁面、对称、周期、轴。③内部单元区域：流体、固体。④内部表面边界：风扇、散热器、多孔介质阶跃、内部界面。

第六章

1、网格在CFD计算中有怎样的作用？对计算结果有什么样的影响？

答：（1）网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体。（2）网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要影响，对于复杂的CFD问题，网格生成极为耗时，且极易出错，生成网格所需时间常常大于实际CFD计算的时间。

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2、常用的网格类型有哪些？各有什么优缺点？各在什么场合下使用？

答：（1）网格类型有结构网格和非结构网格。（2）结构网格的网格中带节点，排列有序，邻点的关系明确，对于复杂的几何区域结构网格是分块构造的；非结构网格的网格中节点的位置无法用一个固定的法则予以有序地命名，网格的生成过程比较复杂，但却有着极好的适应性，尤其对于具有复杂边界条件的流场计算问题特别有效。非结构网格一般通过专门的程序或软件来生成。

3、常用的二维及三维单元有哪些？与网各类型的对应关系是什么？各处的特点是什么？

答：在结构网格中，常用的2D网格单元是四边形单元，3D网格单元是六面体单元。在非结构网格中，常用的2D网格单元还有三角形单元，3D网格单元还有四面体单元和五面体单元。

4、为何在划分网格后，还要指定边界类型和区域类型？常用的边界类型和区域类型有哪些？各用在什么条件下？

答：（1）因为CFD求解器定义了多种不同的边界，如壁面边界、进口边界、对称边界等，因此在GAMBIT中需要先指定所使用的求解器名称，然后指定网格模型中各边界的类型，如果模型中包含有多个区域，如同时有流体区域和固体区域，或者是动静联合计算中两个流体区域的运动不同，那么必须指定区域的类型和边界，将各区域区分开来。

（2）①每一种求解器都提供了多种类型的边界，如FLUENT中提供了WALL（壁面）、OUTLET(出口)、SYSMETRY（对称面）等10多种边界，一般情况下各边界的类型需要逐个指定，只有当多条边界的类型和边界值完全相同时才可以一起指定，否则在FLUENT中没法区分。②许多CFD求解器提供了Fluid（流体）和Solid（固体）两种区域类型。若网格模型中包含有多个区域时，需要分别为每个区域指定

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类型，如果模型中只有一个面或者一个体，可以不指定区域。 5、三维问题与二维问题的网格划分有哪些地方是不一样的？

答：（1）二维问题对应的是面网格，网格划分需要指定的是面，而三维问题对应的是体网格，网格划分时需要指定的是体。（2）两者的网格单元和网格类型不尽相同，在三维问题中常用的网格单元包括Hex（六面体）、Hex/wedge(网格主要由六面体组成，个别位置允许有楔形体)、Tex/Hybrid（网格主要由四面体组成，个别位置可以有六面体、锥形体或楔形体）；常用的网格类型：Map（规则）、Submap（块）、cooper（非结构）、T-Grid(混合)等。二维网格单元由三种：Quad（只包括四边形）、Tri（三角形）、Quad/Tri（主区域）；二维的网格类型有：Map、Submap、Puve、Tri-Primitive、wedge、Primitive共5种。 6、如何评价网格模型的质量？

答：EquiSize Skew（尺寸扭曲率）和EquiAngle Skew（角度扭曲率）是评判网格质量最主要标准，其值越小，网格质量越高。一般来说，Fluent要求扭曲率3D小于0.85，2D小于0.75。

第七章

1、FLUENT的主要功能包括哪些？

答：主要功能包括：导入网格模型、提供计算的物理模型、施加边界条件和材料特性、求解和后处理。

2、FLUENT提供了哪些主要计算模型？各用在什么场合下？

答：（1）多相流模型：①VOF模型：流体喷射、流体中大泡运动、流体大坝坝口流动、气液截面及稳定和瞬态处理等；②Mixture模型：模拟各相有不同速读的多相流；③Eolerian模型：模拟多相分流及相互作用的相。

（2）黏性模型：①Inviscid模型：进行无黏计算；②Laminar模型：用层流

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的模型进行流动模拟；③Spalart-Allmaras(1 eqn)模型：用于求解动力涡黏输运方程的相对简单的一种；④K-epsilon(2 eqn)模型：用K-ε双方程模型进行湍流计算；⑤K-omege(2 eqn)模型：用K-ω双方程模型进行湍流计算；⑥Reynolds Stress模型：使用Reynolds应力模型（RSM）进行湍流计算；⑦Large Eddy Simulation模型：三维问题，大涡模拟（LES）进行湍流计算。

（3）辐射模型：火焰辐射传热、表面辐射换热、导热、对流与辐射的耦合问题，采暖、通风、空调中通过窗口的辐射换热及汽车车厢的传热分析、玻璃加工及玻璃纤维拉拔和陶器的加工等。

（4）组分模型：用于对化学组分的输运和燃烧等化学反应进行模拟。 （5）离散相模型：用Lagrangian公式计算离散相的运动轨迹，预测连续相中由于湍流涡旋作用而对颗粒造成的影响，离散相加热或冷却、液滴蒸发与沸腾、液体迸裂与合并、模拟煤粉燃烧以及连续相与离散相相同的耦合等。

（6）污染物模型：用以模拟NOX及烟灰形成过程。 3、何时需要使用能量方程？

答：对研究的流动问题考虑热交换、黏性生热时需要使用能量方程。

4、何为流体区域和固体区域？为何要使用区域的概念？FLUENT怎样使用区域？ 答：（1）①流体区域时一个单元组，即一个区域，在设置流体区域时，允许设置热、质量、动量、湍动能、组分以及其他标量型变量的源项，有关数据通过Fluid对话框输入；②固体区域也是一个单元组，用来进行传热求解计算，不进行任何流动计算。固体区域仅需要输入Solid类型的材料名称，允许设定热的体积源项或指定温度为定值，同时还可指定区域的运动方式。（2）Fluent中使用区域的概念，主要是为了区分分块网格生成，边界条件的定义等等；

5、在FLUENT中，材料包含哪些属性？用在何处？如何使用FLUENT数据库中已定

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义好的材料？

答：（1）在FLUENT中常用的材料包括Fluid(流体)和Solid(固体)两种。Fluid材料包含的属性有：密度或分子量、粘度、比热容、热传导系数、质量扩散系数、标准状态焓、分子运动论参数。（2）Solid材料只有密度、比热容和热传导系数属性。（3）使用材料面板修改材料属性，①在材料类型下拉菜单中选择材料类型；②在流体、固体或其它材料下拉菜单中选择你所需要修改属性的材料；③修改相关属性；④点击改变/创建按钮将所选择的材料属性改变为新的属性。 6、常用的边界条件包含哪些？周期性边界条件和对称性边界条件如何使用？ 答：（1）常用的边界条件包括：①进口边界、出口边界：速度进口、压力进口、质量进口、出流、压力出口、压力远场、进风口、排风口、进气扇、排气扇。②壁面、重复、轴类边界：壁面、对称、周期、轴。③内部单元区域：流体、固体。④内部表面边界：风扇、散热器、多孔介质阶跃、内部界面。

（2）①周期性边界条件用于所计算的物理几何模型和所期待的流动的解具有周期性重复的情况，通过Periodic对话框设置周期性边界条件；②对称边界条件用于物理外形及所期望的流动的解具有镜像对称特征的情况，也可用来描述黏性流动中的零滑移壁面。

7、分析各种空间离散格式对解的影响及其适用性

答：扩散方程的扩散项一般采用中心差分格式离散，对流项可采用多种不同的格式进行离散。黏性项总是自动地使用二阶精度的离散格式。默认情况下，当使用分离式求解器时，所有方程中对流项均用一阶迎风格式离散；当用耦合式求解器时，流动方程使用二阶精度格式，其他方程使用一阶精度格式进行离散。 8、如果监视FLUENT的计算结果？如果判断计算是否发散？

答：（1）可以采用残差控制面板来显示；或者采用通过某面的流量控制；如监控

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出口上流量的变化；采用某点或者面上受力的监视；涡街中计算达到收敛时，绕流体的面上受的升力为周期交变，而阻力为平缓的直线。（2）观察点处的值不再随计算步骤的增加而变化；各个参数的残差随计算步数的增加而降低，最后趋于平缓；要满足质量守恒（计算中不牵涉到能量）或者是质量与能量守恒（计算中牵涉到能量）。

9、在计算完成后，如何显示某一断面上的温度值？如何得到速度矢量图？如何得到流线？

答：（1）将Fluent计算的date和case文件导入到tecplot中，断面做切片图显示（2）选择Display/Velocity Vectors命令，弹出Vectors对话框，用户通过Surfaces列表指定要显示哪个表面的速度矢量，通过Vectors Of决定显示哪种速度（绝对速度或相对速度）及根据什么变量（温度值、湍动能等）的值来决定颜色，通过Options设置类似Contours对话框中的选项。（3）通过Displays/Path Lines命令，弹出Path Lines对话框，用户可指定粒子从哪个表面上释放出来，然后说明相关选项，如Step Size和Steps，便可显示流线。

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