1.5 FLOTRAN分析步骤

一个典型的FLOTRAN分析有如下7个主要步骤：

●确定问题的区域。

●确定流体的状态。

●生成有限元网格。

●施加边界条件。

●设置FLOTRAN分析参数。

●求解。

●检查结果。

●具体内容如下：

（1）确定问题的区域

用户必须确定所分析问题的明确的范围，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假设时，就不要将分析的边界设在靠近感兴趣区域的地方，也不要将边界设在求解变量变化梯度大的地方。有时，并不知道问题中哪个地方梯度变化最大，这就要先作一个试探性的分析，然后再根据结果来修改分析区域。这些在后面章节中都有详述。

（2）确定流体的状态

用户在此需要估计流体的特征，流体的特征是流体性质、几何边界及流场的速度幅值的函数。FLOTRAN能求解的流体包括气流和液流，其性质可随温度而发生显著变化，FLOTRAN中的气流只能是理想气体。须确定温度对流体的密度、黏性和热传导系数的影响是否很重要，在大多数情况下，近似认为流体性质是常数，即不随温度而变化，都可以得到足够精确的解。

通常用雷诺数来判别流体是层流还是紊流，雷诺数反映了惯性力和黏性力的相对强度，详见第4章。

通常用马赫数来判别流体是否可压缩，详见第3章。流场中任意一点的马赫数是该点流体速度与该点音速的比值，当马赫数大于0.3时，就应考虑用可压缩算法进行求解；当马赫数大于0.7时，可压缩算法与不可压缩算法之间就会有极其明显的差异。

（3）生成有限元网格

用户必须事先确定流场中哪个地方流体的梯度变化较大，在这些地方，网格必须作适当的调整。例如，如果用了紊流模型，靠近壁面的区域的网格密度必须比层流模型密得多，如果太粗，该网格就不能在求解中捕捉到由于巨大的变化梯度对流动造成的显著影响；相反，那些长边与低梯度方向一致的单元可以有很大的长宽比。

为了得到精确的结果，应使用映射网格划分，因为其能在边界上更好地保持恒定的网格特性，映射网格划分可由命令“MSHKEY，1”或其相应的菜单Main Menu→Preprocessor→Meshing-Mesh→Entity-Mapped来实现。

（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，此时要将模型所有的边界条件都考虑在内，如果与某个相关变量的条件没有加上去，则该变量沿边界的法向值的梯度将被假设为零。求解中，可在重启动之前改变边界条件的值，如果需改变边界条件的值或不小心忽略了某边界条件，可无需作重启动，除非该改变引起了分析的不稳定。

（5）设置FLOTRAN分析参数

为了使用诸如紊流模型或求解温度方程等选项，必须激活它们。诸如流体性质等特定项目的设置，是与所求解的流体问题的类型相关的，该手册的其他部分详细描述了各种流体类型的所建议的参数设置。

（6）求解

通过观察求解过程中相关变量的改变率，可以知道求解的收敛性及稳定性。这些变量包括速度、压力、温度、动能（ENKE自由度）和动能耗散率（ENDS自由度）等紊流量及有效黏性（EVIS）。一个分析通常需要多次重启动。

（7）检查结果

可对输出结果进行后处理，也可在打印输出文件中对结果进行检查，此时应使用自己的工程经验来估计所用的求解手段、所定义的流体性质及所加的边界条件的可信程度。

实例1-1——亚声速喷管内二维定常流动

该算例是一个二维的亚声速喷管流动分析。分析区域如图1-3所示，进口速度为10m/s，出口为一个大气压，由于流速较低，忽略流体的可压缩性。假设流体密度为1kg/m ³ ，流体黏度为0.001Pa·s，进口段宽度为2.5m，进口段长度为4m，过渡段长度为2m，出口段长度为6m，出口段宽度为1m。该算例所用单位制为国际单位制。

【光盘文件】

——附带光盘“Ch1\实例1-1_start”

——附带光盘“Ch1\实例1-1_end”

——附带光盘“AVI\Ch1\1-1.avi”

【操作步骤】

（1）设置分析选项

选择Main Menu→Preference命令，弹出如图1-4所示的Preferences for GUI Filtering对话框，在Individual discipline(s) to show in the GUI栏中选择FLOTRAN CFD选项，单击OK按钮关闭该对话框。

（2）定义工作文件名

选择Utility Menu→File→Change Jobname命令，弹出如图1-5所示的Change Jobname对话框，在Enter new jobname后面的文本框中输入“Example 1-1”，选择“New log and error files？”复选框为Yes，单击OK按钮关闭该对话框。

（3）定义工作标题

选择Utility Menu→File→Change Title命令，弹出如图1-6所示的Change Title对话框，在Enter new title后面的文本框中输入“CFD analysis of a nozzle”，单击OK按钮关闭该对话框。

（4）定义单元类型

选择Main Menu→Preprocessor→Element Types→Add/Edit/Delete命令，弹出Element Types对话框。单击Add按钮，弹出如图1-7所示的Library of Element Types对话框，在左面的列表栏中选择FLOTRAN CFD，在右面的列表栏中选择2D FLOTRAN 141，单击OK按钮，再关闭对话框，完成单元类型的设置。

（5）生成分析区域的几何面

该步首先定义三个面分别表示喷管的进口和出口的两个矩形面，以及一个表示过渡段的面；随后，利用对称命令，形成一个完整的二维喷管流动分析区域。

1）生成进口段，选择Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Rectangle→By Dimensions。

2）在弹出的如图1-8所示的Create Rectangle by Dimensions对话框中，在X1，X2 Xcoordinates中输入“0”，“4”，在Y1，Y2 Y-coordinates中输入“0”，“ 1.25”。

3）单击Apply按钮。

4）生成出口段，又弹出如图1-8所示的对话框，在X1，X2 X-coordinates中输入“6”，“12”，在Y1，Y2 Y-coordinates中输入“0”，“ 0.5”。

5）单击OK按钮关闭该对话框。

6）选择Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Tan to 2 Lines，弹出如图1-9所示的Line Tangent to 2 Lines对话框。

7）选择左侧矩形的上面一条线作为第一条切线，再在选择菜单中单击OK按钮。选择该线的右端点作为第一切点，再在选择菜单中单击OK按钮。

8）选择右侧矩形的上面一条线作为第二条切线，再在选择菜单中单击OK按钮。选择该线的左端点作为第二切点，再在选择菜单中选择OK按钮。

9）在选择菜单中单击OK按钮，生成的结果线是一条界于两个矩形之间的光滑曲线。

10）选择Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→Through KPs，弹出如图1-10所示的Create Area thru KPs对话框，分别选择界于两个矩形之间的光滑曲线上的两个端点，再选择左侧矩形的右下角和右侧矩形的左下角，注意一定按顺序选择。随后单击OK按钮关闭该对话框。

11）选择Main Menu→Preprocessor→Modeling→Reflect→Areas，弹出如图1-11所示的Reflect Areas对话框。在Plane of symmetry中，选择“X-Z plane Y”，单击OK按钮。

12）合并面：选择Main Menu→Preprocessor→ Modeling→Operate→Booleans→Add→Areas，在弹出的如图1-12所示的对话框中，单击Pick All按钮，至此完成二维喷管分析区域的建模。

（6）定义单元形状

1）显示线编号：选择Utility Menu→PlotCtrls→Numbering，弹出如图1-13所示的Plot Numbering Controls对话框，单击LINE Line numbers后面的单选按钮On，单击OK按钮关闭该对话框。

2）显示线：选择Utility Menu→Plot→Lines。

3）合并线：选择Main Menu→Preprocessor→ Modeling→Operate→Booleans→Add→Lines，弹出如图1-14所示的Add Lines对话框，在如图1-15所示的图中，单击L4，在弹出的如图1-16所示的Add Lines对话框中，单击OK即完成合并操作。同理，对L6采取同样的合并操作步骤。

4）设置单元尺寸：选择Main Menu→Preprocessor→Meshing→Size Cntrls→ManualSize→Lines→Picked Lines，选择进口区的上下两条直线L3和L13，在选择菜单中单击Apply按钮。在弹出的如图1-17所示的Element Sizes on Picked Lines对话框中，在No. of element divisions中输入“12”，在Spacing ratio中输入“-2”，单击Apply按钮。选择过渡区的上下两条曲线L9和L19，并单击Apply按钮，在弹出菜单的No. of element divisions中输入“9”，在Spacing ratio中输入“1”，单击Apply按钮。选择出口区的上下两条直线，并单击Apply按钮，在弹出菜单的No. of element divisions中输入“15”，在Spacing ratio中输入“0.4”，单击Apply按钮。选择剩下的两条垂线，并单击OK按钮，在弹出菜单的No. ofelement divisions中输入“10”，在Spacing ratio中输入“-2”，单击OK按钮关闭该对话框。

5）关闭线标号：选择Utility Menu→PlotCtrls→Numbering，在弹出的对话框中，单击LINE Line numbers后面的单选按钮Off，单击OK按钮关闭该对话框。

（7）划分有限元网格

选择Main→Preprocessor→Meshing→MeshTool，在弹出的如图1-18所示的MeshTool对话框中，采取映射网格划分，选择mapped，在下拉菜单中选择Picked corners，单击Mesh按钮，首先选择喷管面，接着顺序选择线L4和L6的四个端点，生成网格如图1-19所示。

（8）施加边界条件

在模型的进口处加X方向速度为10m/s，其他方向速度为零的进口速度边界条件；在所有壁面处加两个方向速度都为零的速度条件，在出口处加零压力边界条件。

1）施加进口边界条件：选择Utility Menu→Select→Entities，弹出如图1-20所示的Select Entities对话框，在最上面的下拉列表框中选择Lines和By Num/Pick，单击OK按钮，选择进口垂线L4，单击OK按钮，然后再次选择Utility Menu→Select→Entities，在弹出的如图1-21所示的对话框最上面的下拉列表框中选择Nodes和Attached to，在邻近的选项中选择“Lines，all”，单击OK按钮，即选择了进口边的所有节点。选择Main Menu→Preprocessor→Loads→Define Loads→Apply→Fluid/CFD→Velocity→On Nodes，单击Pick All按钮，在弹出的如图1-22所示的对话框的VX Load value中输入“10”，在VY和VZ中均输入“0”，单击OK按钮关闭该对话框。

2）选择所有实体：选择Utility Menu→Select→Everything。

3）施加固壁边界条件：选择Utility Menu→Select→Entities，在弹出的对话框的最上面的下拉列表框中选择Lines和By Num/Pick，单击OK按钮，选择表示上下6个壁面的6条线L3、L13、L9、L19、L7、L17，单击OK按钮，然后再次选择Utility Menu→Select→Entities，在弹出对话框最上面的下拉列表框中选择Nodes和Attached to，在邻近的选项中选择“Lines，all”，单击OK按钮，即选择了所有壁面的所有节点。选择Main Menu→Preprocessor→Loads→Define Loads→Apply→Fluid/CFD→Velocity→On Nodes，单击Pick All，在弹出的对话框的VX、VY和VZ中均输入“0”，单击OK按钮。

4）选择所有实体：选择Utility Menu→Select→Everything。

5）施加出口边界条件：选择Utility Menu→Select→Entities，在弹出的对话框的最上面的下拉列表框中选择Lines和By Num/Pick，单击OK按钮，选择出口垂线L6，单击OK按钮，然后再次选择Utility Menu→Select→Entities，在弹出的对话框最上面的下拉列表框中选择Nodes和Attached to，在邻近的选项中选择“Lines，all”，单击OK按钮，即选择了出口边的所有节点。选择Main Menu→Preprocessor→Loads→Define Loads→Apply→Fluid/CFD→Pressure DOF→On Nodes，单击Pick All，在弹出的如图1-23所示的Apply PRES on

nodes对话框的PRES Pressure value中输入“0”，单击OK按钮。

6）选择所有实体：选择Utility Menu→Select→Everything。

（9）求解

该步首先改变FLOTRAN分析选项和流体性质，然后设置执行控制，并开始求解。

1）设置求解选项：选择Main Menu→Solution→FLOTRAN SetUp→Solution Options，弹出如图1-24所示的对话框，将“Laminar or turbulent？”项设为“Turbulent”，单击OK按钮关闭该对话框。

2）设置迭代次数：选择Main Menu→Solution→FLOTRAN SetUp→Execution Control，弹出如图1-25所示的对话框，在Global iterations项中输入“500”，单击OK按钮关闭该对话框。

3）设置流体性质：选择Main Menu→Solution→FLOTRAN SetUp→Fluid Properties，弹出如图1-26所示的对话框，保持默认，单击OK按钮，在弹出的如图1-27所示的对话框中，在Density中输入“1”，在Viscosity中输入“0.001”，单击OK按钮。

4）选择Utility Menu→Select→Everything，选择Utility Menu→file→Save as命令，弹出Save Database对话框，在Save Database to文本框中输入“1-1_start.db”，保存上述操作过程，单击OK按钮关闭该对话框。

5）求解：选择Main Menu→Solution→Run FLOTRAN，开始进行求解。当弹出Solution is Done对话框时，表示求解过程已经结束，单击Close按钮关闭该对话框。

6）选择Utility Menu→file→Save as命令，弹出Save Database对话框，在Save Database to文本框中输入“1-1_end.db”，保存求解结果，单击OK按钮关闭该对话框。

（10）后处理

1）调入最后迭代步的结算结果：选择Main Menu→General Postproc→Read Results→Last Set。

2）以矢量方式显示速度分布结果：选择Main Menu→General Postproc→Plot Results→Vector Plot→Predifined，弹出如图1-28所示的Vector Plot of Predefined Vectors对话框。在Vector item to be plotted后面的第一列表中选择DOF solution，在第二列表中选择Velocity V，单击OK按钮，所得到的结果如图1-29所示。

3）绘制压力等值线图：选择Main Menu→General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu，弹出如图1-30所示对话框，在Item to be contoured后面的两个列表框中分别选择DOF solution和Pressure，单击OK按钮，所得到的结果如图1-31所示。

4）选择工具栏中的“QUIT”按钮，在弹出的如图1-32所示的Exit from ANSYS对话框中，在Exit from ANSYS选项中，任意选择一项。单击OK按钮，退出ANSYS。