FLUENT后处理中的表面积分、通量和力

2016-10-24  by:CAE仿真在线  来源:互联网

翻译自《ANSYS FLUENT Theory Guide》


一、表面积分


1.Area

用于计算指定表面的面积。实际上是对指定表面的网格面面积求和。网格面可以是三角形或四边形。

2.Integral

表面积分是对网格面积与选定变量的点积求和,这些变量可以是密度或压力


3.Area-weighted Average

计算物理量的面积积分:所有网格面上的物理量与对应网格面的面积乘积之和除以总面积

4.Flow Rate

计算通过表面的物理量的流率:

5.Mass flow rate质量流量

计算通过表面的质量流量:

6.mass-weighted average质量平均

计算物理量的质量平均:

7.sum of field variable

变量求和:计算所选几何上的所有网格面上变量的和。

8.Facet average

网格面平均:所有网格面上的物理量之和与网格面数求商

9.Facet Minimum

得到选定表面上的所选物理量的最小值

10.Facet Maximum

得到选定表面上的所选物理量的最大值

11.Vertex Average

顶点平均:所有顶点上的物理量之和与顶点数求商

12.Vertex Minimum

得到选定表面上所有vertex上的所选物理量的最小值

13.Vertex Maximum

得到选定表面上所有vertex的所选物理量的最大值

14.Standard deviation

计算指定表面上的指定物理量的标准差:

式中为每一facet上的cell值,为变量的平均值:

15.Uniformity Index(均匀性指数)

均匀性指数描述了指定表面上指定的物理量的变化情况,1为最大值。均匀性指数能够采用面积或质量进行衡量:area-weighted均匀性指数捕捉量的变化(如组分浓度),mass-weighted均匀性指数捕捉通量的变化(如组分通量)

指定场变量


的area-weighted均匀性指数(

)利用下式进行计算:

其中i为一个拥有n个网格面的网格面索引,

为整个表面的变量平均值:

指定场变量


的mass-weighted均匀性指数(

)利用下式进行计算:

其中i为一个拥有n个网格面的网格面索引,

为整个表面的变量平均值:

16.Volume Flow Rate

通过表面的体积流量计算:

FLUENT中的变量值是存储于cell中的,所以facet value及vertex value均是通过插值得到的。


二、通量及力


ANSYS FLUENT提供了一系列工具用于计算表面积边界上的物理量。这些工具允许用户获取通过边界的传热率、边界上的力及力矩以及表面或体积上的面积、积分值、流量、平均值、质量平均值等。另外,用户可以输出几何及求解数据的图表,为无量纲系数计算输入参考数据,计算表面投影面积。用户同样可以保存当前工程的模型、边界条件以及求解设置报表。主要包括以下内容:

  • 穿过边界的通量

  • 边界上的力

  • 面积积分

  • 体积积分

1.穿过边界的通量

  • Mass flow rate:通过对密度、速度向量以及投影面积的点积求和,计算通过边界的通量

  • Total heat transfer rate:计算整个表面的总热传率


    ,其中

    为对流热传率,
    为辐射热传率。通过面的传热计算取决于所制定的边界条件。例如,在一个恒温壁面上的热传导利用热传导系数、面积投影以及温度梯度的点积来计算。对于流动边界,总热传率为守恒量的流量。由于受到所使用模型的限制,总热传率可能包含显焓或总焓的对流及能量扩散通量等。注意所有的焓值计算中所使用的参考温度为298.15K。

  • Radiation heat transfer rate:求和计算整个面上的辐射传热率

 

2.计算力、力矩及压力中心

壁面区域的沿指定的力向量

的力分量计算是通过计算压力与粘性力在指定向量上的力的和。

式中:

—指定的力向量

—压力向量

—粘性力向量

除了计算真实的压力、粘性力及合力,选定区域上的相关的力系数则通过参考值进行计算。力系数定义为真实力与


的商。此处的
及A分别为密度、速度以及面积。到此,压力、粘性力、合力以及它们对应的系数均计算完成。

对指定中心A的总力矩向量通过计算压力及粘性力与力矩向量

(力矩中心至力的原点)的叉积得到。

式中:

A—指定的力矩中心

B—力原点

—力矩向量

—压力向量

—粘性力向量

如图1所示。

图1 力矩计算

合力矩方向遵循右手定则。

力矩系数与力系数计算方法类似,不过分子为


,其中此处的

及L分别为密度、速度、面积以及长度。

此外还可以计算沿某一指定轴的力矩。这些力矩值被定义为指定方向的单位向量与相应的压力、粘性力、总力矩及系数的点积。

为减小取整误差,计算压力值是采用参考压力对单元压力进行标准化处理。例如,壁面区域上的静压力向量,被计算为每一单元面上的力向量之和:


式中,为表面的数量,为表面的面积,为表面的单位法向量

ANSYS FLUENT利用下列公式计算压力中心。对于一般的力矩中心及轴,合力矩被表达为:



在3D几何中,使上述两个方程为零以及使用用户自定义的参考平面方程,可以获取应用轴及指定参考平面的交点。在2D几何中,只有最后一个方程联合自定义参考线用于计算压力中心。



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