FLUID141单元优化

1.FLUID141单元特征

维数：二维。

形状：四节点四边形或三节点三角形。

自由度：速度、压力、温度、湍流动能、湍流能量耗散、多达6种流体的各自质量所占的份额。

2.FLUID141单元描述

FLUID141可以用来建立包括流体和（或）非流体区域的瞬态或稳态流体、热系统的模型。在流体区域求解粘性流体流动和能量守恒方程，而在非流体区域只能求解能量方程。用这个FLOTRANCFD单元可求解一个区域内的流动和温度分布。在一个流体固体耦合系统中也可以使用FLUID141。在TheoryReferenceforANSYSandANSYSWorkbench中可以看到关于FLUID141的更多细节。

对于FLOTRANCFD单元，根据动量守恒原理可以得到速度，根据质量守恒原理可以得到压力（如果需要的话，可根据能量守恒原理得到温度）。使用分离顺序求解运算法则，即分别求解根据对每个自由度控制方程的有限元离散得到的矩阵系统。流动问题时非线性的，且控制方程耦合在一起。与任意依赖于温度或压力的性质的校正联系在一起，所有控制方程的顺序求解构成了整体迭代。依赖于问题的尺寸和稳定性，需要得到收敛解的整体迭代数可能会适当地变化。

在一个以恒定角速度旋转的坐标系中可以求解方程。自由度为速度、压力和温度。如果使用一个任意的湍流模型，可以计算两个湍流量：湍流动能和湍流能量耗散率。对于轴对称模型，可以计算垂直于平面的一个任意的涡旋速度VZ。在入口处或一个边界（移动壁面）上也可以得到涡旋。

图2-1 FLUID141的几何形状

图2-1所示为FLUID141的几何形状、节点位置和坐标系。可以通过三个节点（三角形）或四个节点（四边形）及均匀的材料性质定义单元。根据KEYOPT（3）的值选择坐标系，而坐标系可以是笛卡尔坐标系，轴对称坐标系或极坐标系。

节点和单元载荷描述了单元载荷。对于流体固体交互分析，使用命令SF系列（SF，SFA、SFE或SFL）和FSIN表面载荷标签来施加流体固体交互标记。在发生载荷传递的固体分界面处也必须施加相同的分界面数。

（1）FLUID141流体单元 若一个FLUID141单元的材料数为1，就假设此单元为一个流体单元。其密度、粘度、导热系数和比热容可通过一系列FLDATA命令来定义。只能分析一种流体，且流体必须处在单相中。仅当问题在本质上为热问题时，导热系数和比热容才是相关的（及必需的）。通过由“FLDATA7，PRO”命令确定的关系或者通过一个性质数据库（文件floprp.ans），性质可以是温度的函数。除此之外，如果流体为空气或某种气体，其密度可能随压力变化（由理想气体定理）。

可以使用6个湍流模型。用“FLDATA1，SOLU，TURB，T”命令激活湍流模型。沿着标准k-ε模型的4个延展方向可以使用标准k-ε模型和零方程湍流模型KEYOPT（1）激活“multiple species transport”，这使得在主流体中能够追踪多达6种不同流体（种类）的输送。当使用任意拉格朗日-欧拉方程时，KEYOPT（4）能够使用位移自由度来确定边界的运动。如表2-1所示，当且仅当一个分布阻力（FLUID141分布阻力）、一个风扇模型（FLUID141风扇模型）、一个壁面粗糙度（FLUID141壁的表面粗糙度）或一个ALE公式包括在内时，实常数才是必需的。

（2）FLUID141分布阻力 分布阻力提供了一种便利的方法来估计多孔介质效应或者其他实际上没有建立那些特征的几何形状模型的流动区域特征效应。这种效应是一种人为施加的、与没有明确建模的几何形状有关的不可恢复的损失。任一具有分布阻力的流体单元都有一个比赋值1大得多的实常数[REAL]。

（3）FLUID141风扇模型 风扇模型提供了一个便利的方法来估计流动区域的风扇或泵效应。此效应为人为施加的动量源，它提供了与没有明确建模的风扇或泵相关的动量源。通过压力梯度乘以沿具有风扇模型实常数的单元的流动长度给定了与风扇模型相关的压力增长。对于一个一维风扇模型（实常数TYPE=4），输入三个系数。对于X方向如下所示，压力梯度可视为速度的二次方程。

式中，V为流体速度；C₁、C₂和C₃为常数。对于一个任意方向的风扇模型（实常数TYPE=5），三个系数为实际系数沿坐标方向的分量。

（4）FLUID141非流体单元 如果单元的材料数[MAT]大于1，可以假定该单元为非流体单元。在非流体单元中只能求解能量方程。可以定义多达100个不同的非流体材料。为了确定非流体单元的密度、比热容和导热系数，可使用MP命令。

非流体性质的温度变化是允许的，并可由MP或MPDATA确定。正交各向异性变化也是允许的，但是有限制，即空间上的变化总是与球坐标系有关。值得注意的是，对于非流体FLUID141单元，单元实常数没有意义。

表2-1 FLUID141实常数

（续）

3.FLUID141输出数据

与单元相关的解输出表现为节点数的形式。附加的中间性质和得到的数量补充了自由度。

表2-2描述了一个节点基上输出的量。如果相关的选项没有激活，一些数就不会输出。一旦使用了一个选项，相关的自由度数量就会储存起来。例如，如果已经得到了温度场，并且在重启动时不再求解能量方程，那么无论如何温度都会储存起来。通过使用“FLDATA5，OUTP”命令来控制获得的诸如有效粘度等的性质的存储。

表2-2 FLUID141单元输出定义

Jobname.PFL文件提供了另一种输出。文件中包含了最大值和最小值的周期性表格，以及速度、压力、温度、湍流量和性质的平均值。同时文件也记录了每一整体迭代计算得到的收敛检测参数。Jobname.PFL还把进出口处的质量流量和所有边界上的传热信息制成了表格。(www.xing528.com)

壁面结果文件（Jobname.RSW）包含了与壁面单元的边界面相关的信息。平均压力、温度、切应力、正的Y值及壁面热通量，连同垂直于表面方向的矢量（法向矢量）和紧邻壁面的速度方向的矢量（切矢量）都被储存起来。一个可选择的残余文件（Jobname.RDF）表明了目前的解是如何满足每个自由度的默认的矩阵方程。

单元输出定义表格使用了以下的符号：

名称栏中的冒号（：）表明能够通过组分名称方法[ETABLE，ESOL]获得该项。R栏表明在结果文件中可应用该项。

R栏中的Y表明该项总是可用的，一个数字引用了一个表格脚注，这描述了什么时候该项是有条件地使用。

4.FLUID141假设和限制

●单元必须没有任何负面积或零面积。

●必须按逆时针的顺序定义一个单元和节点的联系。

●单元必须位于XY平面内。

●通过重复第三个节点形成三角形时，FLOTRAN单元将会忽略重复的节点并把节点视为I、J和K。

●只支持线性单元。

●不能和任一其他的ANSYS单元一起使用FLUID141。

●并不是所有的ANSYS单元都和FLUID141的使用相关。

●FLOTRANCFD分析是高度非线性的。

●在某些情况下，收敛很难得到，并且需要使用稳定性和松弛参数。

●高度湍流情况可能有利于预处理（一个线性分析的流场的初始化），尤其是当使用粗糙有限元网格时。

●必须确定是否保证使用了湍流及（或）压缩选项。湍流选项要求壁面附近的网格精细，并且在冲击波出现的任何区域推荐使用精细网格。如果粗糙网格区域内出现较大的梯度，就要在调整网格后再进行运算。

●对于可压缩流动热分析及R-θ和R-θ-Z坐标系，不支持面对面的辐射（RDSF）。

●对于一个二维FSI分析，FLOTRAN单元必须是按逆时针顺序排列的。对于一个二维FSI分析，必须是按正体积顺序排列的。如果单元顺序不恰当，就需要重新调整网格。

在公式中作出了以下假设：

●节点坐标系和球坐标系必须保持相同。

●在分析中不能改变问题区域和有限元网格。

●流体为单相流体。

●非流体的导热系数可以随温度而变化。也支持非流体导热系数的正交各向异性变化。

●不允许出现自由表面。

●气体的状态方程符合理想气体定理，这种情况不管是否使用了可压缩或不可压缩运算法则。当马赫数大于5时，理想气体定理是无效的。

●在不可压缩选项中，压力作用在流体上的功、粘性耗散和动能项在能量方程中是可以忽略不计的。不可压缩方程是一个热输送方程。

●在可压缩绝热情况下，假设停滞（总）温度是恒定的，并通过减去一个动能项从中计算出静态温度。

●FLOTRAN单元不允许在载荷情况下操作。