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FloEFD培训教程1-4讲

FloEFD
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Lecture1 Introduction
Lecture2  向导-------------------Tutorial:球阀设计
Lecture3  边界条件& 初始条件-----Tutorial:耦合换热
Lecture4  Goals and conditions---Tutorial:多孔介质

Lecture5 Working with projects---Tutorial:Hydraulic Loss
Lecture6 计算域与求解------------Tutorial:Cylinder Drag Coefficient
Lecture7 获取结果----------------Tutorial:Heat Exchanger Efficiency
Lecture8 Mesh:网格---------------Tutorial:Mesh Optimization
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Lecture 1
Introduction
Flomerics中国代表处李中云
热设计网https://www.resheji.com

What is EFD?
Engineering Fluid Dynamics (EFD)
工程流体动力学
高级而又灵活易用的流体流动与换
热分析软件.

EFD product line
EFD.Lab: 通用的流动与换热动分析软件
EFD.Pro: 完全集成于Pro/ENGINEER中的
EFD.Lab版本
EFD.V5:完全集成于CATIA V5中的
EFD.Lab版本

却与传统CFD不同!
EFD软件“讲述”工程师的语言,允许用户关注于工程设计任务。
NIKA的EFD替用户封装了复杂的数学/数值算法以及流体动力学方程.
专业的分析专家,在此并非必要!

EFD.Lab采用有限体积方法求解控制方程
Finite Volume (FV) Method,网格在一空间立方体区域内采用笛卡尔坐标进行离散。

Analysis Type
Internal flows为内流分析,比如管内流动,容器内流动
,建筑物内流动等.
External flows 为外流分析
,如绕飞机,绕汽车,绕建筑物流动等.

Analysis Type Options
Exclude internal spaces.
– 对于分析中有内部封闭区域的时候使用该选项的话将意味着您对此封闭区域将做排除于分析处理。.
Exclude cavities without flow conditions.
– 该选项应用于内流分析或者是外流分析。该选项对于封闭的内部空间且曲面上不带有边界条件或者是风扇的情况下是很有用的。
如果您选择上面两个中任意一个选项,那么EFD将用solid充满空间.

Heat Conduction in Solids
导热
材料
初始温度

Surface-to-surface Radiation
求解包括固体间换热的情况。
固体温度很高且/或气体稀疏。
与对流换热相比,固体表面之间的辐射换热更为显著。

Satellite exposure to sun radiation
Time - Dependent Analysis

稳态分析
非稳态分析(瞬态,或者与时间相关)
–初始条件必须准确.

Fluid Type and Compressibility
气体/ 液体
牛顿/非牛顿流体
压缩与不可压缩流体
蒸气

非牛顿流体
能够计算非弹性非牛顿流体的层流.
– The Herschel-Bulkley model
– The power-law model
– The Carreau model

压缩流动
如果流体密度与压力相关,那么密度的变化是比较重要的,则流动被视为可压缩的。
气体一般是可压缩的。
液体可以压缩性的或者是不可压缩的。

湍流
湍流一般在整个流场或者是近壁边界层上存在。
如果你没有指定层流或者是湍流,流动可能是层流、湍流或者是过渡层(取决于流动特征)。

重力影响
包括对于自然对流问题时的重力影响。
多孔介质
多孔介质流动阻力:
k = grad(P)/(ρ*V )
其中P- 流体压力, ρ- 流体密度, V- 流体速度
多孔介质在EFD中被处理为分布式压阻。

四个多孔介质渗透性类别:
各向同性
单向性
轴对称性
各向异性
Efd允许指定k :使用如下公式:
k = ΔP ·S/(m · L) , 其中S-面积, L-长度, m – 质量流量
k = (A·V+B)/ρ, 其中A, B – 指定常数
k = μ/(ρ·D2), 其中D- 参考小孔尺寸, μ- 动力黏度
k = μ/(ρ·D2)·f(Re)

水蒸汽冷凝
气体包含水蒸汽
预测与流体局部温度与压力相关。

汽化
对于许多工程设备来说一个通常遇到的问题是
主要工质是流体状态。
– 流体局部压力可能低于蒸汽
压力。
– 由于强热的影响局部水沸腾

相对湿度
相对湿度定义为当前压力和温度下水蒸汽密度与饱和蒸汽密度之比:
=ρH2O/ ρH2O_s · 100%,
ρH2O_s – 在指定温度和压力下的饱和水蒸汽密度

高马赫数与超高马赫数
EFD in Industry
汽车
航空
电子
机械
食物
石油天然气
能源
制冷通风与空调
阀门与灌溉设备
环境
医疗
… and many more!
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Lecture 2   P27
向导
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Wizard and Navigator
Wizard指引用户step-by-step创建一个新的项目。
Navigator允许直接进入wizard中的对话框.
Navigator面板包含下面的按钮, 该按钮可以直接进入Wizard中的相关对话框:
– 项目配置
– 单位系统
– 分析类型
– 默认流体
– 默认固体(如果固体间导热选项被开启)
– 壁面条件
– 初始条件(对外部分析而言就是初始与环境条件)
– 结果与几何“精度”
如果已经定义好了所有的数据,那么按Finish就可以创建项目了.

Begin with Wizard
流动分析, 项目, 向导
– Step 1: 项目配置…
Step1: Project Configuration
Create new:如果你想拷贝当前配置,并且添加一个新的项目于它.
– 输入一个新的Configuration name.
Use current:如果你想用目前的配置添加一新的EFD项目.
– 如果当前配置已经包含了一个项目,那么该项目会被取代,并且原先里面的所有数据会丢失。
添加Comments 到项目中:
– 项目创建完后,也可以修改comments,只要点击Flow Analysis, Project, Edit Comment.

单位系统
Step2: 单位系统
CGS – 厘米-克-秒
FPS – 英尺-磅-秒
IPS – 英寸-磅-秒
NMM – 牛顿-毫米-千克-秒
SI – 国际单位: 牛顿– 米– 千克– 秒
USA –英尺-磅-秒(压力–psi, 体积流量–CFM)


在运行Wizard前, 你可以检查Units数据库,如有必要可以在定义自己需要的单位系统:点击
– Flow Analysis → Tools → Engineering
Database → Units.
在完成Wizard后,你可以调整项目的单位系统:点击Flow Analysis, Units.

Step3: Analysis Type
Internal flow:固体封闭形成流动空间
– e.g., 管内流, 容器内部流, 制冷空调通风, etc..
External flow:未封闭区域的流动. 这种情况下流动包围所有的固体模型:
– e.g., 绕飞机流动, 汽车, 建筑物, etc.
如果想分析内部和外部的流动,那么一般你需要定义External外部流动:
– e.g. 比如绕建筑的流动

考虑腔体封闭
对于有一些模型内部包含部分封闭空间,但是不想让其参与计算的话,你可以采用两种方式减少仿真的时间:
– Exclude internal spaces:允许你做External 分析的时候不考虑内部封闭的空间.
– Exclude cavities without flow conditions:对于Internal和External的分析,选择这项的话,对于封闭区域上没有Boundary Conditions、区域表面上也没有Fans 的话,该封闭空间就不会被考虑.

物理特性
固体导热
辐射
与时间相关
重力
旋转

Step4: 默认流体材料
Step5: 默认壁面条件

默认壁面热条件
– Adiabatic wall :绝热壁面
– Heat transfer rate:热传输率
– Heat flux:热流量
– Wall temperature:壁面温度

Step6: 初始与环境条件

在参数定义(Parameter Definition)可以手工设置初始(环境)条件,或者是采用其他项目的结果作为当前项目的初始(环境)条件:
– 选择User Defined:手动设置
– 选择Transferred :采用其他计算的结果

Step7: 结果与几何结构分辨率

结果分辨率定义:
– Level of initial mesh :初始网格等级– 在Initial Mesh Settings 对话框中设置.
– 仅控制初始网格.
– Results resolution level:结果分辨率等级– 在Calculation Control Options对话框中设置– 控制计算时对计算网格的refinement 和计算结束条件
使用滑条, 你可以选择八个等级之中的任何一个– The first level :能最快给出结果,但是精度不高.
– The eighth level:能给出最准确的结果,但是需要比较长的时间计算收敛.
几何分辨率(Geometry Resolution)选项: 也可以影响初始网格。可以在Initial Mesh对话框中修改, 或者在Local Initial Mesh 对话框中修改局部几何分辨率。


使用滑条, 你可以选择八个等级之中的任何一个
– The first level :能最快给出结果,但是精度不高.
– The eighth level:能给出最准确的结果,但是需要比较长的时间计算收敛.
几何分辨率(Geometry Resolution)选项: 也可以影响初始网格。可以在Initial Mesh对话框中修改, 或者在Local Initial Mesh 对话框中修改局部几何分辨率。

教程:球阀设计 P55

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Lecture 3 边界条件 & 初始条件 P56
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条件
EFD中任何问题都必须设置合理边界条件(boundary conditions )与初始条件( initial conditions )才能进行求解。
对于稳态问题,初始条件影响收敛速度,边界条件完全决定流动特征。
对于瞬态问题I,流动特征与时间相关,初始条件和边界条件都影响计算结果。

创建边界条件
在EFD特征工具条上点击创建边界条件按钮
Flow Analysis, Insert, Boundary Condition.
在EFD分析树下右键点击Boundary Conditions图标 再选择Insert Boundary Condition
EFD.Lab中你还可以直接右键点击直接选取模型上的面,再选择Insert Boundary Condition来在选种的面上创建边界条件。


在模型中可以直接看到已经定义好的边界条件:
–彩色箭头指出方向和边界类型.
–在EFD分析树中右击某个边界条件项,再选择Show或者Hide 来显示或者是关闭箭头。
边界条件类型
Flow Openings:流动开口
– 进口或者是出口
– 速度; 质量流量; 体积流量
Pressure Openings:压力出口
– 静压; 总压; 环境压力
Walls:壁面
– 实际面; 理想面

Flow Openings ( ):流动开口
Inlet/outlet:进口与出口
Mass Flow :质量流量
Volume Flow:体积流量
Velocity:速度
Flow Parameters:流动参数
Normal To Face:流动垂直于开口面
Swirl :允许指定关于某轴的旋转流
– 右手螺旋定律
– 角速度和径向速度
3D Vector:X, Y, Z 速度分量

其他参数
Humidity:湿度.
– 如果项目中气体的相对湿度也计算了的话(打开湿度选项)
Substance Concentrations:物质浓度.
– 对于多种流体存在时,可以指定每个流体的相对质量/体积浓度
Turbulence Parameters:湍流参数
Boundary Layer:边界层.
– Turbulent or Laminar (默认为Turbulent).

初始条件
如果你想快速求解Internal 流动问题, 那么简单指定初始条件接近求解的解(而不是采用默认的值)。
如果想求解External问题, 你指定初始条件作为初始与环境条件。
环境条件是不受干扰的外部独立流动参数.
对于气体:
– 静态压力, 静态温度, 静态密度(其中任何两项)
– 速度(或者马赫数)
对于液体:
– 静态压力, 温度和速度
对于固体:
– 温度

创建初始条件
在EFD特征工具条上点击创建初始条件
Flow Analysis, Insert, Initial Condition.
在EFD分析树中右击Initial Conditions图标,选择Insert Initial Condition

局部初始条件
你可以对一个项目的internal流动区域内单独定义一个局部初始条件使之与默认不同。
封闭流动区域
– 在该区域封闭面上选择一个面 disabled 部件
– 备注:如果一个流体部件与固体区域重叠, EFD将认为重叠区域为固体


Tutorial 耦合换热 P75
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Lecture 4 Goals and conditions


What are Goals?
EFD包含停止计算的内嵌准则, 但是采用自己的准则是更好的: Goals(目标).
在项目中,你指定Goals作为感兴趣的物理参数, 所以Goals的收敛,从工程的角度上讲可以认为是达到了稳定的解.

How does it work?
当EFD分析goal的收敛性时,它会将goal的差量与收敛准则差量进行比较:
– 差量–指的是在分析interval中goal 的最大最小值之差;
– 当goal的差量< = goal收敛准则差量时,计算认为已经达到收敛。

创建Goals
Point Goal – 在某点上计算物理参数
Global Goal – 在整个计算域内.
Surface Goal – 在模型某个面上.
Volume Goal - 在计算域内某个体上
– 流体或者固体.
Equation Goal – 一个方程(基本数学方程).
– 以已经定义好的goals或者输入数据特征(整体的初始或者环境条件, 边界条件, 风扇, 热源, 局部初始条件, 等)作为变量。

EFD分析树中黄色-红色图标表明该goals 对收敛性没有任何影响。同样这些goals 在Goal Plot 和Goal Table 监视对话框中也没有进度条。
名字
– PG
– GG
– SG
– VG
– Equation Goal <Number>
+ <Parameter> <Number>

Heat Sources:热源
Surface Source :面热源
– Heat Transfer Rate, Heat Flux(若不考虑固体内热传导)
– Heat Generation Rate, Surface Heat Generation Rate (若考虑固体内热传导)
Volume Source :体热源
– Temperature
– Heat Generation Rate
– Volumetric Heat Generation Rate

正值代表生成热,负值代表吸收热
对Volume Source
– 若该部件处理为solid, 那heat conduction in solids 就会被考虑.
– 若该部件处理为fluid, 那你必须在Component Control 对话框中disable 该部件.

Fan:风扇
风扇是一种理想设备,它提供体积或者质量流量(可以带旋转).
风扇性能曲线可以在Engineering Database找到.
当选择风扇时,强烈建议您和供应商联系,获取风扇的性能曲线。

External Fan:外部风扇
– Inlet Fan :送风
– Outlet Fan:抽风
– 对于Inlet和Outlet风扇,你指定环境压力。内部静压由计算时获取,它在风扇面上处理为平均压力。
Internal Fan :内部风扇
– 含有出口面(流体到风扇) 和进口面(风扇到流体)。
– 静压决定风扇流量,它在流动计算时获得,风扇面上平均处理。

你可以指定风扇关于某参考轴旋转一角速度.
你可以指定流体温度和组分浓度.
当然,你可以重新输入湍流参数(湍流强度和长度或者湍流能量和耗散率).

Engineering Database:工程数据库
– Flow Analysis, Tools, Engineering Database 里面具有许多丰富的物理数据:gas, liquid, non Newtonian liquid, compressible liquid, steam and solid.
对于风扇曲线定义来说定义系列静压与流量点。
多孔介质模型

不同固体材料间可以有接触热阻
对于散热器简化模型需要热阻与压降曲线
TEC
定制可视化参数
辐射面属性
单位
<system_driveDocuments and SettingsAll UsersApplication DataNIKAEFD.Lab 8>
EFD.Pro defined data are stored in the ChemBase.mdb file
user-defined dataare stored in the ChemBaseUser.mdb file

Tutorial 多孔介质
 

FloEFD资料下载:  FloEFD培训1-4讲.pdf  

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