Lecture1 Introduction
Lecture2 向導-------------------Tutorial:球閥設計
Lecture3 邊界條件& 初始條件-----Tutorial:耦合換熱
Lecture4 Goals and conditions---Tutorial:多孔介質
Lecture5 Working with projects---Tutorial:Hydraulic Loss
Lecture6 計算域與求解------------Tutorial:Cylinder Drag Coefficient
Lecture7 獲取結果----------------Tutorial:Heat Exchanger Efficiency
Lecture8 Mesh:網(wǎng)格---------------Tutorial:Mesh Optimization
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Lecture 1
Introduction
Flomerics中國代表處李中云
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What is EFD?
Engineering Fluid Dynamics (EFD)
工程流體動力學
高級而又靈活易用的流體流動與換
熱分析軟件.
EFD product line
EFD.Lab: 通用的流動與換熱動分析軟件
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
卻與傳統(tǒng)CFD不同!
EFD軟件“講述”工程師的語言，允許用戶關注于工程設計任務。
NIKA的EFD替用戶封裝了復雜的數(shù)學/數(shù)值算法以及流體動力學方程.
專業(yè)的分析專家，在此并非必要!
EFD.Lab采用有限體積方法求解控制方程
Finite Volume (FV) Method，網(wǎng)格在一空間立方體區(qū)域內采用笛卡爾坐標進行離散。
Analysis Type
Internal flows為內流分析，比如管內流動，容器內流動
，建筑物內流動等.
External flows 為外流分析
，如繞飛機，繞汽車，繞建筑物流動等.
Analysis Type Options
Exclude internal spaces.
– 對于分析中有內部封閉區(qū)域的時候使用該選項的話將意味著您對此封閉區(qū)域將做排除于分析處理。.
Exclude cavities without flow conditions.
– 該選項應用于內流分析或者是外流分析。該選項對于封閉的內部空間且曲面上不帶有邊界條件或者是風扇的情況下是很有用的。
如果您選擇上面兩個中任意一個選項，那么EFD將用solid充滿空間.
Heat Conduction in Solids
導熱
材料
初始溫度
Surface-to-surface Radiation
求解包括固體間換熱的情況。
固體溫度很高且/或氣體稀疏。
與對流換熱相比，固體表面之間的輻射換熱更為顯著。
Satellite exposure to sun radiation
Time - Dependent Analysis
穩(wěn)態(tài)分析
非穩(wěn)態(tài)分析(瞬態(tài),或者與時間相關)
–初始條件必須準確.
Fluid Type and Compressibility
氣體/ 液體
牛頓/非牛頓流體
壓縮與不可壓縮流體
蒸氣
非牛頓流體
能夠計算非彈性非牛頓流體的層流.
– The Herschel-Bulkley model
– The power-law model
– The Carreau model
壓縮流動
如果流體密度與壓力相關，那么密度的變化是比較重要的，則流動被視為可壓縮的。
氣體一般是可壓縮的。
液體可以壓縮性的或者是不可壓縮的。
湍流
湍流一般在整個流場或者是近壁邊界層上存在。
如果你沒有指定層流或者是湍流，流動可能是層流、湍流或者是過渡層(取決于流動特征)。
重力影響
包括對于自然對流問題時的重力影響。
多孔介質
多孔介質流動阻力：
k = grad(P)/(ρ*V )
其中P- 流體壓力, ρ- 流體密度, V- 流體速度
多孔介質在EFD中被處理為分布式壓阻。
四個多孔介質滲透性類別：
各向同性
單向性
軸對稱性
各向異性
Efd允許指定k ：使用如下公式:
k = ΔP ·S/(m · L) , 其中S-面積, L-長度, m – 質量流量
k = (A·V+B)/ρ, 其中A, B – 指定常數(shù)
k = μ/(ρ·D2), 其中D- 參考小孔尺寸, μ- 動力黏度
k = μ/(ρ·D2)·f(Re)
水蒸汽冷凝
氣體包含水蒸汽
預測與流體局部溫度與壓力相關。
汽化
對于許多工程設備來說一個通常遇到的問題是
主要工質是流體狀態(tài)。
– 流體局部壓力可能低于蒸汽
壓力。
– 由于強熱的影響局部水沸騰
相對濕度
相對濕度定義為當前壓力和溫度下水蒸汽密度與飽和蒸汽密度之比：
=ρH2O/ ρH2O_s · 100%,
ρH2O_s – 在指定溫度和壓力下的飽和水蒸汽密度
高馬赫數(shù)與超高馬赫數(shù)
EFD in Industry
汽車
航空
電子
機械
食物
石油天然氣
能源
制冷通風與空調
閥門與灌溉設備
環(huán)境
醫(yī)療
… and many more!
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Lecture 2 P27
向導
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Wizard and Navigator
Wizard指引用戶step-by-step創(chuàng)建一個新的項目。
Navigator允許直接進入wizard中的對話框.
Navigator面板包含下面的按鈕, 該按鈕可以直接進入Wizard中的相關對話框:
– 項目配置
– 單位系統(tǒng)
– 分析類型
– 默認流體
– 默認固體(如果固體間導熱選項被開啟)
– 壁面條件
– 初始條件(對外部分析而言就是初始與環(huán)境條件)
– 結果與幾何“精度”
如果已經(jīng)定義好了所有的數(shù)據(jù)，那么按Finish就可以創(chuàng)建項目了.
Begin with Wizard
流動分析, 項目, 向導
– Step 1: 項目配置…
Step1: Project Configuration
Create new：如果你想拷貝當前配置，并且添加一個新的項目于它.
– 輸入一個新的Configuration name.
Use current：如果你想用目前的配置添加一新的EFD項目.
– 如果當前配置已經(jīng)包含了一個項目，那么該項目會被取代，并且原先里面的所有數(shù)據(jù)會丟失。
添加Comments 到項目中：
– 項目創(chuàng)建完后，也可以修改comments，只要點擊Flow Analysis, Project, Edit Comment.
單位系統(tǒng)
Step2: 單位系統(tǒng)
CGS – 厘米-克-秒
FPS – 英尺-磅-秒
IPS – 英寸-磅-秒
NMM – 牛頓-毫米-千克-秒
SI – 國際單位: 牛頓– 米– 千克– 秒
USA –英尺-磅-秒(壓力–psi, 體積流量–CFM)
在運行Wizard前, 你可以檢查Units數(shù)據(jù)庫，如有必要可以在定義自己需要的單位系統(tǒng)：點擊
– Flow Analysis → Tools → Engineering
Database → Units.
在完成Wizard后,你可以調整項目的單位系統(tǒng)：點擊Flow Analysis, Units.
Step3: Analysis Type
Internal flow：固體封閉形成流動空間
– e.g., 管內流, 容器內部流, 制冷空調通風, etc..
External flow：未封閉區(qū)域的流動. 這種情況下流動包圍所有的固體模型：
– e.g., 繞飛機流動, 汽車, 建筑物, etc.
如果想分析內部和外部的流動，那么一般你需要定義External外部流動：
– e.g. 比如繞建筑的流動
考慮腔體封閉
對于有一些模型內部包含部分封閉空間，但是不想讓其參與計算的話，你可以采用兩種方式減少仿真的時間:
– Exclude internal spaces：允許你做External 分析的時候不考慮內部封閉的空間.
– Exclude cavities without flow conditions：對于Internal和External的分析，選擇這項的話,對于封閉區(qū)域上沒有Boundary Conditions、區(qū)域表面上也沒有Fans 的話，該封閉空間就不會被考慮.
物理特性
固體導熱
輻射
與時間相關
重力
旋轉
Step4: 默認流體材料
Step5: 默認壁面條件
默認壁面熱條件
– Adiabatic wall ：絕熱壁面
– Heat transfer rate：熱傳輸率
– Heat flux：熱流量
– Wall temperature：壁面溫度
Step6: 初始與環(huán)境條件
在參數(shù)定義（Parameter Definition）可以手工設置初始（環(huán)境）條件，或者是采用其他項目的結果作為當前項目的初始（環(huán)境）條件:
– 選擇User Defined：手動設置
– 選擇Transferred ：采用其他計算的結果
Step7: 結果與幾何結構分辨率
結果分辨率定義:
– Level of initial mesh ：初始網(wǎng)格等級– 在Initial Mesh Settings 對話框中設置.
– 僅控制初始網(wǎng)格.
– Results resolution level：結果分辨率等級– 在Calculation Control Options對話框中設置– 控制計算時對計算網(wǎng)格的refinement 和計算結束條件
使用滑條, 你可以選擇八個等級之中的任何一個– The first level ：能最快給出結果，但是精度不高.
– The eighth level：能給出最準確的結果，但是需要比較長的時間計算收斂.
幾何分辨率（Geometry Resolution）選項： 也可以影響初始網(wǎng)格?？梢栽贗nitial Mesh對話框中修改, 或者在Local Initial Mesh 對話框中修改局部幾何分辨率。
使用滑條, 你可以選擇八個等級之中的任何一個
– The first level ：能最快給出結果，但是精度不高.
– The eighth level：能給出最準確的結果，但是需要比較長的時間計算收斂.
幾何分辨率（Geometry Resolution）選項： 也可以影響初始網(wǎng)格?？梢栽贗nitial Mesh對話框中修改, 或者在Local Initial Mesh 對話框中修改局部幾何分辨率。
教程:球閥設計 P55
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Lecture 3 邊界條件 & 初始條件 P56
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條件
EFD中任何問題都必須設置合理邊界條件（boundary conditions ）與初始條件（ initial conditions ）才能進行求解。
對于穩(wěn)態(tài)問題，初始條件影響收斂速度，邊界條件完全決定流動特征。
對于瞬態(tài)問題I，流動特征與時間相關，初始條件和邊界條件都影響計算結果。
創(chuàng)建邊界條件
在EFD特征工具條上點擊創(chuàng)建邊界條件按鈕
Flow Analysis, Insert, Boundary Condition.
在EFD分析樹下右鍵點擊Boundary Conditions圖標 再選擇Insert Boundary Condition
EFD.Lab中你還可以直接右鍵點擊直接選取模型上的面，再選擇Insert Boundary Condition來在選種的面上創(chuàng)建邊界條件。
在模型中可以直接看到已經(jīng)定義好的邊界條件:
–彩色箭頭指出方向和邊界類型.
–在EFD分析樹中右擊某個邊界條件項，再選擇Show或者Hide 來顯示或者是關閉箭頭。
邊界條件類型
Flow Openings：流動開口
– 進口或者是出口
– 速度; 質量流量; 體積流量
Pressure Openings：壓力出口
– 靜壓; 總壓; 環(huán)境壓力
Walls：壁面
– 實際面; 理想面
Flow Openings ( )：流動開口
Inlet/outlet：進口與出口
Mass Flow ：質量流量
Volume Flow：體積流量
Velocity：速度
Flow Parameters：流動參數(shù)
Normal To Face：流動垂直于開口面
Swirl ：允許指定關于某軸的旋轉流
– 右手螺旋定律
– 角速度和徑向速度
3D Vector：X, Y, Z 速度分量
其他參數(shù)
Humidity：濕度.
– 如果項目中氣體的相對濕度也計算了的話(打開濕度選項)
Substance Concentrations：物質濃度.
– 對于多種流體存在時，可以指定每個流體的相對質量/體積濃度
Turbulence Parameters：湍流參數(shù)
Boundary Layer：邊界層.
– Turbulent or Laminar (默認為Turbulent).
初始條件
如果你想快速求解Internal 流動問題, 那么簡單指定初始條件接近求解的解(而不是采用默認的值)。
如果想求解External問題, 你指定初始條件作為初始與環(huán)境條件。
環(huán)境條件是不受干擾的外部獨立流動參數(shù).
對于氣體:
– 靜態(tài)壓力, 靜態(tài)溫度, 靜態(tài)密度(其中任何兩項)
– 速度(或者馬赫數(shù))
對于液體:
– 靜態(tài)壓力, 溫度和速度
對于固體:
– 溫度
創(chuàng)建初始條件
在EFD特征工具條上點擊創(chuàng)建初始條件
Flow Analysis, Insert, Initial Condition.
在EFD分析樹中右擊Initial Conditions圖標，選擇Insert Initial Condition
局部初始條件
你可以對一個項目的internal流動區(qū)域內單獨定義一個局部初始條件使之與默認不同。
封閉流動區(qū)域
– 在該區(qū)域封閉面上選擇一個面 disabled 部件
– 備注：如果一個流體部件與固體區(qū)域重疊, EFD將認為重疊區(qū)域為固體
Tutorial 耦合換熱 P75
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Lecture 4 Goals and conditions
What are Goals?
EFD包含停止計算的內嵌準則, 但是采用自己的準則是更好的： Goals（目標）.
在項目中，你指定Goals作為感興趣的物理參數(shù), 所以Goals的收斂，從工程的角度上講可以認為是達到了穩(wěn)定的解.
How does it work?
當EFD分析goal的收斂性時，它會將goal的差量與收斂準則差量進行比較：
– 差量–指的是在分析interval中goal 的最大最小值之差；
– 當goal的差量< = goal收斂準則差量時，計算認為已經(jīng)達到收斂。
創(chuàng)建Goals
Point Goal – 在某點上計算物理參數(shù)
Global Goal – 在整個計算域內.
Surface Goal – 在模型某個面上.
Volume Goal - 在計算域內某個體上
– 流體或者固體.
Equation Goal – 一個方程(基本數(shù)學方程).
– 以已經(jīng)定義好的goals或者輸入數(shù)據(jù)特征(整體的初始或者環(huán)境條件, 邊界條件, 風扇, 熱源, 局部初始條件, 等)作為變量。
EFD分析樹中黃色-紅色圖標表明該goals 對收斂性沒有任何影響。同樣這些goals 在Goal Plot 和Goal Table 監(jiān)視對話框中也沒有進度條。
名字
– PG
– GG
– SG
– VG
– Equation Goal <Number>
+ <Parameter> <Number>
Heat Sources：熱源
Surface Source ：面熱源
– Heat Transfer Rate, Heat Flux（若不考慮固體內熱傳導）
– Heat Generation Rate, Surface Heat Generation Rate （若考慮固體內熱傳導）
Volume Source ：體熱源
– Temperature
– Heat Generation Rate
– Volumetric Heat Generation Rate
正值代表生成熱，負值代表吸收熱
對Volume Source
– 若該部件處理為solid, 那heat conduction in solids 就會被考慮.
– 若該部件處理為fluid, 那你必須在Component Control 對話框中disable 該部件.
Fan：風扇
風扇是一種理想設備，它提供體積或者質量流量(可以帶旋轉).
風扇性能曲線可以在Engineering Database找到.
當選擇風扇時，強烈建議您和供應商聯(lián)系，獲取風扇的性能曲線。
External Fan:外部風扇
– Inlet Fan ：送風
– Outlet Fan：抽風
– 對于Inlet和Outlet風扇，你指定環(huán)境壓力。內部靜壓由計算時獲取，它在風扇面上處理為平均壓力。
Internal Fan ：內部風扇
– 含有出口面(流體到風扇) 和進口面(風扇到流體)。
– 靜壓決定風扇流量，它在流動計算時獲得，風扇面上平均處理。
你可以指定風扇關于某參考軸旋轉一角速度.
你可以指定流體溫度和組分濃度.
當然,你可以重新輸入湍流參數(shù)(湍流強度和長度或者湍流能量和耗散率).
Engineering Database：工程數(shù)據(jù)庫
– Flow Analysis, Tools, Engineering Database 里面具有許多豐富的物理數(shù)據(jù)：gas, liquid, non Newtonian liquid, compressible liquid, steam and solid.
對于風扇曲線定義來說定義系列靜壓與流量點。
多孔介質模型
不同固體材料間可以有接觸熱阻
對于散熱器簡化模型需要熱阻與壓降曲線
TEC
定制可視化參數(shù)
輻射面屬性
單位
<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 多孔介質
FloEFD資料下載: FloEFD培訓1-4講.pdf
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