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实验课程名称：计算机在材料科学与工程中的应用

实验项目名称二维流动与传热模拟实验实验成绩

实验者专业班级材科0907组别

同组者实验日期2012年3月29日

一、实验目的、意义

1、了解计算流体力学的概念；

2、理解物理场计算机分析的原理和方法；

3、学会使用CFD软件中的Fluent软件；

4、掌握Fluent软件分析方法的一般步骤和基本操作；

5、了解物理场计算机分析方法在材料科学与工程中的应用。

二、实验基本原理与方法

1、计算流体力学（ComputationalFluidDynamics），简称CFD，是用电子计算机和离散

化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析的一个分支。计算流体力学是进行传热、

传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术。

2、计算流体力学的数值解法主要是有限差分方法、有限元法和有限体积法。有限差分

方法在流体力学中已得到广泛应用。而有限元法是从求解固体力学问题发展起来的。

有限差分法的求解步骤：

①根据问题的性质确定导热微分方程式、初始条件和边界条件；

②对区域进行离散化，划分网格，确定计算节点；

③建立离散方程，对每一个节点写出表达式；

④求解线性方程组和对结果进行分析。

3、CFD软件一般都能推出多种优化的物理模型，如定常和非定常流动、层流、紊流、

不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等等。对每一种物理问题的流动特点，都有适合它

的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方

面达到最佳。CFD软件的一般结构由前处理、求解器、后处理三部分组成。

前处理、求解器及后处理三大模块，各有其独特的作用，分别表示如下。

①前处理

a.几何模型

b.划分网格

②求解器

a.确定CFD方法的控制方程

b.选择离散方法进行离散

c.选用数值计算方法

d.输入相关参数

③后处理

速度场、温度场、压力场及其它参数的计算机可视化及动画处理

4、Fluent软件由美国FLUENTInc.于1983年推出，是第二个基于有限容积法的软件。

它包含有结构化及非结构化网格两个版本。在结构化网格版本中有适体坐标的前处理软件，

同时也可以纳入I-DEAS、PATRAN、ANSYS和ICEMCFD等著名生成网格的软件所产生

的网格。速度与压力耦合采用同位网格上的SIMPLEC算法。对流项差分格式纳入了一阶迎

风、中心差分及QUICK等格式。软件能计算可压缩及不可压缩流动、含有粒子的蒸发、燃

烧过程、多组分介质的化学反应过程等问题。

三、实验内容及要求

学会利用Fluent软件进行二维流动和传热的模拟，本实验是一个冷、热混合器的内部

流动和热量交换的问题，描述如下：

温度为T=350K的热水自上部的热水小管嘴流入，与自下部右侧小管嘴流入的温度

T=290K的冷水在混合器内进行热量和动量交换，自下部左侧的小管嘴流出。

要求：利用Fluent-2D的非耦合、隐式求解器，针对在混合器内的定常流动进行求解。

在求解过程中，利用Fluent的网格优化功能对网格进行优化，使所得到的解更加可信。

四、实验过程记录

二维流动与传热的数值计算实验过程：

1、前处理——利用GAMBIT建立混合器计算模型

此过程包括：①确定求解器；②创建坐标网格图；③由节点创建直线；④创建圆弧边；

⑤创建小管嘴；⑥由线组成面；⑦确定边界线的内部节点分布并创建结构化网格；⑧设置边

界类型；⑨输出网格并保存会话。

2、利用FLUENT进行混合器内流动与换热的仿真计算

此过程包括：①与网络相关的操作；②建立求解模型；③设置流体的物理属性；④设置

边界条件；⑤求解；⑥显示计算结果；⑦使用二阶离散化方法重新计算；⑧自适应性网格修

改功能。

五、实验原始记录

（程序设计类实验：包括原程序、输入数据、运行结果、实验