Abaqus CFD – Abaqus中的流体计算模块介绍

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　　作为达索SIMULIA仿真平台中的重要组成部分，Abaqus在6.10版本中加入了CFD的流体计算模块，一直到发展到现今的6.14版本，Abaqus中的CFD模块正在逐渐得到内容上的补充和功能上的完善。

　　本文主要对Abaqus6.14版本CFD模块的主要功能进行一些介绍。

　　1. CFD模块的适用范围和对象
　　目前，Abaqus/CFD的计算对象主要是不可压缩流体(Incompressible fluid)，不可压缩流体是工程中最常见的一种流体类型，涉及这种流体类型的自然现象和工业过程如下：大气传播(气象)、食品加工、汽车的空气动力学设计、生物医学中的流动现象(人体血液)、电子元件的散热、工业制造过程(化学蒸汽沉降、模具填充、铸造)，等等。

　　满足如下条件的流体现象可被定义为不可压缩流体：
　　1) 流速场为无散场，流体压力不含热动力成分;
　　2) 流体声波含有的能量相比于对流传递的能量很小(马赫数在0到0.3之间)。

　　在满足不可压缩流体的条件下，CFD的计算对象与过程可以是：
　　1) 层流或湍流，定常流或非定常流;
　　2) 内部(internal)或外部(external)流动;
　　3) 包含能量传输和浮力现象的流动;
　　4) 包含可变型网格和ALE(自适应网格)计算;
　　5) 与热传导和结构耦合计算。

　　2. 控制方程及数值求解方法

　　1) 运动方程：
　　Abaqus/CFD计算中的流体运动方程为不可压缩流体动量守恒方程，即Navier-Stokes方程。Abaqus/CFD的不可压缩流体求解器(Incompressible solver)采用守恒方程的积分形式，在计算非定常流动时，采用投影方法(Projection method)，而在计算定常流动时，采用(SIMPLE method)。在离散化模型时，Abaqus/CFD对流体压力采用node-centered的有限元方法，而对其他变量(流速、温度、湍流等)采用cell-centered的有限体积方法。这种混合离散方法既能保证求解的精确度，又能在保留与传统有限体积法相关的局部守恒属性的基础上，消除伪压力模式(spurious pressure modes)。

　　2) 能量方程：
　　在Abaqus/CFD计算过程中，采用Boussinesq近似方法，可以选择性的激活普适的能量输运方程，进行流体运动方程和能量守恒方程的耦合求解。Abaqus/CFD支持基于湍流涡流粘度和Prandtl数的能量传输计算。

　　3. 湍流模型
　　在Abaqus/CFD中，在非定常瞬态计算模式下，可以进行隐式大涡流仿真计算(Implicit Large-Eddy Simulation, ILES)。
　　在Abaqus6.14版本中，Abaqus/CFD支持如下4种湍流模型：
　　1) Spalart-Allmaras (SA) turbulence model;
　　2) K-epsilon RNG turbulence model;
　　3) K-epsilon realizable turbulence model;
　　4) K-omega SST turbulence model

　　4. 初始条件
　　在Abaqus/CFD中可设定如下初始条件：密度、流速、温度、涡流粘度、湍流动能和耗散率。

　　5. 边界条件
　　在Abaqus/CFD中可设定如下边界条件：流速、温度、压力和涡流粘度。以上边界条件可以通过定义Amplitude的方式在计算过程中改变数值。
　　需要注意的是，在FSI边界(流固耦合边界)上的位移和速度边界条件是自动计算并赋值的，所以不用也不能人工定义。

　　6. 载荷定义
　　在Abaqus/CFD中可设定如下载荷：热流、体热源、广义体力和重力。

　　7. 材料定义
　　在Abaqus/CFD中定义材料属性遵从Abaqus惯例，可定义材料属性如下：粘度、等压比热、密度和热膨胀系数。

　　8. 单元类型
　　Abaqus/CFD支持的单元类型如下：8节点六面体单元FC3D8;6节点三角形棱柱单元FC3D6;5节点角锥体单元FC3D5;4节点四面体单元FC3D4。

　　9. 结果输出
　　Abaqus/CFD输出的计算结果包括：节点和表面的场变量数据，单元和表面的历史数据。对于节点和单元，可输出结果如下：流速(V)、温度(TEMP)，压力(PRESSURE)和涡流粘度(TURBNU)。对于预选场变量，可输出如下结果：位移(U)。

　　综上所述，Abaqus/CFD模块可以解决大部分工程中的不可压缩流体问题。随着达索SIMULIA仿真平台的开发和完善，Abaqus/CFD作为Abaqus有限元仿真计算软件的重要组成部分，天然的具有和Abaqus其他模块间数据传递的便捷性。相比fluent、CFX和star-CD等第三方软件，Abaqus/CFD在和Abaqus/Standard、Abaqus/Explicit等模块的耦合计算方面有着不小的优势，对于一些相对不复杂的流体计算问题和流固耦合计算问题、流、固、热耦合计算问题，完全可以通过Abaqus内部的计算模块之间的耦合功能实现。

　　对于Abaqus的多物理场耦合计算，即Abaqus Co-simulation功能，将在之后的博文中介绍。



转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_68d0921b0102vk85.html