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ANSYSFLUENT培训教材第一节 CFD简介 安世亚太科技 北京 有限公司 什么是CFD CFD是计算流体动力学 Computationalfluiddynamics 的缩写 是预测流体流动 传热传质 化学反应及其他相关物理现象的一门学科 CFD一般要通过数值方法求解以下的控制方程组质量守恒方程动量守恒方程能量守恒方程组分守恒方程体积力等等CFD分析一般应用在以下阶段 概念设计产品的详细设计发现问题改进设计CFD分析是物理试验的补充 但更节省费用和人力 CFD如何工作 ANSYSCFD求解器是基于有限体积法的计算域离散化为一系列控制体积在这些控制体上求解质量 动量 能量 组分等的通用守恒方程偏微分方程组离散化为代数方程组用数值方法求解代数方程组以获取流场解 Fluidregionofpipeflowisdiscretizedintoafinitesetofcontrolvolumes EquationVariableContinuity1XmomentumuYmomentumvZmomentumwEnergyh FLUENTcontrolvolumesarecell centered i e theycorresponddirectlywiththemesh whileCFXcontrolvolumesarenode centered Unsteady Convection Diffusion Generation CFD模拟概览 问题定义确定模拟的目的确定计算域前处理和求解过程创建代表计算域的几何实体设计并划分网格设置物理问题 物理模型 材料属性 域属性 边界条件 定义求解器 数值格式 收敛控制 求解并监控后处理过程查看计算结果修订模型 ProblemIdentificationDefinegoalsIdentifydomain Pre ProcessingGeometryMeshPhysicsSolverSettings SolveComputesolution PostProcessingExamineresults UpdateModel 1 定义模拟目的 你希望得到什么样的结果 例如 压降 流量 你如何使用这些结果 你的模拟有哪些选择 你的分析应该包括哪些物理模型 例如 湍流 压缩性 辐射 你需要做哪些假设和简化 你能做哪些假设和简化 如对称 周期性 你需要自己定义模型吗 FLUENT使用UDF CFX使用UserFORTRAN计算精度要求到什么级别 你希望多久能拿到结果 CFD是否是合适的工具 ProblemIdentificationDefinegoalsIdentifydomain 2 确定计算域 如何把一个完成的物理系统分割出来 计算域的起始和结束位置在这些位置你能获得边界条件吗 这些边界条件类型合适吗 你能把边界延伸到有合适数据的位置吗 能简化为二维或者轴对称问题吗 ProblemIdentificationDefinegoalsIdentifydomain DomainofInterestasPartofaLargerSystem notmodeled DomainofinterestisolatedandmeshedforCFDsimulation 3 创建几何模型 你如何得到流体域的几何模型 使用现有的CAD模型从固体域中抽取出流体域 直接创建流体几何模型你能简化几何吗 去除可能引起复杂网格的不必要特征 倒角 焊点等 使用对称或周期性 流场和边界条件是否都是对称或周期性的 你需要切分模型以获得边界条件或者创建域吗 SolidmodelofaHeadlightAssembly Pre ProcessingGeometryMeshPhysicsSolverSettings 4 设计和划分网格 计算域的各个部分都需要哪种程度的网格密度 网格必须能捕捉感兴趣的几何特征 以及关心变量的梯度 如速度梯度 压力梯度 温度梯度等 你能估计出大梯度的位置吗 你需要使用自适应网格来捕捉大梯度吗 哪种类型的网格是最合适的 几何的复杂度如何 你能使用四边形 六面体网格 或者三角形 四面体网格是否足够合适 需要使用非一致边界条件吗 你有足够的计算机资源吗 需要多少个单元 节点 需要使用多少个物理模型 Pyramid Prism Wedge Hexahedron Pre ProcessingGeometryMeshingPhysicsSolverSettings Triangle Quadrilateral Tetrahedron 四边形 六面体还是三角形 四面体网格 对沿着结构方向的流动 四边形 六面体网格和三角形 四面体网格相比 能用更少的单元 节点获得高精度的结果当网格和流动方向一致 四边形 六面体网格能减少数值扩散在创建网格阶段 四边形 六面体网格需要花费更多人力 四边形 六面体还是三角形 四面体网格 Tetrahedralmesh Wedge prism mesh 对复杂几何 四边形 六面体网格没有数值优势 你可以使用三角形 四面体网格或混合网格来节省划分网格的工作量生成网格快速流动一般不沿着网格方向混合网格一般使用三角形 四面体网格 并在特定的域里使用其他类型的单元例如 用棱柱型网格捕捉边界层比单独使用三角形 四面体网格更有效 多域 或混合 网格 多域或混合网格在不同的域使用不同的网格类型 例如在风扇和热源处使用六面体网格在其他地方使用四面体 棱柱体网格多域网格是求解精度 计算效率和生成网格工作量之间的很好的平衡手段当不同域直接的网格节点不一致时 需要使用非一致网格技术 ModelcourtesyofROIEngineering 非一致网格 对复杂几何体 非一致网格很有用分别划分每一个域 然后粘接在其他情况下 也使用非一致网格界面技术不同坐标系之间移动网格 Non conformalinterface 3DFilmCoolingCoolantisinjectedintoaductfromaplenum Theplenumismeshedwithtetrahedralcellswhiletheductismeshedwithhexahedralcells CompressorandScrollThecompressorandscrollarejoinedthroughanonconformalinterface Thisservestoconnectthehexandtetmeshesandalsoallowsachangeinreferenceframe 设置物理问题和求解器 对给定的问题 你需要定义材料属性流体固体混合物选择合适的物理模型湍流 燃烧 多相流等 指定操作条件指定边界条件提供初始值设置求解器控制参数设置监测收敛参数 Forcomplexproblemssolvingasimplifiedor2Dproblemwillprovidevaluableexperiencewiththemodelsandsolversettingsforyourprobleminashortamountoftime Pre ProcessingGeometryMeshPhysicsSolverSettings 求解 通过迭代求解这些离散的守恒方程直至收敛以下情况达到收敛 两次迭代的流场结果差异小到可以忽略监测残差趋势能帮助理解这个差异达到全局守恒全局量的平衡感兴趣的量 如阻力 压降 达到稳定值监测感兴趣量的变化 收敛解的精度和以下因素有关 合适的物理模型 模型的精度网格密度 网格无关性数值误差 Aconvergedandmesh independentsolutiononawell posedproblemwillprovideusefulengineeringresults SolveComputesolution 查看结果 查看结果 抽取有用的数据使用可视化的工具能回答以下问题 什么是全局的流动类型 是否有分离 激波 剪切层等在哪儿出现 关键的流动特征是否捕捉住了 数值报告工具能给出以下量化结果 力 动量平均换热系数面积分 体积分量通量平衡 Examineresultstoensurepropertyconservationandcorrectphysicalbehavior Highresidualsmaybecausedbyjustafewpoorqualitycells 修订模型 这些物理模型是否合适 流动是湍流的吗 流动是非稳态的吗 是否有压缩性效应 是否有三维效应 这些边界条件是否合适 计算域是否足够大 边界条件是否合适 边界值是否是合理的 网格是否是足够的 加密网格能否提高精度 网格是否有无关性 是否需要提高网格捕捉几何的细节 FLUENT中的物理模型 流动和传热动量 质量 能量方程辐射湍流雷诺平均模型 Spalart Allmaras k k 雷诺应力模型 大涡模拟 LES 和分离涡模拟 DES 组分输运体积反应Arrhenius有限速率化学反应湍流快速化学反应涡耗散 非预混 预混 局部预混湍流有限速率反应EDC laminarflamelet compositionPDFtransport表面化学反应 PressureContoursinNear GroundFlight TemperatureContoursforKilnBurnerRetrofit FLUENT中的物理模型 多相流模型离散相模型 DPM VOFMixturesEulerian EulerianandEulerian granularLiquid Solidandcavitationphasechange动网格MovingzonesSingleandmultiplereferenceframes MRF MixingplanemodelSlidingmeshmodelMovinganddeforming dynamic mesh MDM 用户定义标量输运方程 PressureContoursinaSquirrelCageBlower CourtesyFordMotorCo Workbench2中的FLUENTCFD 启动ANSYSWorkbench在工具栏中拖动FluidFlow FLUENT 到项目栏里 读入几何 右键点击GeometrycellA2然后选择ImportGeometry读入几何文件 CAD模型或者DesignModeler agdb文件 你也可以把FLUENT和已经存在的DesignModeler进程连接起来 生成网格 右键点击Meshcell然后选择Edit Meshing工具打开 并读入几何选择Mesh注意因为网格是从FLUENT中打开的 所以默认优先选择的是FLUENT 定义边界和域 使用Namedselections定义边界名字选择你想指定名字的面右键选择CreateNamedSelection 键入名字然后点击OK 有时你需要指定流体域和固体域固体用来计算共轭传热 velocityinlet 设置并运行FLUENT 编辑Setupcell来设置物理问题边界条件求解器设置求解后处理求解结束后 结果可以在FLUENT中的post里查看 或者输出到CFD Post中查看等值线 矢量图分布图计算力和力矩非稳态结果的动画 FLUENT软件演示 启动FLUENT 假设网格已经生成好了 设置一个简单的问题求解流体流动后处理结果 ANSYSFLUENT培训教材第二节 求解器基础 安世亚太科技 北京 有限公司 FLUENT用户界面导航 FLUENT用户界面设计为项目树从上至下排列在项目树中选择要设置的单元 输入窗口在中心打开GeneralModelsMaterialsBoundaryConditionsSolverSettingsInitializationandCalculationPostprocessing 缩放网格 选择量纲 FLUENT读入网格文件后 所有的维度默认是以米为单位的如果你的模型不是以米为单位建立的 你需要缩放网格缩放后需要确认一下计算域的大小 如果是在Workbench下读入网格 不需要缩放 然而 量纲默认为MKS系统如果需要 可以使用混合的量纲系统 FLUENT默认使用国际单位SI在SetUnits面板中 可以使用任意的量纲 文本用户界面TUI 大多数GUI命令都有对应的TUI命令许多高级的命令只能通过TUI获得按回车键能显示当前级的命令q键进入上一级FLUENT可以在后台运行或通过历史记录文件journal运行 鼠标功能 鼠标功能和二维 三维求解器的选择有关 可以在求解器中设定 缺省设置2D求解器左键平移中键缩放右键选择3D求解器左键旋转中键缩放中键点击确定中心点右键选择流场探针功能右键点击屏幕视图 在Workbench中可以设置另外的鼠标功能 Display MouseButtons 材料属性 FLUENT提供标准的材料库 也允许用户创建自己的材料 所选择的物理模型决定了哪些材料可用 以及必须设定这些材料的哪些属性 多相流 多种材料 燃烧 多种组分 传热 导热系数 辐射 发射率以及吸收率 材料属性可以直接设定为温度 压力的函数和其他变量相关需要用UDF设定 材料库 FLUENT中的材料库提供一系列预先定义的流体 固体和混合物如需要 可以拷贝材料并修改其属性客户定义的材料库在现有的case中创建的新材料和反应机理 可以在以后的case中重复使用在FLUENT中的材料面板里可以创建 使用 修改材料属性 操作条件 在参考压力位置设定的操作压力 是FLUENT在计算表压时的参考值当计算浮力流时 操作温度设定了参考温度操作密度是计算密度大范围变化流动问题的参考值 并行计算 FLUENT中的并行计算用来运行多个处理器 以减少计算时间 增加仿真效率对大规模网格或者复杂物理问题尤其有效FLUENT是全并行的 能在大多数硬件和软件平台上运行 如clusters或者多核机器上并行FLUENT可以使用命令启动 也可以在启动面板中选择例如 启动一个n CPU并行进程 用下面的命令fluent3d tn网格可以手工分区 或者用下面不同的方法自动分区非一致网格 滑移网格和壳导热区域需要逐个来分区 总结 本节课程介绍了CFD仿真中经常用到的许多基础功能并行计算能减少计算时间 但只针对大规模网格时有效后续课程会涉及到非稳态问题的求解设置其他未涉及到的议题 见附录 网格构形的关系在求解器中重新排序网格和编辑网格多面体网格转换基于求解器的网格自适应 附录 FLUENTJournals FLUENT可以使用journal文件以批处理方式运行journal是包括TUI命令的文本文件FLUENTTUI允许命令的缩写 如ls列表工作目录下的文件rcd读入case和data文件wcd写case和data文件rc wc读 写case文件rd wd读 写data文件it迭代批处理文件中的TUI命令可以在非交互模式下自动运行TUI命令file read bc和file write bc可以用来读写FLUENT中的设置到一个文件中 Readcasefilercexample cas gz Initializethesolution solve initialize initialize flow Calculate50iterationsit50 Writedatafilewdexample50 dat gz Calculateanother50iterationsit50 Writeanotherdatafilewdexample100 dat gz ExitFLUENTexityes SampleJournalFile 读入网格 Zones 本例中 有两个域 fluid upstreamandfluid downstream 因此 FLUENT把外壁面劈分为两个面 wallandwall 001 FLUENT也把中间的孔劈分为两个面 plateandplate shadow inlet outlet wall plateplate shadow fluid cellzone Default interiorzone s canalwaysbeignored 网格构造信息 网格文件中存储了所有的网格信息 节点坐标连接关系域的定义和几何定义类似 网格定义如下 Node边的交叉点 网格顶点Edge面的边 由两个节点定义 Face单元的边界 由一组边定义Cell域离散的控制体Zone一系列节点 边 面或单元的集合计算域由以上所有的信息组成对纯流动问题 域只包括流体域对共轭换热问题 或流固耦合问题 域还会包含固体域边界条件设置在面上材料属性和源项设置在单元上 Simple3Dmesh Simple2DMesh 网格的重新排序和编辑 网格的重新排序能使得邻近的单元排在一起提高内存读取效率 减少计算带宽可以对整个域或者指定的域进行排序网格每个分区的带宽可以打印出来供参考在网格菜单中 也可以对面 体做如下编辑 分割域 合并域通过合并重合的面或节点来融合域平移 旋转 镜像面或体域拉伸面形成体域替换体域或删除体域激活体域或冻结体域 多面体网格转换 FLUENTGUI中可以把四面体或混合网格转换为多面体网格生成四面体网格然后在FLUENT中转换为多面体网格优势提高网格质量减少单元数量用户可以控制转换过程劣势不支持自适应 不能再次转换不支持光顺 交换 合并和拉伸等网格编辑工具在网格菜单中有两种选择转换除了六面体外所有的网格为多面体网格不能转换有悬挂节点的网格六面体核心的网格可以通过单独程序转换只转换高度扭曲的网格为多面体网格 Grid Polyhedra ConvertSkewedCells Grid Polyhedra ConvertDomain Tet HybridMesh PolyhedralMesh 分布文件和求解结果插值 FLUENT允许通过分布文件和数据插值对选择的变量在面或体上插值 例如 试验数据或者其他FLUENT计算结果里的入口速度分布 或者粗网格的计算结果插值到密网格上 分布文件是包含选择变量的点数据文件 可以通过FLUENT进程读 写类似的 插值数据文件包括选择变量的离散数据 可以在FLUETN中读入和写出 网格自适应 网格自适应是求解过程中根据需要加密或粗化网格的技术 把满足条件的网格标注并存储起来 如需要 可以显示或更改这些网格点击Adapt对这些网格进行自适应注册这些网格的过程为 所有变量的梯度或等值线边界上的所有单元指定形状里的所有单元网格体积变化率近壁面网格的y 下面这些技巧可以帮助实现自适应合并注册的适应区显示适应函数的等值线显示标注的适应网格给出基于网格尺寸和数量的适应限制 RefineThresholdshouldbesetto10 ofthevaluereportedintheMaxfield 自适应案例 超音速流场 对压力梯度大的区域自适应网格以更好的捕捉通过激波的压力突变 InitialMesh GeneratedbyPreprocessor PressureContoursonInitialMesh Largepressuregradientindicatingashock poorresolutiononcoarsemesh 自适应案例 超音速流场 基于求解结果的网格自适应允许更好的解析弓形激波和膨胀波 Meshadaptionyieldsmuchbetterresolutionofthebowshock Adaptedcellsinlocationsoflargepressuregradients AdaptedMesh MultipleAdaptionsBasedonGradientsofPressure PressureContoursonAdaptedMesh ANSYSFLUENT培训教材第三节 边界条件 安世亚太科技 北京 有限公司 定义边界条件 要确定一个有唯一解的物理问题 必须指定边界上的流场变量指定进入流体域的质量流量 动量 能量等定义边界条件包括 确定边界位置提供边界上的信息边界条件类型和所采用的物理模型决定了边界上需要的数据你需要注意边界上的流体变量应该是已知的或可以合理预估的不好的边界条件对计算结果影响很大 流体域 流体域是一系列单元的集合 在其上求解所有激活的方程需要选择流体材料对多组分或多相流 流体域包含这些相的混合物输入的选择项多孔介质域源项层流域固定值域辐射域 多孔介质 多孔介质是一种特殊的流体域在Fluid面板中激活多孔介质域通过用户输入的集总阻力系数来确定流动方向的压降用来模拟通过多孔介质的流动 或者流过其他均匀阻力的物体堆积床过滤纸多孔板流量分配器管束输入各方向的粘性系数和惯性阻力系数 固体域 固体域是一组只求解导热问题而不求解流动方程的单元集合只需要输入材料名称选择项允许输入体积热源如果临近固体域的单元是旋转周期边界 需要指定旋转轴可以定义固体域的运动 Fuel Air CombustorWall Manifoldbox Nozzle 确定边界位置 例子 在本例中 入口条件有三个可能的位置 进气管的上游可以用均匀分布条件考虑混合效应非预混反应模型需要更多单元喷嘴进口平面非预混反应模型需要精确的入口分布流动仍然是非预混的3 喷嘴出口平面预混反应模型需要精确的分布由于进口边界对流场的影响很大 不建议使用 一般的建议 如果可能 边界的位置和形状能保证流体或者进入流体域 或者流出流体域不是必须的 但这样能更好的收敛垂直边界的方向不应该有大的梯度不正确的设置减少近边界的网格扭曲度否则在计算早期会带来误差 Upperpressureboundarymodifiedtoensurethatflowalwaysentersdomain 边界条件类型 外部边界通用PressureInletPressureOutlet不可压缩流VelocityInletOutflow 不建议用 压缩流MassFlowInletPressureFarField其他WallSymmetryAxisPeriodic特定Inlet OutletVentIntake ExhaustFan 内部边界FanInteriorPorousJumpRadiatorWall域FluidSolidPorousmedia 改变边界条件类型 域和域的类型在前处理阶段定义要改变边界条件类型 在Zone列表中选择域名 在Type下拉列表中选择希望的类型 设定边界条件数据 在BC面板中设置设定指定边界的条件 在项目树中选择边界条件在Zone列表中选择边界名称点击Edit边界条件数据可以从一个面拷贝到其他面边界条件也可以通过UDF和分布文件定义 分布文件这样生成 从其他CFD模拟写一个分布文件创建一个有格式的文本文件 速度进口 指定速度速度大小 垂直入口方向分量大小和方向指定入口均匀速度分布 如用UDF或者分布文件 可以指定分布入口条件速度入口用于不可压流动 不建议用于压缩流速度大小可以是负值 意味着出口 压力进口 压力入口适用于压缩和不可压缩流压力入口被处理为从滞止点到入口的无损失过渡FLUENT计算静压和入口的速度通过边界的流量随内部求解和指定的流动方向而改变需要的输入表总压超音速 初始表压入口流动方向湍流量 如是湍流的话 总温 如果有传热和 或压缩 流量入口 流量入口是为可压缩流设计的 但也可以用于不可压流动调整总压以适合流量入口比压力入口更难收敛要求的信息质量流量或流率超音速 初始表压如果当地为超音速 取静压 如果是亚音速 忽略此项 如果初场由此边界设定的化 用于初场计算总温 在Thermal面板 对不可压缩流取静温指定方向 压力出口 适用于压缩和不可压流动如果流动在出口是超音速的 指定的压力被忽略在外流或非封闭区域流动 作为自由边界条件要求输入表压 流体流入环境的静压 回流量 当有回流发生时 起到进口的作用对理想气体 可压缩 流动 可以使用无反射出口边界条件 壁面边界条件 粘性流动中 壁面采用无滑移边界条件可以指定剪切应力 热边界条件有几种类型的热边界条件 对一维或薄壳导热计算 可以指定壁面材料和厚度 细节会在传热课程介绍 对湍流可以指定壁面粗糙度基于局部流场的壁面剪切应力和传热壁面可以设置平移或旋转速度 对称面和轴 对称面不需要输入流场和几何都需要是对称的 对称面法向速度为零对称面所有变量法向梯度为零必须仔细确定正确的对称面位置轴轴对称问题的中心线不需要输入必须和X轴正向重合 SymmetryPlanes Axis 周期边界条件 用来减少全局网格量流场和几何必须是旋转周期对称或平移周期对称旋转周期对称通过周期面的 P 0在流体域中必须指定旋转轴平移周期对称通过周期面的 P必须有限模型是充分发展条件 指定每个周期的平均 P或质量流量如果没有在网格阶段定义周期条件 可以在FLUENTTUI中用下面命令指定 mesh modify zones make periodic 内部边界面 只在单元的面上定义 内部边界面的厚度为零内部边界面上的变量可以突变用来实现下面一些物理模型 风扇散热器多孔突变区域相比多孔介质模型更易收敛内部面 Case设置的复制 要复制一个case设置 通过TUI命令读写边界条件 file write bc创建一个边界条件文件 file read bc读入一个边界条件文件可以把二维case的设置读入到三维case中 inlet 1 inlet 2 outlet 2 outlet 1 fluid inlet 1 inlet 2 outlet 2 outlet 1 2DFlowDomain approximation Actual3DFlowDomain 总结 边界域用来控制求解时的外部和内部边界 有许多边界类型用来定义不同的边界信息实体域用来赋予流体或固体材料选择项包括多孔介质域 层流域 固定值域等使用对称面和周期边界条件能减少计算量未介绍的其他边界条件类型见附录远场压力排气扇 出风口进风口 抽气扇出口 附录 其他边界条件 压力远场条件用来模拟无穷远处的可压缩自由流 输入静压和自由流马赫数只有密度是用理想气体计算时可以使用压力远场条件压力出口的目标质量流量选项 不能用于多相流 固定压力出口的流量 常数或UDF 用TUI可以设置迭代方法排气扇 出风口用指定的压升 压降系数以及环境压力和温度模拟排气扇或出风口的条件进风口 抽气扇用指定的压降 压升系数以及环境压力和温度模拟进风口或进气扇的条件对LES DES模拟的进口边界 在湍流模型一节中介绍 Outflow 不需要压力或速度信息出口平面的数据由内部数据外插得到边界上加入质量流量平衡所有变量的法向梯度为零流体在边界为充分发展outflow边界针对不可压缩流动不能和压力进口同时使用 必须和速度进口一起使用 不能用于变密度的非稳态流动有回流时收敛性很差 最终解如有回流 不能使用此条件 多出口模拟 多出口流动可以使用压力出口或outflow压力出口 要求知道下游压力 FLUENT计算每个出口的流量比例Outflow 流量比例由FlowRateWeighting FRW 计算 出口间的静压变化 以匹配设定的流量分配 Velocityinlet V T0 Outflow FRW2 Outflow FRW1 ANSYSFLUENT培训教材第四节 求解器设置 安世亚太科技 北京 有限公司 概要 使用求解器 求解过程概览 设置求解器参数收敛定义监测稳定性加速收敛精度网格无关性网格自适应非稳态流模拟 后续章节中介绍 非稳态流问题设置非稳态流模型选择总结附录 求解过程概览 求解参数选择求解器离散格式初始条件收敛监测收敛过程稳定性设置松弛因子设置Courantnumber加速收敛精度网格无关性自适应网格 求解器选择 FLUENT中有两种求解器 压力基和密度基 压力基求解器以动量和压力为基本变量通过连续性方程导出压力和速度的耦合算法压力基求解器有两种算法分离求解器 压力修正和动量方程顺序求解 耦合求解器 PBCS 压力和动量方程同时求解 求解器选择 密度基耦合求解器以矢量方式求解连续性方程 动量方程 能量方程和组分方程通过状态方程得到压力其他标量方程按照分离方式求解DBCS可以显式或隐式方式求解隐式 使用高斯赛德尔方法求解所有变量显式 用多步龙格库塔显式时间积分法 Enablingpressure basedcoupledsolver PBCS 如何选择求解器 压力基求解器应用范围覆盖从低压不可压缩流到高速压缩流需要的内存少求解过程灵活压力基耦合求解器 PBCS 适用于大多数单相流 比分离求解器性能更好不能用于多相流 欧拉 周期质量流和NITA比分离求解器多用1 5 2倍内存密度基耦合求解器 DBCS 适用于密度 能量 动量 组分间强耦合的现象例如 伴有燃烧的高速可压缩流动 超高音速流动 激波干扰隐式方法一般优于显式 因为其对时间步有严格的限制显式方法一般用于流动时间尺度和声学时间尺度相当的情况 如高马赫激波的传播 离散化 插值方法 存储在单元中心的流场变量必须插值到控制体面上对流项的插值方法有 First OrderUpwind 易收敛 一阶精度 PowerLaw 对低雷诺数流动 Recell 5 比一阶格式更精确Second OrderUpwind 尤其适用流动和网格方向不一致的四面体 三角形网格 二阶精度 收敛慢MonotoneUpstream CenteredSchemesforConservationLaws MUSCL 对非结构网格 局部三阶精度 对二次流 旋转涡 力等预测的更精确QuadraticUpwindInterpolation QUICK 适用于四边形 六面体以及混合网格 对旋转流动有用 在均匀网格上能达到三阶精度 插值方法 梯度 为了得到扩散通量 速度导数 以及高阶离散格式 都需要求解变量的梯度单元中心的变量梯度由以下三种方法得到 Green GaussCell Based 可能会引起伪扩散Green GaussNode Based 更精确 更少伪扩散 建议对三角形 四面体网格采用Least SquaresCell Based 建议对多面体网格采用 精度和属性同Node based面上的梯度用多级泰勒级数展开求得 压力的插值方法 使用分离算法时 计算面上压力的插值方法有 Standard 默认格式 对于近边界的沿面法向存在大压力梯度流动 精度下降 如果存在压力突变 建议改用PRESTO PRESTO 用于高度旋流 包括压力梯度突变 多孔介质 风扇模型等 或者计算域存在大曲率的面Linear 当其他格式导致收敛问题或非物理解时使用Second Order 用于压缩流 不适用多孔介质 风扇 压力突变以及VOF Mixture多相流BodyForceWeighted 用于大体积力的情况 如高瑞利数自然对流或高旋流 压力速度耦合 压力基求解器通过连续性方程和动量方程导出压力方程或压力修正方程FLUENT中有四种耦合方式Semi ImplicitMethodforPressure LinkedEquations SIMPLE 默认算法 稳健性好SIMPLE Consistent SIMPLEC 对简单问题 收敛更快 如层流Pressure ImplicitwithSplittingofOperators PISO 对非稳态流动或者高扭曲度网格有用FractionalStepMethod FSM 对非稳态问题和NITA合用 类似PISO 初始化 FLUENT要求所有的求解变量有初始值更真实的初值能提高收敛稳定性 加速收敛过程 有些情况需要一个好的初值在特定区域对特定变量单独赋值自由射流 喷射区高速 燃烧问题 高温激活反应 单元标注 自适应 FMG初始化 FullMultiGrid FMG 能用来创建更好的初场 FMG初始化对包括大的压力梯度和速度梯度的复杂流动有用在粗级别网格上求解一阶欧拉方程可用于压力基或密度基求解器 但限于稳态问题启动FMG初始化压力基求解器 solve init fmg initialization密度基求解器 当选择密度基求解器后在GUI里可见FMG在粗网格上用多重网格求解通过TUI命令来设置 solve init set fmg initialization 检查Case CaseCheck功能发现一些常见的错误设置和不一致性提供选择参数和模型的指导用于可以直接应用或忽略这些建议 收敛性 计算收敛时应该满足 所有离散的守恒方程 动量 能量等 在所有的单元中满足指定的误差或者结果随计算不再改变全局的质量 动量 能量和标量达到平衡使用残差历史曲线来监测收敛 一般地 残差下降三个量级表示至少达到定性的收敛 流场的主要特征已经形成 压力基求解器的能量残差应下降到10 6组分残差应下降到10 5监测定量的收敛 监测其他关键的物理量确保全局的质量 能量 组分守恒 监测收敛 残差 残差图显示何时收敛达到指定标准 监测收敛 力和面上的变量 除了残差外 也可以监测升力 阻力和力矩系数边界或其他定义的面上的导出变量或函数 如面积分 检查全局通量守恒 除了监测残差和变量历史外 也可以检查全局热和质量平衡净通量差值 NetResults 应该小于通过边界最小通量的1 残差与收敛 如果监测到求解已经收敛 但计算结果还在改变 或还有大的质量 热量不平衡 这表示求解还未收敛此时 你应该 减小残差标准或关闭监测残差的窗口继续迭代直至计算收敛在ConvergenceCriterion窗口选择None关闭监测残差的窗口 收敛遇到的困难 对一些病态问题 差质量的网格或不合适的求解设置 都可能出现数值不稳定性表现为残差曲线上扬 发散 或不下降发散意味守恒方程的不平衡增加没收敛的结果会误导使用者解决方法确保问题是物理合理的用一阶离散格式计算一个初场对压力基求解器 减少发散方程的松弛因子对密度基求解器 减少Courant数重新生成网格或加密质量差的网格注意网格自适应不能提高扭曲度大的网格质量 Continuityequationconvergencetroubleaffectsconvergenceofallequations 修改松弛因子 松弛因子用来稳定压力基求解器的迭代过程以缺省的松弛因子开始计算减少动量方程的松弛因子经常有助于收敛缺省值对大多数问题都适用 需要时你可以改变这些值合适的设置最好通过经验获得对密度基求解器 对耦合方程组外的方程 松弛因子同样有用 修改Courant数 对密度基求解器 即使稳态问题 也存在瞬态项用Courant定义时间步长对显式求解器 稳定性约束限制了最大Courant数不能超过2 缺省为1 有收敛困难时减少Courant数对隐式求解器 Courant没有稳定性约束限制缺省值为5 加速收敛 可以通过以下方法加速收敛 设置更好的初场从前次的计算结果开始 如需要 可以使用file interpolation 渐次增加松弛因子或Courant数过高的值容易引起发散继续迭代是应保存case和date文件控制多重网格求解器设置 一般不推荐 缺省设置一般足够稳定 不建议修改 从已有结果开始计算 已有的计算结果可以作为初场使用使用结果插值 如密网格计算以粗网格结果为初值开始 初始化后 新的迭代从目前数据开始一些建议 求解精度 收敛的结果不一定是正确的需要利用其他数据或物理知识对结果进行检查和评价用二阶上风格式获得最终解确保结果是网格无关的 用自适应加密网格或重新划分网格来研究网格无关性如果流场结果看起来不合理 重新考虑物理模型和边界条件检查网格质量 如必要 重新划分网格重新考虑边界条件或域的位置 不充分的边界对结果精度影响很大 网格质量和求解精度 数值误差和网格梯度及网格面上插值相关建议 使用高阶离散格式 二阶上风 MUSCL 尽量让网格和流动方向一致减少伪扩散加密网格足够的网格密度对求解有突变的流动非常有用随着网格尺寸减少 插值误差也减少对非均匀网格 尺寸变化不要太大均匀网格的截断误差小FLUENT提供基于网格尺寸梯度的自适应减小网格扭曲度和长细比一般地 避免使用长细比大于5的网格 边界层允许使用更大长细比的网格 优化四边形 六面体网格 使其更接近正交优化三边形 四面体网格 使其更接近等边 网格无关解 当加密网格 结果不再改变时 称为网格无关解 得到网格无关解的过程 生成一个新的 更密的网格回到网格阶段 手动调整网格或者 用自适应 重要 首先保存case和data文件创建自适应网格 插值原结果到密网格上 FLUENT提供动态网格自适应 会根据用户定义的标准自动改变网格继续计算直至收敛 比较两次结果的解 如有必要 重复以上过程要对某一问题 使用不同网格时 可以使用TUI命令file write bc和file read bc来设置新问题 通过插值能得到更好的初场 总结 压力基和密度基求解器的计算过程是相同的计算直至收敛获得二阶精度的解 建议 加密网格重新计算直至得到网格无关解两种求解器都提供了提高收敛和稳定性的工具两种求解器都提供了检查和改善精度的工具结果的精度取决于合适的物理模型和设定的边界条件 ANSYSFLUENT培训教材第五节 湍流模型 安世亚太科技 北京 有限公司 湍流模型简介 湍流的特征从NS方程到雷诺平均NS模型 RANS 雷诺应力和封闭问题湍动能方程 k 涡粘模型 EVM 雷诺应力模型近壁面处理及网格要求进口边界条件总结 湍流模型指南 湍流的特征 湍流本质是非稳态的 三维的 非周期的漩涡运动 脉动 的 湍流会加强混合 传热和剪切时空域的瞬间脉动是随机的 不可预测的 但湍流脉动的统计平均可量化为输运机理所有的湍流中都存在大范围的长度尺度 涡尺度 对初场敏感 湍流结构 SmallStructures LargeStructures 如何判断是否为湍流 外流 内流 自然对流 alongasurface aroundanobstacle where where Otherfactorssuchasfree streamturbulence surfaceconditions blowing suction andotherdisturbancesetc maycausetransitiontoturbulenceatlowerReynoldsnumbers Rayleighnumber Prandtlnumber 雷诺数的效果 Re 3 5 106 3 105 Re 3 5 106 40 Re 150 150 Re 3 105 5 15 Re 40 Re 5 湍流涡街 但涡间距离更近 边界层转捩为湍流 分离点前为层流边界层 尾迹为湍流 层流涡街 尾迹区有一对稳定涡 蠕动流 无分离 后台阶流 瞬时速度分布 时间平均的速度分布 横风中的射流 左图是抓拍的瞬态羽流图 右图是延时的光滑掉细节 涡 的平均图 横风中的射流 FromSuandMungalinDurbinandMedic 2008 时间平均定义为瞬时场拆分为平均量和脉动量之和 如对NS方程进行平均 得到雷诺平均的NS方程 RANS 雷诺平均方程和封闭问题 Reynoldsstresstensor Rij 雷诺应力张量 Rij对称二阶应力 由对动量方程的输运加速度项平均得来雷诺应力提供了湍流 随机脉动 输运的平均效应 是高度扩散的RANS方程中的雷诺应力张量代表湍流脉动的混合和平均带来的光顺 封闭问题 为了封闭RANS方程组 必须对雷诺应力张量进行模拟涡粘模型 EVM 基于Boussinesq假设 即雷诺应力正比于时均速度的应变 比例常数为涡粘系数 湍流粘性 雷诺应力模型 RSM 求解六个雷诺应力项 加上耗散率方程 的偏微分输运方程组 Eddyviscosity 涡粘模型 量纲分析表明 如果我们知道必要的几个尺度 如速度尺度 长度尺度 涡粘系数就可以确定出来例如 给定速度尺度和长度尺度 或速度尺度和时间尺度 涡粘系数就被确定 RANS方程也就封闭了只有非常简单的流动才能预测出这些尺度 如充分发展的管流或粘度计里的流动对一般问题 我们需要导出偏微分输运方程组来计算涡粘系数湍动能k启发了求解涡粘模型的物理机理 涡粘模型 涡粘系数类似于动量扩散效应中的分子粘性涡粘系数不是流体的属性 是一个湍流的特征量 随着流体流动的位置而改变 涡粘模型是CFD中使用最广泛的湍流模型涡粘模型的局限基于各向同性假设 而实际有许多流动现象是高度各向异性的 大曲率流动 强漩流 冲击流动等 涡粘模型和流体旋转引起的雷诺应力项不相关平均速度的应变张量导出的雷诺应力假设不总是有效的 FLUENT中的湍流模型 RANSbasedmodels 一方程模型Spalart Allmaras二方程模型Standardk RNGk Realizablek Standardk SSTk 4 Equationv2f ReynoldsStressModelk kl TransitionModelSSTTransitionModelDetachedEddySimulationLargeEddySimulation Aseparatelicenseisrequired Spalart Allmaras S A 模型 SA模型求解修正涡粘系数的一个输运方程 计算量小修正后 涡粘系数在近壁面处容易求解主要应用于气动 旋转机械等流动分离很小的领域 如绕过机翼的超音速 跨音速流动 边界层流动等是一个相对新的一方程模型 不需求解和局部剪切层厚度相关的长度尺度为气动领域设计的 包括封闭腔内流动可以很好计算有反向压力梯度的边界层流动在旋转机械方面应用很广局限性不可用于所有类型的复杂工程流动不能预测各向同性湍流的耗散 标准k 模型 选择 作为第二个模型方程 方程是基于现象提出而非推导得到的耗散率和k以及湍流长度尺度相关 结合k方程 涡粘系数可以表示为 标准k 模型SKE SKE是工业应用中最广泛使用的模型模型参数通过试验数据校验过 如管流 平板流等对大多数应用有很好的稳定性和合理的精度包括适用于压缩性 浮力 燃烧等子模型SKE局限性 对有大的压力梯度 强分离流 强旋流和大曲率流动 模拟精度不够 难以准备模拟出射流的传播对有大的应变区域 如近分离点 模拟的k偏大 Realizablek 和RNGk 模型 Realizablek RKE 模型耗散率 方程由旋涡脉动的均方差导出 这是和SKE的根本不同对雷诺应力项施加了几个可实现的条件优势 精确预测平板和圆柱射流的传播对包括旋转 有大反压力梯度的边界层 分离 回流等现象有更好的预测结果RNGk RNG 模型 k 方程中的常数是通过重正规化群理论分析得到 而不是通过试验得到的 修正了耗散率方程在一些复杂的剪切流 有大应变率 旋涡 分离等流动问题比SKE表现更好 标准k 和SSTk 标准k SKW 模型 在粘性子层中 使用稳定性更好的低雷诺数公式 k 包含几个子模型 压缩性效应 转捩流动和剪切流修正对反压力梯度流模拟的更好SKW对自由来流条件更敏感在气动和旋转机械领域应用较多ShearStressTransportk SSTKW 模型SSTk 模型混合了和模型的优势 在近壁面处使用k 模型 而在边界层外采用k 模型包含了修正的湍流粘性公式 考虑了湍流剪切应力的效应SST一般能更精确的模拟反压力梯度引起的分离点和分离区大小 雷诺应力模型 RSM