AVLfire简单介绍

1、AVL-FIRE V2008AVLFire 简介Fame 自动网格生成器FAME 里基于八叉树过程的自动网格生成工具可实现又快又稳定的网格生成。网格建立过程的算法对表面质量不敏感。只要表面的缝隙宽度不超过该处网格的大小，就不会影响网格的自动生成。FAME 也提供了一系列修补工具，可对不符合要求的CAD 数据进行修正。CAD 数据一般通过STL 接口读入。体网格则可以SWIFT v2，Nastran，Ideas 和Star-CD 的格式读入。网格种类和局部细化策略可由用户选择：可生成六面体，四面体或混合型网格，不同部分的网格可通过一一对应或任意交界面方式连接。一旦选定网格生成策略，网格建成后带有

2、用户定义的贴体网格层数以确保计算结果的高精度。FAME Advanced Hybrid 这种网格生成工具有自动识别模型大小的功能，能有效地处理局部结构尺寸差别很大的模型，如对于模型的某些比起其它部位要小很多的部位它能自动识别到，并作相应的网格细化。Fire 三维 CFD 流体力学模拟分析计算发动机三维流动分析软件可以求解最复杂的进气道流动、内燃机缸内流动和详细的喷雾燃烧现象等。从而指导优化进气道形状、燃烧室结构、喷射参数和排放物生成的降低等。该软件是集前处理，求解器和后处理于一体的软件包，在同一界面能实现三维流动分析的全过程, 有非常友好的用户界面。典型应用：a. 冷却水套冷却水套模拟计算早已

3、列入发动机开发过程的常规计算。对水套的优化分析包括：如何分区生成网格以便于调整气缸垫孔径大小，快速实现流量分布的优化；近壁网格层数的选取；FIRE 中有预设的针对水套的计算参数模板文件；在准确预测热传导方面，除有对流换热模型，还考虑某些局部的沸腾换热，同时与通用有限元软件可直接耦合以计算出准确的传热和温度场；先进的多相流模块使准确计算冷却水灌注的瞬态过程成为可能，这类模拟分析有助于预测水套中残存气泡的部位，以修改结构排除局部过热的隐患。b. 柴油机缸内喷雾燃烧由于柴油机多采用螺旋式气道，在能给出适当的初始涡流比，初始湍流条件的情况下对缸内流动燃烧分析往往可从进气门关闭开始，这样就可避免在计算模

4、型中包含进气道及气门运动，大大简化计算模型并缩短计算时间。针对不同规格柴油机设定初始条件等方面有大量的技术know-how, 有些已写入手册，有些通过技术支持可确保用户获得。c. 参数化的燃烧室优化工具带有多个参数化的燃烧室结构供用户选择, 自动进行移动网格的生成,缸内瞬态流动喷雾燃烧的计算并自动生成对结果的分析报告。之后用户可直接在界面内改变燃烧室结构参数重新计算, 以实现对燃烧室形状的优化。d. HCCI 燃烧FIRE 领先推出HCCI(均质压燃)燃烧模型，国内已有用户成功应用FIRE 进行直喷式汽油机HCCI 燃烧研究，其论文于2003 年初在SAE 上发表。e. 发动机进排气系统由于采

5、用先进的网格生成技术，静态进气系统的建模过程可在一小时内完成。排气管内除一般的流动传热分析外，FIRE 还有专门的尾气处理模块对三元催化转化器内的流动，传热及排放物的转化进行模拟计算。国内也有FIRE 用户成功进行催化器CFD 模拟和试验研究。流场分析的基本流程一、网格自动生成根据电池包内部流场的特点，我们一般使用fame的网格自动生成和手动划分网格，两者相结合基本上能完成网格划分。对于电池数量较少的模型（如下图）完全可以用网格自动生成功能来实现网格划分。下面介绍网格自动生成的流程：1）准备面surface mesh和线edge mesh：要求：面必须是封闭曲面，一般FIRE中可以应用的是.s

6、tl的文件，在PRO/E,CATIA 等三维的造型软件中都可以生成；与面的处理相似的还要准备边界的线数据2）Hybrid assistant ,选择start new meshing，分别定义表面网格define surface mesh和线网格define edge mesh3）然后进入高级选项fame advanced hybrid，在这里定义最大网格尺寸和最小网格尺寸，最大网格尺寸是最小网格尺寸的2n倍4）选择connecting edge，一般在计算域的进出口表面建立face selection，这样可保证edge处的网格贴体，否则网格在几何的边角会被圆滑掉，另外还可以保证进出口面的网

7、格方向与气流方向正交，有利于计算的精确性和收敛性。通过add添加上进出口的selection即可。5）点Next进入refinement界面，在refinement界面应当勾选auto refinement，如果在计算域内有需要细化的区域，则在这些区域建立face selection，通过add添加上所建立的selection，同时定义网格细化的尺寸和垂直于此face selection的网格的延伸深度。6）点击next，进入OGL objects refinement界面，一般不需要定义，在下面的use advanced settings前打勾，激活高级设置选项7）点击next，进入keep

8、/remove cells界面，remove cells可以减少网格生成数量而且对于表面模型有细缝的情况，应当选择remove cells，此项功能相当域FAME Hexa中的keep detail的功能。点击next进入transformations界面8）此选项的应用可以参考example 中的intake port example 中transformation 的应用，这一功能主要是为了划分间隔距离较小的表面的。它的原理是先按照transformation 后的表面划分网格，再将这种尺寸的网格压缩和放大等等，保证表面的贴合。9）点击next，finish进入网格自动划分过程。二、网格划

9、分工具的使用手动划分网格有多种形式，例如：可以在封闭的面框上生成面网格，再拉伸面网格得到体网格；可以将复杂实体分块，在每一块应用手动拉伸或网格自动生成得到体网格，再将这些分块的网格用Join meshes或Arbitrary connect连接；对于2Dmeshing还可以应用interpolation工具进行手动划分。下面将对一些重要的工具做解释：1、Mesh tools1）RefineRefine功能用于网格的细化或粗化，Number of closure levels是指的细化程度。 2）Smooth网格的光滑性优化工具3）Modify 网格的平移，旋转和镜像等功能的操作4）Enlarg

10、e网格拉伸、扫描和旋转的工具，一般是对面网格的操作。5）Mapping网格映射工具，主要用于生成两体网格相贯部分。注意：mapping的对象是node selection，mapping的网格一般是表面网格，先在体网格上make surface。6）Connet网格连接工具，此功能常用。Join meshes用于两网格贴合处节点位置一一对应的连接，Arbitrary connect用于贴合处节点位置不对应的网格连接。注意：网格连接操作后，要confirm connect操作，以消除重复的节点或连接面。2、surface tools1）Surface 面生成工具，Make surface可在体网

11、格上抽出面网格；Triangulation可在体网格上生成三角面网格，也可将面网格转化成三角面网格；Center trangulation同上，得到的三角面网格2）Surface checks 检查表面网格质量3）Closed Surface用于补面，生成面的线轮廓等。先Find boundary edges得到空缺面的轮廓，再进入triangulate closed edges选项生成三角形网格的面。4）Orientate Surface用于更改面网格方向的，一般应保证面网格内外表面方向一致3、edge tools1）Auto edges线网格生成工具，点选面网格，一般选择closed ed

12、ges，调整合适的参数即可生成2）manip edge可以对局部面网格进行生成边网格操作3）2d meshing四边形网格生成工具，先准备封闭的线网格，再选择row adjustment delay即可生成规则的四边形网格。三、网格和几何信息工具划分完网格，一般先要检查网格质量，检查通过后才可以进行下一步工作。1、网格check选择体网格即可激活check选项，所生成的网格应保证required check选项下所有的检查结果为0. 2、Geo info检查网格的各个组成成分的数量以及几何表面面积和体积。同时可以检查节点之间的距离。四、流场分析求解器的设置1、边界条件入口及出口条件的选择（常规

13、应用）：1）对于风道稳态计算，一般进口用流量，出口用静压或梯度为零；若是瞬态计算，往往进出口都采用压力边界条件，如果计算不易收敛，则建议进出口都采用流量（出口流量的值要改变符号）2）对于冷却水套一般进口定义流量，出口定义静压或梯度为零。 建议是有实测的静压值，这样有助于加快计算收敛。3）入口处湍流值的给定： 一般"turb.ref.velocity"处填入进口平均速度（可根据流量估算） "% of mean velocity"一般填1-10 "% of hydraulic diameter"一般填5-10 这样Turb.kin.ene

14、rgy及下面两项都会由程序自动算出 一般来说，TKE的值大一些对计算收敛有帮助2、流体物性和初始条件流体物性可预设为常量(空气,流体或新物性), 也可用公式定义；如果有组分输运, 物性值会被重新计算 对于空气和可压缩气体, 初始值被作为物性值, 气体状态方程用于更新三个变量 (压力,温度和密度)中定义为0的那个。 如果它们都不为0, 那么密度被更新；所有变量在全场的初始化可通过均匀初始化和势流场初始化来实现；对于瞬态计算，初始条件必须准确给定，因为后续时间步的结果直接受其影响。 4、离散空间离散：计算边界值和导数 计算边界值：Extrapolate（外差）and Mirror（镜面对称）Mir

15、ror 对于边界网格质量不好的情况更为适用，可作为"默认"选项，计算导数的方法：Least Sq. Fit（最小二乘法） and Gauss（高斯法），Gauss 作为"默认"选项 Cell face adjustment: 动量方程的切向扩散项被法向扩散项的值制约，不建议用它作为默认选项因为如果这种限制在很多单元起作用,那么会影响能量守衡。但是，它对质量不好的网格计算有帮助 人工可压缩性（Artificial Compressibility)实现了每个单元采用不同的时间步长 ，即不容易收敛的单元采用较小的时间步，而易收敛的单元采用较大的时间步，这样松弛

16、因子可以加大 5、算法SIMPLE这个算法是从离散的连续方程和动量方程里导出一个压力校正方程SIMPLE和SIMPLEC的差别在于速度的更新方法不同；SIMPLEC 对于松弛因子的依赖较弱, 压力的校正甚至不需要下松弛；SIMPLEC 对于一些压力-速度耦合起的作用较大的应用会得到更好的结果. 而在一些有其他源项的情况下, 如较强的湍流, 喷雾, 燃烧时SIMPLE 法算得会更好，SIMPLE是默认的选项 6、湍流模型涡粘性/耗散模型（k-e）：双方程模型，基于Boussinesq假设，隐含湍流是各相同性的，导致对复杂流动的模拟不够准确。优点是计算稳定性好，对计算资源的要求和花费低。适合工程应

17、用。 k-z-f：四方程模型，精度和稳定性都较好，推荐使用，计算时间仅比k-e模型多15%。7、壁处理标准壁函数 Standard wall function 复合壁函数 Hybrid wall function 双层壁函数 Two layer wall function 近壁处理 Near wall approachHybrid wall treatment建议作为'默认选项，与K-f模型联合使用模型联合使用. 8、壁面热传导标准壁函数 Standard wall function Han-Reitz模型中考虑了边界层中气体密度的变化和湍流Prandtl数的增加9、焓Total en

18、thalpy 是默认选项 当温度出现无界解而导致不收敛时, 求解静焓方程会是一个解决方案 10、松弛因子稳态计算: URF (mom) =0.6, URF(pres)=0.1, URF(turb)=0.4 瞬态计算: URF(mom)=0.6, URF(pres)=0.4, URF(turb)=0.6 11、差分格式差分格式是由前后网格单元中心(cell enter)的值来计算网格单元面中心点(face center)的值的方法，常用的差分格式有迎风格式和中心差分格式，在计算精度和收敛性之间取得折衷，采用Blending factor-揉和因子以便在高阶的格式中揉入迎风格式。揉合因子是介于和之

19、间的数，为1表明完全采用高阶格式，为0，则只有迎风格式起作用迎风格式(Upwind)：这是一阶精度的差分格式，无条件收敛，但不适于用在动量 方程和连续方程，因为如果网格线与流动方向不一致，该格式会产生数值扩散。 中心差分(Central Differencing)：二阶精度，是连续方程的默认格式("揉和"因子 blending factor选1)，用于其他方程时"揉和"因子最多选0.5。收敛性较差。 Minmod Relaxed: 也是二阶精度，可与0-1之间的任何"揉和"因子相配，比中心 差分的计算稳定性和收敛性好。对于连续方程建议

20、选用中心差分带揉和因子为1。在高马赫数的情况下可以选用MINMOD或SMART（三阶精度） 对于动量方程通常选用MINMOD带揉和因子1 (发动机的应用可采用0.5)。 能量方程可选用CD 带揉和因子0.5. 但对于发动机计算应选用迎风格式12、线性求解器在FIRE中采用了非常有效的共轭梯度方法 (CG): GSTB 和CGJP 要在加快计算速度和加强收敛性方面取得最优方案, 我们在界面上提供了'Table'的方式，这样可以在计算开始收敛性比较差的时候选用GSTB, 然后采用CGJP来加快计算速度，大多数情况下压力项求解器（Continuity)公差可取0.05,但有时必须降到

21、0.005。Algebraic Multigrid(AMG) 类似GSTB, 一般用于非常复杂的问题但要多占用50%的内存静态模拟-以Intake Manifold Example为例问题：如图所示，冷(此处指常温)流体(空气)以一定的质量流量从inlet Face 进入计算域，从outlet faces 流出，计算该计算区域内的流动？需要指出的边界条件如下： Inlet：l 指定的质量流量： m=0.038107 kg/sl 指定的温度： T=293.15 Kl 指定湍流条件：湍动能=0.02 m2/s2， 湍流长度尺度 lt=0.001 mOutlet:l 指定静压： p=1000000

22、Paa. Import Surface Mesh to CFD-WM面网格的导入b. Edge Mesh线网格线网格是一系列用户定义的、在离散的表面网格上生成的特征边缘线。为了生成准确的体网格，在表面形状比较尖锐的地方需要生成特征边缘线网格。CFD-WM 提供了自动生成线网格的工具 Auto Edge。Create Edge Mesh线网格生成：c. Create Face Selections for Inlet and Outlet对于自动化分网格来说，在划分网格之前，在表面网格上要定义大量的selection。最重要的selection 为进口、出口以及需要局部细化的区域。此例题只需定义

23、进出口的selections。dFAME Advanced Hybrid Meshing Technique(网格生成技术)首先保证划分网格需要的文件已经保存。面网格和线网格在界面中可见。FAME Advanced Hybrid 是一个全自动的网格生成工具，在开始划分网格之前，所有设置都应该完成。为了生成合适的体网格，可以输入以下的参数。1.通过设置最大网格尺寸到最小网格尺寸这一范围，网格生成器可以根据表面网格的曲率自动选择网格的尺寸大小，即曲率大的地方将选择小网格进行细化。2.指定边界层网格的层数。3.根据建立的边界的 selection，自动生成 connecting edge。4.用户自

24、定义进行局部的细化。(必须保证最大网格尺寸是细化的网格尺寸的2n 倍)5.与边界层相交的网格贴体过程的处理（保留或者删除）。6.表面网格和线网格上的 Transformation 可以使表面网格上某个区域发生变形，使得生成的体网格与没有变形的体积网格相比，网格数较小，质量较高。e.Check Mesh Quality(检测网格质量)网格质量的好坏对计算能否正常进行以及计算的时间和精度都有很大影响，例如如果有负网格存在，求解器不能够开始计算。因此有必要对网格质量进行检查。f.Smooth the Volume Mesh(优化体网格)对于坏网格需要进行修复处理，使用Smooth 工具对其进行修复。

25、 gSolver GUI求解器的图形用户界面体网格生成之后，下一步用户需要定义计算的目标和选择相应的求解方程，即求解器的设置。1. Boundary Conditions边界条件2. Fluid Properties (Air)流体属性3. Initial Conditions初始条件4. Solver Control求解器控制1) Discretization离散其中：l Calculation of boundary values这个参数会影响到边界层的压力计算。当边界层的网格质量较好的时候，可以使用Extrapolate 选项。如果边界层网格的质量不好，推荐使用Mirror。l Calc

26、ulation of derivatives这一参数会对网格质量不太好的网格有影响，推荐使用的是Least Square.Fit，因为它较为精确。如果体网格有很多坏网格的话，可以使用Gauss。l Cell face adjustment动量方程的切向扩散项被法向扩散项的值制约，默认值为No，只有当有很多坏网格的时候，才推荐使用。l Realizabilty constraints控制局部湍流粘度的最高值，保证计算的稳定性。默认值为No。l Artificial compressibility其对压力的松弛会产生影响，对不可压流体中压力的微小扰动的传播速度起到抑制的作用。推荐激活。这个功能只适用于稳态计算。l Simple (Based Pressure-Velocity Coupling)SIMPLE 是英文 Semi-Implicit Pressure-Linked Equations 的缩写，意为求解压力耦合方程组的半隐式方法。它的核心是采用