CFD经验漫谈+湍流初步

1、CFD经验漫谈及湍流模化初步CFD的基本流程n前处理q建模nAutocad, CATIA, UG, Solidworksq网格生成nGridgen, ICEM-CFD, Gridpron求解器q设置计算参数n后处理qTecplotqEnsightn网格类型q结构网格n多块对接网格n多块重叠网格q非结构网格 q笛卡尔网格网格划分原则n1.第一层网格距壁面的距离q层流计算:y(1)1/sqrt(Re)q湍流计算:y+1n壁函数 30-200n2.网格法向间距拉伸率q工程应用:r1.251.3q科学研究:r1.2，ideal: r1.1q拉伸不是无休止的，deltay到边界层厚度/10停止(大约位于

2、边界层中心)n3.流向网格间距qRANS计算:n找感觉。个人经验，Re=10e.6, 单位长的壁面附近布置80+点足够nGrid independent Study:粗中细三套网格，比较结果(特别是摩阻)qLES计算：n理想LES三方向的网格间距应相当n法向与RANS相当，流向deltax+, deltaz+8000(Spalart)，但不得超过边界层厚度/20nGrid Refinement Studyn4. 网格品质要求q正交性物面网格线垂直于壁面空间网格线正交软件带有网格正交化功能q光滑性疏密过渡要平缓q考虑流场特性流动变化剧烈的区域，如激波、分离区域局部加密ExamplesnGrid

3、independent Studyny+(1)大小的影响求解器n求解参数q时间步长n隐式求解LUSGS, LU-ADI: CFL=510n显式求解Runge-Kutta: Dt很小n情况变化(Mach提高，高级湍流模型)，收敛困难q手工减小时间步长，计算稳定后逐渐提高q构造函数，使时间步长自动缓慢增长q设置合理初场n使用当地时间步技术q限制器n无激波，无需限制器，否则会引入不必要的粘性n出现激波，限制器顺序min mod(高Mach), Smooth, Van Albada, double minmod (低Mach)q推荐应用多重网格，极大加速收敛，并促进计算稳定q无粘通量空间计算方法nRo

4、enAUSMq非定常计算nDtdelta/UmaxqNaN错误n非物理解修正qStack Overflow错误n数组别都放栈里，建议用动态数组n建议q学习一个开源代码，希望编程模块化，输入输出接口标准化，参数设置简单化q计算环境使用Linuxq编译器使用intel fortran/C+q如有可能，尽量抛弃Windowsn使用Linux，办公效率提高几十倍！n对新生寄予厚望什么是湍流？Leonardo da Vinci(1452-1519)在水中放置障碍物后观察流动现象。n 湍流：极不规则的流动现象。葛饰北斋 (17601849)：神奈川巨浪歌川広重 (17971858)：鸣门的风浪n 艺术家笔

5、下的湍流云层n 自然界的湍流河流香烟的烟雾海浪减阻控制转捩：减少阻力燃烧强化湍流：加强扩散噪声抑制湍流：降噪气象预测大气湍流湍流的研究意义n 目的：预测和控制湍流n 雷诺实验湍流的形成Re/UL雷诺数：层流湍流O. Reynolds (1842-1912)n 层流向湍流的发展过程n 阶段一：当Re很小时，流体规则地流过圆柱 n 阶段二： 随着Re增加，尾涡不断增大n 阶段三：经过Re阀值后，变为极不规则的运动 Re/UL雷诺数：湍流的特征n 特征一：不规则性射流n 特征二：湍流脉动的尺度具有宽广的范围 n 特征三：拟序结构。1. 剪切湍流存在拟序结构2. 湍流脉动并非完全不规则的随机过程3.

6、有序大尺度结构包含于不规则脉动中F. N. M. Brown, A. Roshko, 1974湍流的分类n 均匀各向同性湍流n 剪切湍流：n 壁湍流：槽道流，圆管流，边界层湍流n 自由剪切湍流：射流，混合层，远场尾流平均剪切固壁均匀和各向同性1u2u3u4u1u2u3u4u平移几何构形1u2u3u4u1u2u3u4u平移加转动几何构形n 均匀：任意n点的空间几何构形在空间平移时，脉动量的n阶相关函数不变。n 均匀各向同性：任意n点的空间几何构形在空间平移和刚体转动时，脉动量的n阶相关函数不变。n 均匀：脉动量的任意阶统计相关函数和坐标系的平移无关。n 均匀各向同性：脉动量的任意阶统计相关函数和

7、坐标系的平移和刚体转动无关。1 2 3 41234u u u u123u u u u 123Rx ,x ,x= Rx ,x ,x四阶统计相关函数不变均匀各向同性湍流 格栅湍流，实验结果实验中采用的格栅均匀各向同性湍流的数值模拟结果壁湍流：槽道流，圆管流，边界层湍流自由剪切湍流：射流，混合层，远场尾流湍流的基本方程n湍流的多尺度有结构不规则运动属于宏观流体运动，即使最小Kolmogorov尺度也远远大于分子自由程nReynolds(1886):连续介质假设下仍然满足牛顿定律，即N-S控制方程，并由此导出统计平均值满足的方程，即雷诺平均N-S方程湍流的基本方程nNavier-Stokes Equation011iiiiijjijjuxuuuputxxxx nReynolds AverageqO.Reynolds(1895)iiiuUupPp对上式平均，因为注意到因此雷诺应力本质不是应力，而是湍流对流的平均显现，实际表现为扩散作用，因此联想起了动量被分子的粘性扩散封闭问题(Closure problem)