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這是ANSYS FLUENT培訓教材ppt課件下載,主要介紹了什么是 CFD;CFD如何工作;CFD 模擬概覽;四邊形/六面體還是三角形/四面體網格;設置物理問題和求解器;FLUENT 中的物理模型;設置并運行 FLUENT,歡迎點擊下載。

安世亞太科技(北京)有限公司 什么是 CFD? CFD是計算流體動力學(Computational fluid dynamics)的縮寫,是預測流體流動、傳熱傳質、化學反應及其他相關物理現象的一門學科。CFD一般要通過數值方法求解以下的控制方程組 質量守恒方程 動量守恒方程 能量守恒方程 組分守恒方程 體積力 等等 CFD 分析一般應用在以下階段: 概念設計 產品的詳細設計 發現問題 改進設計 CFD分析是物理試驗的補充,但更節省費用和人力。 CFD如何工作? ANSYS CFD 求解器是基于有限體積法的 計算域離散化為一系列控制體積 在這些控制體上求解質量、動量、能量、組分等的通用守恒方程 偏微分方程組離散化為代數方程組 用數值方法求解代數方程組以獲取流場解 CFD 模擬概覽 問題定義 確定模擬的目的 確定計算域 前處理和求解過程 創建代表計算域的幾何實體 設計并劃分網格 設置物理問題(物理模型、材料屬性、域屬性、邊界條件 …) 定義求解器 (數值格式、收斂控制 …) 求解并監控 后處理過程 查看計算結果 修訂模型 1. 定義模擬目的 你希望得到什么樣的結果(例如,壓降,流量),你如何使用這些結果? 你的模擬有哪些選擇? 你的分析應該包括哪些物理模型(例如,湍流,壓縮性,輻射)? 你需要做哪些假設和簡化? 你能做哪些假設和簡化(如對稱、周期性)? 你需要自己定義模型嗎? FLUENT使用UDF,CFX使用 User FORTRAN 計算精度要求到什么級別? 你希望多久能拿到結果? CFD是否是合適的工具? 2. 確定計算域 如何把一個完成的物理系統分割出來? 計算域的起始和結束位置 在這些位置你能獲得邊界條件嗎? 這些邊界條件類型合適嗎? 你能把邊界延伸到有合適數據的位置嗎? 能簡化為二維或者軸對稱問題嗎? 3. 創建幾何模型 你如何得到流體域的幾何模型? 使用現有的CAD模型 從固體域中抽取出流體域? 直接創建流體幾何模型 你能簡化幾何嗎? 去除可能引起復雜網格的不必要特征(倒角、焊點等) 使用對稱或周期性? 流場和邊界條件是否都是對稱或周期性的? 你需要切分模型以獲得邊界條件或者創建域嗎? 4. 設計和劃分網格 計算域的各個部分都需要哪種程度的網格密度? 網格必須能捕捉感興趣的幾何特征,以及關心變量的梯度,如速度梯度、壓力梯度、溫度梯度等。 你能估計出大梯度的位置嗎? 你需要使用自適應網格來捕捉大梯度嗎? 哪種類型的網格是最合適的? 幾何的復雜度如何? 你能使用四邊形/六面體網格,或者三角形/四面體網格是否足夠合適? 需要使用非一致邊界條件嗎? 你有足夠的計算機資源嗎? 需要多少個單元/節點? 需要使用多少個物理模型? 四邊形/六面體還是三角形/四面體網格 對沿著結構方向的流動,四邊形/六面體網格和三角形/四面體網格相比,能用更少的單元/節點獲得高精度的結果 當網格和流動方向一致,四邊形/六面體網格能減少數值擴散 在創建網格階段,四邊形/六面體網格需要花費更多人力 四邊形/六面體還是三角形/四面體網格 對復雜幾何,四邊形/六面體網格沒有數值優勢,你可以使用三角形/四面體網格或混合網格來節省劃分網格的工作量 生成網格快速 流動一般不沿著網格方向 混合網格一般使用三角形/四面體網格,并在特定的域里使用其他類型的單元 例如,用棱柱型網格捕捉邊界層 比單獨使用三角形/四面體網格更有效 多域(或混合)網格 多域或混合網格在不同的域使用不同的網格類型,例如 在風扇和熱源處使用六面體網格 在其他地方使用四面體/棱柱體網格 多域網格是求解精度、計算效率和生成網格工作量之間的很好的平衡手段 當不同域直接的網格節點不一致時,需要使用非一致網格技術。 非一致網格 對復雜幾何體,非一致網格很有用 分別劃分每一個域,然后粘接 在其他情況下,也使用非一致網格界面技術 不同坐標系之間 移動網格 設置物理問題和求解器 對給定的問題,你需要 定義材料屬性 流體 固體 混合物 選擇合適的物理模型 湍流,燃燒,多相流等。 指定操作條件 指定邊界條件 提供初始值 設置求解器控制參數 設置監測收斂參數 求解 通過迭代求解這些離散的守恒方程直至收斂 以下情況達到收斂: 兩次迭代的流場結果差異小到可以忽略 監測殘差趨勢能幫助理解這個差異 達到全局守恒 全局量的平衡 感興趣的量(如阻力、壓降)達到穩定值 監測感興趣量的變化. 收斂解的精度和以下因素有關: 合適的物理模型,模型的精度 網格密度,網格無關性 數值誤差 查看結果 查看結果,抽取有用的數據 使用可視化的工具能回答以下問題: 什么是全局的流動類型? 是否有分離? 激波、剪切層等在哪兒出現? 關鍵的流動特征是否捕捉住了? 數值報告工具能給出以下量化結果: 力、動量 平均換熱系數 面積分、體積分量 通量平衡 修訂模型 這些物理模型是否合適? 流動是湍流的嗎? 流動是非穩態的嗎? 是否有壓縮性效應? 是否有三維效應? 這些邊界條件是否合適? 計算域是否足夠大? 邊界條件是否合適? 邊界值是否是合理的? 網格是否是足夠的? 加密網格能否提高精度? 網格是否有無關性? 是否需要提高網格捕捉幾何的細節 FLUENT 中的物理模型 流動和傳熱 動量、質量、能量方程 輻射 湍流 雷諾平均模型 (Spalart-Allmaras, k–ε, k–ω, 雷諾應力模型) 大渦模擬 (LES) 和分離渦模擬 (DES) 組分輸運 體積反應 Arrhenius 有限速率化學反應 湍流快速化學反應 渦耗散, 非預混, 預混,局部預混 湍流有限速率反應 EDC, laminar flamelet, composition PDF transport 表面化學反應 FLUENT 中的物理模型 多相流模型 離散相模型 (DPM) VOF Mixtures Eulerian-Eulerian and Eulerian-granular Liquid/Solid and cavitation phase change 動網格 Moving zones Single and multiple reference frames (MRF) Mixing plane model Sliding mesh model Moving and deforming (dynamic) mesh (MDM) 用戶定義標量輸運方程 Workbench 2 中的FLUENT CFD 啟動ANSYS Workbench 在工具欄中拖動Fluid Flow (FLUENT) 到項目欄里 讀入幾何 右鍵點擊 Geometry cell A2 然后選擇 Import Geometry 讀入幾何文件 (CAD 模型或者 DesignModeler .agdb 文件) 你也可以把 FLUENT 和已經存在的 DesignModeler 進程連接起來 生成網格 右鍵點擊 Mesh cell 然后選擇 Edit. Meshing 工具打開,并讀入幾何 選擇Mesh 注意因為網格是從FLUENT中打開的,所以默認優先選擇的是 FLUENT 定義邊界和域 使用 Named selections定義邊界名字 選擇你想指定名字的面 右鍵選擇 Create Named Selection. 鍵入名字然后點擊 OK. 有時你需要指定流體域和固體域 固體用來計算共軛傳熱 設置并運行 FLUENT 編輯 Setup cell 來設置物理問題 邊界條件 求解器設置 求解 后處理 求解結束后,結果可以在FLUENT中的post里查看,或者輸出到 CFD-Post 中查看 等值線、矢量圖 分布圖 計算力和力矩 非穩態結果的動畫 FLUENT 軟件演示 啟動 FLUENT (假設網格已經生成好了) 設置一個簡單的問題 求解流體流動 后處理結果 安世亞太科技(北京)有限公司 FLUENT 用戶界面導航 FLUENT用戶界面設計為項目樹從上至下排列 在項目樹中選擇要設置的單元,輸入窗口在中心打開 General Models Materials Boundary Conditions Solver Settings Initialization and Calculation Postprocessing 縮放網格,選擇量綱 FLUENT讀入網格文件后,所有的維度默認是以米為單位的 如果你的模型不是以米為單位建立的,你需要縮放 網格縮放后需要確認一下計算域的大小。 如果是在 Workbench下讀入網格,不需要縮放。然而,量綱默認為 MKS 系統 如果需要,可以使用混合的量綱系統。 FLUENT 默認使用國際單位 SI 在 Set Units 面板中,可以使用任意的量綱。 文本用戶界面TUI 大多數GUI命令都有對應的 TUI 命令 許多高級的命令只能通過 TUI獲得 按回車鍵能顯示當前級的命令 q 鍵進入上一級 FLUENT 可以在后臺運行或通過歷史記錄文件journal運行 鼠標功能 鼠標功能和二維/三維求解器的選擇有關,可以在求解器中設定。 缺省設置 2D 求解器 左鍵平移 中鍵縮放 右鍵選擇 3D 求解器 左鍵旋轉 中鍵縮放 中鍵點擊確定中心點 右鍵選擇 流場探針功能 右鍵點擊屏幕視圖. 在 Workbench中可以設置另外的鼠標功能 材料屬性 FLUENT 提供標準的材料庫,也允許用戶創建自己的材料。 所選擇的物理模型決定了哪些材料可用,以及必須設定這些材料的哪些屬性。 多相流(多種材料) 燃燒(多種組分) 傳熱(導熱系數) 輻射(發射率以及吸收率) 材料屬性可以直接設定為溫度、壓力的函數 和其他變量相關需要用UDF設定。 材料庫 FLUENT 中的材料庫 提供一系列預先定義的流體、固體和混合物 如需要,可以拷貝材料并修改其屬性 客戶定義的材料庫 在現有的case中創建的新材料和反應機理,可以在以后的case中重復使用 在 FLUENT中的材料面板里可以創建、使用、修改材料屬性。 操作條件 在參考壓力位置設定的操作壓力,是FLUENT在計算表壓時的參考值 當計算浮力流時,操作溫度設定了參考溫度 操作密度是計算密度大范圍變化流動問題的參考值 并行計算 FLUENT 中的并行計算用來運行多個處理器,以減少計算時間,增加仿真效率 對大規模網格或者復雜物理問題尤其有效 FLUENT 是全并行的,能在大多數硬件和軟件平臺上運行,如clusters 或者多核機器上 并行FLUENT 可以使用命令啟動,也可以在啟動面板中選擇 例如,啟動一個 n-CPU 并行進程,用下面的命令 fluent 3d –tn 網格可以手工分區,或者用下面不同的方法自動分區 非一致網格,滑移網格和殼導熱區域需要逐個來分區 總結 本節課程介紹了CFD仿真中經常用到的許多基礎功能 并行計算能減少計算時間,但只針對大規模網格時有效 后續課程會涉及到非穩態問題的求解設置 其他未涉及到的議題(見附錄) 網格構形的關系 在求解器中重新排序網格和編輯網格 多面體網格轉換 基于求解器的網格自適應 附錄 FLUENT Journals FLUENT 可以使用journal 文件以批處理方式運行 journal 是包括TUI命令的文本文件 FLUENT TUI 允許命令的縮寫,如 ls 列表工作目錄下的文件 rcd 讀入 case 和data 文件 wcd 寫 case 和 data 文件 rc/wc 讀/寫 case 文件 rd/wd 讀/寫 data 文件 it 迭代 批處理文件中的TUI 命令可以在非交互模式下自動運行 TUI 命令 file/read-bc 和 file/write-bc 可以用來讀寫FLUENT 中的設置到一個文件中 讀入網格 – Zones 本例中,有兩個域 (fluid-upstream and fluid-downstream). 因此, FLUENT 把外壁面劈分為兩個面 (wall and wall:001). FLUENT 也把中間的孔劈分為兩個面 (plate and plate-shadow). 網格構造信息 網格文件中存儲了所有的網格信息。 節點坐標 連接關系 域的定義 和幾何定義類似,網格定義如下: Node 邊的交叉點 / 網格頂點 Edge 面的邊(由兩個節點定義) Face 單元的邊界,由一組邊定義 Cell 域離散的控制體 Zone 一系列節點、邊、面或單元的集合 計算域由以上所有的信息組成 對純流動問題,域只包括流體域 對共軛換熱問題,或流固耦合問題,域還會包含固體域 邊界條件設置在面上 材料屬性和源項設置在單元上 網格的重新排序和編輯 網格的重新排序能使得鄰近的單元排在一起 提高內存讀取效率,減少計算帶寬 可以對整個域或者指定的域進行排序 網格每個分區的帶寬可以打印出來供參考 在網格菜單中,也可以對面/體做如下編輯: 分割域、合并域 通過合并重合的面或節點來融合域 平移、旋轉、鏡像面或體域 拉伸面形成體域 替換體域或刪除體域 激活體域或凍結體域 多面體網格轉換 FLUENT GUI 中可以把四面體或混合網格轉換為多面體網格 生成四面體網格然后在 FLUENT中轉換為多面體網格 優勢 提高網格質量 減少單元數量 用戶可以控制轉換過程 劣勢 不支持自適應,不能再次轉換 不支持光順、交換、合并和拉伸等網格編輯工具 在網格菜單中有兩種選擇 轉換除了六面體外所有的網格為多面體網格 不能轉換有懸掛節點的網格 六面體核心的網格可以通過單獨程序轉換 只轉換高度扭曲的網格為多面體網格 分布文件和求解結果插值 FLUENT允許通過分布文件和數據插值對選擇的變量在面或體上插值。 例如,試驗數據或者其他FLUENT計算結果里的入口速度分布,或者粗網格的計算結果插值到密網格上。 分布文件是包含選擇變量的點數據文件,可以通過FLUENT進程讀/寫 類似的,插值數據文件包括選擇變量的離散數據,可以在FLUETN中讀入和寫出。 網格自適應 網格自適應是求解過程中根據需要加密或粗化網格的技術。 把滿足條件的網格標注并存儲起來。 如需要,可以顯示或更改這些網格 點擊 Adapt 對這些網格進行自適應 注冊這些網格的過程為: 所有變量的梯度或等值線 邊界上的所有單元 指定形狀里的所有單元 網格體積變化率 近壁面網格的y+ 下面這些技巧可以幫助實現自適應 合并注冊的適應區 顯示適應函數的等值線 顯示標注的適應網格 給出基于網格尺寸和數量的適應限制 自適應案例-超音速流場 對壓力梯度大的區域自適應網格以更好的捕捉通過激波的壓力突變 自適應案例-超音速流場 基于求解結果的網格自適應允許更好的解析弓形激波和膨脹波 安世亞太科技(北京)有限公司 定義邊界條件 要確定一個有唯一解的物理問題,必須指定邊界上的流場變量 指定進入流體域的質量流量、動量、能量等 定義邊界條件包括: 確定邊界位置 提供邊界上的信息 邊界條件類型和所采用的物理模型決定了邊界上需要的數據 你需要注意邊界上的流體變量應該是已知的或可以合理預估的 不好的邊界條件對計算結果影響很大 流體域 流體域是一系列單元的集合,在其上求解所有激活的方程 需要選擇流體材料 對多組分或多相流,流體域包含這些相的混合物 輸入的選擇項 多孔介質域 源項 層流域 固定值域 輻射域 多孔介質 多孔介質是一種特殊的流體域 在 Fluid 面板中激活多孔介質域 通過用戶輸入的集總阻力系數來確定流動方向的壓降 用來模擬通過多孔介質的流動,或者流過其他均勻阻力的物體 堆積床 過濾紙 多孔板 流量分配器 管束 輸入各方向的粘性系數和慣性阻力系數 固體域 固體域是一組只求解導熱問題而不求解流動方程的單元集合 只需要輸入材料名稱 選擇項允許輸入體積熱源 如果臨近固體域的單元是旋轉周期邊界,需要指定旋轉軸 可以定義固體域的運動 確定邊界位置-例子 在本例中,入口條件有三個可能的位置: 進氣管的上游 可以用均勻分布條件 考慮混合效應 非預混反應模型 需要更多單元 噴嘴進口平面 非預混反應模型 需要精確的入口分布 流動仍然是非預混的 3. 噴嘴出口平面 預混反應模型 需要精確的分布 由于進口邊界對流場的影響很大,不建議使用 一般的建議 如果可能,邊界的位置和形狀能保證流體或者進入流體域,或者流出流體域 不是必須的,但這樣能更好的收斂 垂直邊界的方向不應該有大的梯度 不正確的設置 減少近邊界的網格扭曲度 否則在計算早期會帶來誤差 邊界條件類型 外部邊界 通用 Pressure Inlet Pressure Outlet 不可壓縮流 Velocity Inlet Outflow (不建議用) 壓縮流 Mass Flow Inlet Pressure Far Field 其他 Wall Symmetry Axis Periodic 特定 Inlet / Outlet Vent Intake / Exhaust Fan 內部邊界 Fan Interior Porous Jump Radiator Wall 域 Fluid Solid Porous media 改變邊界條件類型 域和域的類型在前處理階段定義 要改變邊界條件類型: 在 Zone 列表中選擇域名。 在 Type 下拉列表中選擇希望的類型 設定邊界條件數據 在 BC 面板中設置 設定指定邊界的條件: 在項目樹中選擇邊界條件 在 Zone 列表中選擇邊界名稱 點擊 Edit 邊界條件數據可以從一個面拷貝到其他面 邊界條件也可以通過 UDF和分布文件定義. 分布文件這樣生成: 從其他CFD模擬寫一個分布文件 創建一個有格式的文本文件 速度進口 指定速度 速度大小,垂直入口 方向分量 大小和方向 指定入口均勻速度分布。如用UDF或者分布文件,可以指定分布入口條件 速度入口用于不可壓流動,不建議用于壓縮流 速度大小可以是負值,意味著出口。 壓力進口 壓力入口適用于壓縮和不可壓縮流 壓力入口被處理為從滯止點到入口的無損失過渡 FLUENT 計算靜壓和入口的速度 通過邊界的流量隨內部求解和指定的流動方向而改變 需要的輸入 表總壓 超音速 / 初始表壓 入口流動方向 湍流量(如是湍流的話) 總溫 (如果有傳熱和/或壓縮) 流量入口 流量入口是為可壓縮流設計的,但也可以用于不可壓流動 調整總壓以適合流量入口 比壓力入口更難收斂 要求的信息 質量流量或流率 超音速/初始表壓 如果當地為超音速,取靜壓,如果是亞音速,忽略此項。 如果初場由此邊界設定的化,用于初場計算 總溫 (在 Thermal 面板) 對不可壓縮流取靜溫 指定方向 壓力出口 適用于壓縮和不可壓流動 如果流動在出口是超音速的,指定的壓力被忽略 在外流或非封閉區域流動,作為自由邊界條件 要求輸入 表壓– 流體流入環境的靜壓。 回流量 – 當有回流發生時,起到進口的作用 對理想氣體(可壓縮)流動,可以使用無反射出口邊界條件 壁面邊界條件 粘性流動中,壁面采用無滑移邊界條件 可以指定剪切應力. 熱邊界條件 有幾種類型的熱邊界條件。 對一維或薄殼導熱計算,可以指定壁面材料和厚度(細節會在傳熱課程介紹)。 對湍流可以指定壁面粗糙度 基于局部流場的壁面剪切應力和傳熱 壁面可以設置平移或旋轉速度 對稱面和軸 對稱面 不需要輸入 流場和幾何都需要是對稱的: 對稱面法向速度為零 對稱面所有變量法向梯度為零 必須仔細確定正確的對稱面位置 軸 軸對稱問題的中心線 不需要輸入 必須和X軸正向重合 周期邊界條件 用來減少全局網格量 流場和幾何必須是旋轉周期對稱或平移周期對稱 旋轉周期對稱 通過周期面的ΔP = 0 在流體域中必須指定旋轉軸 平移周期對稱 通過周期面的ΔP必須有限 模型是充分發展條件. 指定每個周期的平均 ΔP 或質量流量 如果沒有在網格階段定義周期條件,可以在 FLUENT TUI中用下面命令指定 /mesh/modify-zones/make-periodic 內部邊界面 只在單元的面上定義: 內部邊界面的厚度為零 內部邊界面上的變量可以突變 用來實現下面一些物理模型: 風扇 散熱器 多孔突變區域 相比多孔介質模型更易收斂 內部面 Case 設置的復制 要復制一個 case 設置: 通過TUI命令讀寫邊界條件 /file/write-bc 創建一個邊界條件文件 /file/read-bc 讀入一個邊界條件文件 可以把二維case 的設置讀入到三維 case中 總結 邊界域用來控制求解時的外部和內部邊界,有許多邊界類型用來定義不同的邊界信息 實體域用來賦予流體或固體材料 選擇項包括多孔介質域、層流域、固定值域等 使用對稱面和周期邊界條件能減少計算量 未介紹的其他邊界條件類型見附錄 遠場壓力 排氣扇 / 出風口 進風口 / 抽氣扇 出口 附錄 其他邊界條件 壓力遠場條件 用來模擬無窮遠處的可壓縮自由流,輸入靜壓和自由流馬赫數 只有密度是用理想氣體計算時可以使用壓力遠場條件 壓力出口的目標質量流量選項(不能用于多相流) 固定壓力出口的流量(常數或UDF) 用 TUI可以設置迭代方法 排氣扇 / 出風口 用指定的壓升/壓降系數以及環境壓力和溫度模擬排氣扇或出風口的條件 進風口 / 抽氣扇 用指定的壓降/壓升系數以及環境壓力和溫度模擬進風口或進氣扇的條件 對LES/DES模擬的進口邊界,在湍流模型一節中介紹 Outflow 不需要壓力或速度信息 出口平面的數據由內部數據外插得到 邊界上加入質量流量平衡 所有變量的法向梯度為零 流體在邊界為充分發展 outflow 邊界針對不可壓縮流動 不能和壓力進口同時使用(必須和速度進口一起使用) 不能用于變密度的非穩態流動 有回流時收斂性很差. 最終解如有回流,不能使用此條件 多出口模擬 多出口流動可以使用壓力出口或outflow 壓力出口 – 要求知道下游壓力,FLUENT計算每個出口的流量比例 Outflow: 流量比例由 Flow Rate Weighting (FRW) 計算: 出口間的靜壓變化,以匹配設定的流量分配 安世亞太科技(北京)有限公司 概要 使用求解器(求解過程概覽) 設置求解器參數 收斂 定義 監測 穩定性 加速收斂 精度 網格無關性 網格自適應 非穩態流模擬(后續章節中介紹) 非穩態流問題設置 非穩態流模型選擇 總結 附錄 求解過程概覽 求解參數 選擇求解器 離散格式 初始條件 收斂 監測收斂過程 穩定性 設置松弛因子 設置 Courant number 加速收斂 精度 網格無關性 自適應網格 求解器選擇 FLUENT中有兩種求解器 – 壓力基和密度基。 壓力基求解器以動量和壓力為基本變量 通過連續性方程導出壓力和速度的耦合算法 壓力基求解器有兩種算法 分離求解器 – 壓力修正和動量方程順序求解。 耦合求解器 (PBCS) –壓力和動量方程同時求解 求解器選擇 密度基耦合求解器 以矢量方式求解連續性方程、動量方程、能量方程和組分方程 通過狀態方程得到壓力 其他標量方程按照分離方式求解 DBCS 可以顯式或隱式方式求解 隱式 – 使用高斯賽德爾方法求解所有變量 顯式: 用多步龍格庫塔顯式時間積分法。 如何選擇求解器 壓力基求解器應用范圍覆蓋從低壓不可壓縮流到高速壓縮流 需要的內存少 求解過程靈活 壓力基耦合求解器 (PBCS) 適用于大多數單相流,比分離求解器性能更好 不能用于多相流(歐拉)、周期質量流和 NITA 比分離求解器多用1.5–2倍內存 密度基耦合求解器 (DBCS)適用于密度、能量、動量、組分間強耦合的現象 例如: 伴有燃燒的高速可壓縮流動,超高音速流動、激波干擾 隱式方法一般優于顯式,因為其對時間步有嚴格的限制 顯式方法一般用于流動時間尺度和聲學時間尺度相當的情況(如高馬赫激波的傳播) 離散化(插值方法) 存儲在單元中心的流場變量必須插值到控制體面上 對流項的插值方法有: First-Order Upwind – 易收斂,一階精度。 Power Law –對低雷諾數流動 ( Recell < 5 )比一階格式更精確 Second-Order Upwind – 尤其適用流動和網格方向不一致的四面體/三角形網格,二階精度,收斂慢 Monotone Upstream-Centered Schemes for Conservation Laws (MUSCL) – 對非結構網格,局部三階精度,對二次流、旋轉渦、力等預測的更精確 Quadratic Upwind Interpolation (QUICK) – 適用于四邊形/六面體以及混合網格,對旋轉流動有用,在均勻網格上能達到三階精度 插值方法(梯度) 為了得到擴散通量、速度導數,以及高階離散格式,都需要求解變量的梯度 單元中心的變量梯度由以下三種方法得到: Green-Gauss Cell-Based – 可能會引起偽擴散 Green-Gauss Node-Based – 更精確,更少偽擴散,建議對三角形/四面體網格采用 Least-Squares Cell-Based – 建議對多面體網格采用,精度和屬性同Node-based 面上的梯度用多級泰勒級數展開求得 壓力的插值方法 使用分離算法時,計算面上壓力的插值方法有: Standard – 默認格式,對于近邊界的沿面法向存在大壓力梯度流動,精度下降(如果存在壓力突變,建議改用 PRESTO! ) PRESTO! – 用于高度旋流,包括壓力梯度突變(多孔介質,風扇模型等)或者計算域存在大曲率的面 Linear – 當其他格式導致收斂問題或非物理解時使用 Second-Order – 用于壓縮流,不適用多孔介質、風扇、壓力突變以及VOF/Mixture 多相流 Body Force Weighted – 用于大體積力的情況,如高瑞利數自然對流或高旋流 壓力速度耦合 壓力基求解器通過連續性方程和動量方程導出壓力方程或壓力修正方程 FLUENT中有四種耦合方式 Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations (SIMPLE) 默認算法,穩健性好 SIMPLE-Consistent (SIMPLEC) 對簡單問題,收斂更快,如層流 Pressure-Implicit with Splitting of Operators (PISO) 對非穩態流動或者高扭曲度網格有用 Fractional Step Method (FSM) 對非穩態問題 和 NITA 合用,類似 PISO. 初始化 FLUENT 要求所有的求解變量有初始值 更真實的初值能提高收斂穩定性,加速收斂過程. 有些情況需要一個好的初值 在特定區域對特定變量單獨賦值 自由射流(噴射區高速) 燃燒問題 (高溫激活反應) 單元標注(自適應) FMG 初始化 Full MultiGrid (FMG) 能用來創建更好的初場。 FMG 初始化對包括大的壓力梯度和速度梯度的復雜流動有用 在粗級別網格上求解一階歐拉方程 可用于壓力基或密度基求解器,但限于穩態問題 啟動 FMG 初始化 壓力基求解器: /solve/init/fmg-initialization 密度基求解器: 當選擇密度基求解器后在 GUI里可見 FMG 在粗網格上用多重網格求解 通過 TUI 命令來設置 /solve/init/set-fmg-initialization 檢查Case Case Check 功能發現一些常見的錯誤設置和不一致性 提供選擇參數和模型的指導 用于可以直接應用或忽略這些建議 收斂性 計算收斂時應該滿足: 所有離散的守恒方程(動量、能量等)在所有的單元中滿足指定的誤差或者結果隨計算不再改變 全局的質量、動量、能量和標量達到平衡 使用殘差歷史曲線來監測收斂: 一般地,殘差下降三個量級表示至少達到定性的收斂,流場的主要特征已經形成。 壓力基求解器的能量殘差應下降到10-6 組分殘差應下降到10-5 監測定量的收斂: 監測其他關鍵的物理量 確保全局的質量、能量、組分守恒。 監測收斂-殘差 殘差圖顯示何時收斂達到指定標準 監測收斂-力和面上的變量 除了殘差外,也可以監測升力、阻力和力矩系數 邊界或其他定義的面上的導出變量或函數(如面積分) 檢查全局通量守恒 除了監測殘差和變量歷史外,也可以檢查全局熱和質量平衡 凈通量差值(Net Results)應該小于通過邊界最小通量的1% 殘差與收斂 如果監測到求解已經收斂,但計算結果還在改變,或還有大的質量/熱量不平衡,這表示求解還未收斂 此時,你應該: 減小殘差標準或關閉監測殘差的窗口 繼續迭代直至計算收斂 在Convergence Criterion 窗口選擇 None關閉監測 殘差的窗口 收斂遇到的困難 對一些病態問題,差質量的網格或不合適的求解設置,都可能出現數值不穩定性 表現為殘差曲線上揚(發散)或不下降 發散意味守恒方程的不平衡增加 沒收斂的結果會誤導使用者 解決方法 確保問題是物理合理的 用一階離散格式計算一個初場 對壓力基求解器,減少發散方程的 松弛因子 對密度基求解器,減少Courant 數 重新生成網格或加密質量差的網格 注意網格自適應不能提高扭曲度大 的網格質量 修改松弛因子 松弛因子用來穩定壓力基求解器的迭代過程 以缺省的松弛因子開始計算 減少動量方程的松弛因子經常有助于收斂 缺省值對大多數問題都適用,需要時你可以改變這些值 合適的設置最好通過經驗獲得 對密度基求解器,對耦合方程組外的方程,松弛因子同樣有用 修改 Courant 數 對密度基求解器,即使穩態問題,也存在瞬態項 用Courant 定義時間步長 對顯式求解器: 穩定性約束限制了最大Courant 數 不能超過 2 (缺省為1) 有收斂困難時減少 Courant 數 對隱式求解器: Courant 沒有穩定性約束限制 缺省值為 5. 加速收斂 可以通過以下方法加速收斂: 設置更好的初場 從前次的計算結果開始(如需要,可以使用file/interpolation) 漸次增加松弛因子或Courant數 過高的值容易引起發散 繼續迭代是應保存case和date文件 控制多重網格求解器設置 (一般不推薦) 缺省設置一般足夠穩定,不建議修改 從已有結果開始計算 已有的計算結果可以作為初場使用 使用結果插值(如密網格計算以粗網格結果為初值開始) 初始化后,新的迭代從目前數據開始 一些建議: 求解精度 收斂的結果不一定是正確的 需要利用其他數據或物理知識對結果進行檢查和評價 用二階上風格式獲得最終解 確保結果是網格無關的: 用自適應加密網格或重新劃分網格來研究網格無關性 如果流場結果看起來不合理: 重新考慮物理模型和邊界條件 檢查網格質量,如必要,重新劃分網格 重新考慮邊界條件或域的位置,不充分的邊界對結果精度影響很大 網格質量和求解精度 數值誤差和網格梯度及網格面上插值相關 建議: 使用高階離散格式 (二階上風, MUSCL) 盡量讓網格和流動方向一致減少偽擴散 加密網格 足夠的網格密度對求解有突變的流動非常有用 隨著網格尺寸減少,插值誤差也減少 對非均勻網格,尺寸變化不要太大 均勻網格的截斷誤差小 FLUENT 提供基于網格尺寸梯度的自適應 減小網格扭曲度和長細比 一般地,避免使用長細比大于5的網格(邊界層允許使用更大長細比的網格) 優化四邊形/六面體網格,使其更接近正交 優化三邊形/四面體網格,使其更接近等邊 網格無關解 當加密網格,結果不再改變時,稱為網格無關解。 得到網格無關解的過程: 生成一個新的、更密的網格 回到網格階段,手動調整網格 或者,用自適應. 重要: 首先保存 case 和 data文件 創建自適應網格,插值原結果到密網格上。FLUENT提供動態網格自適應,會根據用戶定義的標準自動改變網格 繼續計算直至收斂。 比較兩次結果的解。 如有必要,重復以上過程 要對某一問題,使用不同網格時,可以使用 TUI 命令file/write-bc 和 file/read-bc 來設置新問題。 通過插值能得到更好的初場 總結 壓力基和密度基求解器的計算過程是相同的 計算直至收斂 獲得二階精度的解(建議) 加密網格重新計算直至得到網格無關解 兩種求解器都提供了提高收斂和穩定性的工具 兩種求解器都提供了檢查和改善精度的工具 結果的精度取決于合適的物理模型和設定的邊界條件 安世亞太科技(北京)有限公司 湍流模型簡介 湍流的特征 從NS方程到雷諾平均NS模型(RANS) 雷諾應力和封閉問題 湍動能方程(k) 渦粘模型 (EVM) 雷諾應力模型 近壁面處理及網格要求 進口邊界條件 總結: 湍流模型指南 湍流的特征 湍流本質是非穩態的、三維的、非周期的漩渦運動(脈動)的,湍流會加強混合、傳熱和剪切 時空域的瞬間脈動是隨機的(不可預測的),但湍流脈動的統計平均可量化為輸運機理 所有的湍流中都存在大范圍的長度尺度(渦尺度) 對初場敏感 湍流結構 如何判斷是否為湍流 雷諾數的效果 后臺階流 橫風中的射流 左圖是抓拍的瞬態羽流圖,右圖是延時的光滑掉細節(渦)的平均圖。 雷諾平均方程和封閉問題 時間平均定義為 瞬時場拆分為平均量和脈動量之和,如 對NS方程進行平均,得到雷諾平均的NS方程 (RANS) : 雷諾應力張量 Rij 對稱二階應力; 由對動量方程的輸運加速度項平均得來 雷諾應力提供了湍流(隨機脈動)輸運的平均效應,是高度擴散的 RANS方程中的雷諾應力張量代表湍流脈動的混合和平均帶來的光順 封閉問題 為了封閉 RANS 方程組,必須對雷諾應力張量進行模擬 渦粘模型 (EVM) – 基于 Boussinesq假設,即雷諾應力正比于時均速度的應變,比例常數為渦粘系數(湍流粘性) 雷諾應力模型 (RSM): 求解六個雷諾應力項(加上耗散率方程)的偏微分輸運方程組 渦粘模型 量綱分析表明,如果我們知道必要的幾個尺度(如速度尺度、長度尺度),渦粘系數就可以確定出來 例如,給定速度尺度和長度尺度,或速度尺度和時間尺度,渦粘系數就被確定,RANS方程也就封閉了 只有非常簡單的流動才能預測出這些尺度(如充分發展的管流或粘度計里的流動 對一般問題,我們需要導出偏微分輸運方程組來計算渦粘系數 湍動能k 啟發了求解渦粘模型的物理機理 渦粘模型 渦粘系數類似于動量擴散效應中的分子粘性 渦粘系數不是流體的屬性,是一個湍流的特征量,隨著流體流動的位置而改變。 渦粘模型是CFD中使用最廣泛的湍流模型 渦粘模型的局限 基于各向同性假設,而實際有許多流動現象是高度各向異性的(大曲率流動,強漩流,沖擊流動等) 渦粘模型和流體旋轉引起的雷諾應力項不相關 平均速度的應變張量導出的雷諾應力假設不總是有效的 FLUENT中的湍流模型 Spalart-Allmaras (S-A) 模型 SA模型求解修正渦粘系數的一個輸運方程,計算量小 修正后,渦粘系數在近壁面處容易求解 主要應用于氣動/旋轉機械等流動分離很小的領域,如繞過機翼的超音速/跨音速流動,邊界層流動等 是一個相對新的一方程模型,不需求解和局部剪切層厚度相關的長度尺度 為氣動領域設計的,包括封閉腔內流動 可以很好計算有反向壓力梯度的邊界層流動 在旋轉機械方面應用很廣 局限性 不可用于所有類型的復雜工程流動 不能預測各向同性湍流的耗散 標準 k–ε 模型 選擇 ε 作為第二個模型方程, ε 方程是基于現象提出而非推導得到的 耗散率和 k 以及湍流長度尺度相關: 結合 k 方程, 渦粘系數可以表示為: 標準 k–ε 模型SKE SKE 是工業應用中最廣泛使用的模型 模型參數通過試驗數據校驗過,如管流、平板流等 對大多數應用有很好的穩定性和合理的精度 包括適用于壓縮性、浮力、燃燒等子模型 SKE 局限性: 對有大的壓力梯度、強分離流、強旋流和大曲率流動,模擬精度不夠。 難以準備模擬出射流的傳播 對有大的應變區域(如近分離點),模擬的k 偏大 Realizable k–ε和 RNG k–ε 模型 Realizable k–ε (RKE) 模型 耗散率 (ε) 方程由旋渦脈動的均方差導出,這是和SKE的根本不同 對雷諾應力項施加了幾個可實現的條件 優勢: 精確預測平板和圓柱射流的傳播 對包括旋轉、有大反壓力梯度的邊界層、分離、回流等現象有更好的預測結果 RNG k–ε (RNG) 模型: k–ε方程中的常數是通過重正規化群理論分析得到,而不是通過試驗得到的,修正了耗散率方程 在一些復雜的剪切流、有大應變率、旋渦、分離等流動問題比SKE 表現更好 標準 k–ω 和 SST k–ω 標準 k–ω (SKW)模型: 在粘性子層中,使用穩定性更好的低雷諾數公式。 k–ω包含幾個子模型:壓縮性效應,轉捩流動和剪切流修正 對反壓力梯度流模擬的更好 SKW 對自由來流條件更敏感 在氣動和旋轉機械領域應用較多 Shear Stress Transport k–ω (SSTKW) 模型 SST k–ω 模型混合了 和模型的優勢,在近壁面處使用k–ω模型,而在邊界層外采用 k–ε 模型 包含了修正的湍流粘性公式,考慮了湍流剪切應力的效應 SST 一般能更精確的模擬反壓力梯度引起的分離點和分離區大小 雷諾應力模型 (RSM) 回憶一下渦粘模型的局限性: 應力-應變的線性關系導致在應力輸運重要的情況下預測不準,如非平衡流動、分離流和回流等 不能考慮由于流線曲度引起的額外應力作用,如旋轉、大的偏轉流動等 當湍流是高度各向異性、有三維效應時表現較差 為了克服上述缺點,通過平均速度脈動的乘積,導出六個獨立的雷諾應力分量輸運方程 RSM適合于高度各向異性流,三維流等,但計算代價大 目前 RSMs 并不總是優于渦粘模型 邊界層一致性定律 近壁面處無量綱的速度分布圖 對平衡的湍流邊界層來說,半對數曲線的線性段叫做邊界層一致性定律,或對數邊界層 近壁面處理 在近壁面處,湍流邊界層很薄,求解變量的梯度很大,但精確計算邊界層對仿真來說非常重要 可以使用很密的網格來解析邊界層,但對工程應用來說,代價很大 對平衡湍流邊界層,使用對數區定律能解決這個問題 由對數定律得到的速度分布和壁面剪切應力,然后對臨近壁面的網格單元設置應力條件 假設 k、ε、ω在邊界層是平衡的 用非平衡壁面函數來提高預測有高壓力梯度、分離、回流和滯止流動的結果 對能量和組分方程也建立了類似的對數定律 優勢:壁面函數允許在近壁面使用相對粗的網格,減少計算代價 近壁面網格要求 標準壁面函數,非平衡壁面函數: y+ 值應介于 30 到 300–500之間 網格尺度遞增系數應不大于 1.2 加強壁面函數的選擇: 結合了壁面定律和兩層區域模型 適用于雷諾數流動和近壁面現象復雜的流動 在邊界層內層對k–ε 模型修正 一般要求近壁面網格能解析粘性子層 (y+ < 5, 以及邊界層內層有 10–15 層網格) 近壁面網格尺寸預估 對平板流動,湍流摩擦系數的指數定律為: 壁面到第一層流體單元的中心點的距離 (Δy)可以通過估計壁面剪切層的雷諾數來預估 類似的,對管流可以預估 Δy 為: 尺度化壁面函數 實際上,很多使用者難以保證 30 < y+ < 30–500 常規的壁面函數是精度的主要限制之一,壁面函數對近壁面網格尺寸很敏感,而且隨著網格加密,精度不一定總是提高。同時,加強的壁面函數計算代價很高 Scalable Wall Functions 對 k–ε 模型, 尺度化壁面函數假設壁面和粘性子層的邊界是一致的,因此,流體單元總是位于粘性子層之上,這樣可以避免由于近壁面網格加密導致的不連續性 (注意: k–ω, SST 和 S-A 模型的近壁面是自動處理的,不能使用尺度化壁面函數) 通過 TUI 命令來運行 /define/models/viscous/near-wall-treatment/scalable-wall-functions 近壁面處理總結 對大多數工業CFD應用來說,壁面函數仍然是最合適的處理方法 對 k–ε 系列的湍流模型,建議使用尺度化壁面函數 標準壁面函數對簡單剪切流動模擬的很好,非平衡壁面函數提高了大壓力梯度和分離流動的模擬精度 加強壁面函數用于對數定律不適合的更復雜的流動(例如非平衡壁面剪切層或低雷諾數流動) 進口邊界條件 當湍流通過入口或出口(回流)進入流體域時,必須設置k, ε, ω 及 取決于選擇哪個湍流模型。 有四種設置方法: 直接輸入 k, ε, ω, 或雷諾應力分量 湍流強度和長度尺度 長度尺度和大渦的尺度相關 對邊界層流動: l  0.4δ99 對下游流動: l  開口尺寸 湍流強度和水力直徑(主要適合內流) 湍流強大和粘性比(主要適合外流) 例一,鈍體平板流 用四種不同的湍流模型模擬了繞過鈍體平板的流動 8,700 個四邊形網格,在回流再附著區和前緣附近加密 非平衡邊界層處理 例一,鈍體平板流 例一,鈍體平板流 例二,旋風分離器 40,000個六面體網格 高階上風格式 使用 SKE, RNG, RKE and RSM 模型及標準壁面函數 代表性的高旋渦流 (Wmax = 1.8 Uin) 例二,旋風分離器 低于0.41米處的切向速度分布 總結-湍流模型指南 成功的選擇湍流模型需要判斷: 流動現象 計算機資源 項目要求 精度 時間 近壁面處理的選擇 模擬進程 計算特征雷諾數,判斷是否是湍流 如果存在轉捩,考慮使用轉捩模型 劃分網格前,預估近壁面的y+ 除了低雷諾數流動和復雜近壁面現象(非平衡邊界層)外,用壁面函數方法確定如何準備網格 以 RKE (realizable k-ε) 開始,如果需要,改用 S-A, RNG, SKW, SST 或者 v2f 對高度旋渦流動、三維、旋轉流動,使用 RSM 記住目前沒有一個適用于所有流動的高級模型! RANS 模型描述 RANS 模型總結 安世亞太科技(北京)有限公司 概要 能量方程 壁面邊界條件 共軛傳熱 薄壁和雙面壁 自然對流 輻射模型 報告-輸出 能量方程 能量輸運方程: 單位質量的能量 E : 對可壓縮性流體,或者密度基求解器,總是考慮壓力做功和動能。對壓力基求解器計算不可壓流體,這些項被忽略,可以用下面的命令加入: define/models/energy? 固體域的能量方程 能計算固體域的導熱 能量方程: h 顯焓: 固體域的各向異性導熱系數(壓力基求解器) 壁面邊界條件 五類熱邊界條件 熱流量 溫度 對流 – 模擬外部環境的對流(用戶定義換熱系數) 輻射 – 模擬外部環境的輻射(用戶定義外部發射率和輻射溫度) 混合 – 對流和輻射邊界的 結合. 壁面材料和厚度可以定義 為一維或殼導熱計算 共軛傳熱 CHT固體域的導熱和流體域的對流換熱耦合 在流體/固體交界面使用耦合邊界條件 共軛傳熱例子 問題設置-熱源 在固體域加入熱源模擬電子部件的生成熱 溫度分布 替代的模擬策略 可替代的策略為模擬壁面為一有厚度面 (Thin Wall model). 這時,不需對固體域劃分網格 對固體板劃分網格 vs. 薄壁方法 對固體板劃分網格 在固體域求解能量方程l. 板厚度需用網格離散 最精確的方法,但需要多計算網格 由于壁面兩側都有網格,總是應用耦合熱邊界條件 對固體板劃分網格 vs. 薄壁方法 薄壁方法 人工模型模擬壁面熱阻 壁面需要必要的數據輸入(材料導熱系數,厚度) 只有對內部邊界用耦合邊界條件 殼導熱模型 殼導熱模型處理板內部的導熱 求解器創建額外的導熱單元,但不能顯示,也不能通過UDF獲得 固體屬性必須是常數,不能和溫度相關 自然對流 當流體加熱后密度變化時,發生自然對流 流動是由密度差引起的重力驅動的 有重力存在時,動量方程的壓力梯度和體積力項重寫為:: 其中 自然對流 –Boussinesq 模型 Boussinesq 模型假設流體密度是不變的,只是改變動量方程沿著重力方向的體積力 適用于密度變化小的情況 (例如,溫度在小范圍內變化). 對許多自然對流問題,Boussinesq 假設有更好的收斂性 常密度假設減少了非線性. 密度變化較小時適合. 不能和有化學反應的組分輸運方程同時使用. 封閉空間的自然對流問題 對穩態問題,必須使用 Boussinesq 模型. 非穩態問題,可以使用 Boussinesq 模型或者理想氣體模型 自然對流的用戶輸入 在操作條件面板中定義重力加速度 定義密度模型 Boussinesq 模型 激活重力項. 設置操作溫度 T0. 選擇 Boussinesq 模型,輸入密度值 ρ0. 設置熱膨脹系數 β. 使用溫度變化模型 (ideal gas, Aungier- Redlich-Kwong, polynomial): 設置操作密度或 讓 FLUENT 從單元平均中計算 ρ0 輻射 當和對流及導熱換熱相比, 量級相當時,應該考慮輻射效應 σ , Stefan-Boltzmann常數, 5.67×10-8 W/(m2·K4) 要考慮輻射,需求解輻射強度輸運方程RTEs 當地流體對輻射能的吸收,以及邊界對輻射的吸收,把RTEs 和能量方程耦合起來 這些方程常常和流動方程分離求解,然而,他們也可以和流動耦合 輻射強度, I(r,s),和方向及空間是相關的 FLUENT中有五個輻射模型 離散坐標模型 (DOM) 離散傳輸輻射模型 (DTRM) P1 模型 Rosseland 模型l Surface-to-Surface (S2S) 選擇輻射模型 指南: 計算代價 P1 計算代價小,有合理的精度 精度 DTRM 和 DOM 最精確. 光學厚度 DTRM/DOM 適合光學厚度小的模型 (αL << 1) P1 適合光學厚度大的模型. S2S 適合零厚度模型 散射 只有 P1 和 DO能考慮散射 顆粒輻射 P1 和 DOM 能考慮氣體和顆粒間的輻射換熱 局部熱源 適合用DTRM/DOM 帶足夠數量的射線/坐標計算 附錄 太陽輻射模型 太陽輻射模型 太陽輻射能量的射線追蹤算法,和其他輻射模型兼容 允許并行計算(但射線追蹤算法不能并行) 僅適用3D 特點 太陽方向向量 太陽強度(方向,散射) 使用理論最大或氣象條件計算方向和方向強度 瞬態情況 當方向向量是用太陽計算器算出的化,瞬態計算中太陽方向矢量會隨時間改變 設置 “time steps per solar load update” 能量方程源項 – 粘性耗散 粘性耗散引起的能量源項: 也稱為粘性加熱 對粘性剪切力大的流體(如潤滑油)和高速可壓縮流動比較重要 常常忽略 缺省的壓力基求解器不包括. 密度基求解器一般包括. 當 Brinkman 數接近或超過1時重要 能量方程源項 – 組分擴散 多組分流中因為組分擴散引起的能量源項: 包括了由于組分擴散引起的焓輸運效應 密度基求解器總包含 在壓力基求解器中可以不顯示此項 能量方程 – 源項 化學反應流中由于化學反應引起的能量源項 所有組分的生成焓 所有組分的體積生成率 由于輻射引起的能量源項 相間能量源項: 包括連續相和離散相間的傳熱 DPM, 噴霧, 顆粒… 薄壁中的溫度分布 薄壁模型應用于法向導熱,不生成實際的單元 壁面熱邊界條件應用于外層 薄壁和兩側壁面 薄壁方法中,壁面厚度不需劃分網格 在兩個區域之間模擬薄層的材料 求解器施加熱阻 x/k 邊界條件施加在外層面上 離散坐標模型 在有限的離散立體角度σs上求解輻射輸運方程 : 優勢: 守恒方法能保證粗的離散方式上實現熱平衡 通過更密的離散方式能提高精度 最綜合性的模型: 考慮了散射、半透明介質、鏡面以及波長相關的灰體模型 局限性: 求解大數量坐標耗費CPU過多 離散傳輸輻射模型 (DTRM) 主要的假設 – 特定范圍角度的離開表面的輻射能用一束射線近似 使用射線跟蹤技術,沿著每條射線積分輻射強度 優勢: 相對簡單的模型 增加射線數量能提高精度 適用大范圍的光學厚度 局限性: 假設所有表面是漫射的. 不包括散射. 求解大數量的射線耗費CPU過多. P-1 模型 主要假設 – 對RTE積分后,和方向不再相關,導出入射輻射的擴散方程 優勢: 輻射傳熱方程更易求解,耗費資源少 包括散射效應 顆粒、液滴和煙灰的影響 對光學厚度大的應用(如燃燒)較合理 局限性: 假設所有面都是漫射的 如果光學厚度小的話,可能導致精度損失(取決于幾何的復雜性) 對局部熱源或匯,預測的輻射熱過高 Surface-to-Surface (S2S) 輻射模型 S2S輻射模型用于模擬介質不參與的輻射 例如,太空飛船的排熱系統、太陽能搜集系統、輻射加熱器、汽車發動機艙散熱等 S2S 是基于角系數的模型 假設沒有介質參與 局限性: S2S 模型假設所有面是散射的 假設是灰體輻射 隨著表面數量的增加,存儲和內存增加很快 可以使用面族來減少內存使用 面族不能和滑移網格及懸節點同時使用 不能使用于周期性或對稱邊界條件 輸出 – ANSYS 輸出擴展名為 .rfl的 ANSYS 結果文件,讀入到ANSYS的順序為: 在 ANSYS中,到“ General Postproc Data”及“ File Options”,讀入FLUENT生成的文件 到“ Results Summary ”,點擊第一行,能看到ANSYS_56_OUTPUT窗口顯示的幾何信息 在 ANSYS 輸入窗口,鍵入下面的命令: SET,FIRST /PREP7 ET,1,142 最后一個命令對應 FLOTRAN 3D 單元,如果你使用二維計算,應改為:ET,1,141. 在 ANSYS MULTIPHYSICS UTITLITY 菜單,選擇 Plot 及 Nodes 或Elements, 在 下拉窗口的Results中,選擇包括節點 輸出– ANSYS 通過 GUI 或 TUI輸出ANSYS 文件 /file/export/ansys file-name 文件包括坐標、連接關系及下面 的標量: Density, viscosity X, Y, Z velocity, pressure, temperature Turbulence kinetic energy, turbulence dissipation rate, turbulent viscosity, effective viscosity Thermal conductivity (laminar, turbulent, effective) Total pressure and temperature, pressure coefficient, Mach number, stream function, heat flux, heat transfer coefficient, wall shear stress, specific heat 輸出 – ABAQUS 輸出文件( file.aba)包括坐標、連接關系、選擇的載荷、域組、速度、選擇的標量等 只對三維模型有效,并且是固體域或固體域的表面 流體域的傳熱系數不可寫出 下面命令對做流固交界面分析有用 file/export/abaqus file-name list-of-surfaces () yes|no list-of-scalars q 輸出其他格式 NASTRAN/PATRAN 對于 ABAQUS, NASTRAN, 和 PATRAN, 選擇要寫出的載荷 (Force, Temperature, and/or Heat Flux) 來分析結構應力 (fluid pressure or thermal) 如果沒有選擇面的話,載荷只在邊界面上寫出 報告 – Heat Flux Heat flux 報告: 建議檢查熱平衡以確 保計算收斂 輸出 Heat Flux 數據: 可以輸出壁面的熱通量數據 (包括輻射) file/export/custom-heat-flux 文件格式: 報告 – 傳熱系數 基于壁面函數的傳熱系數 其中 cP 為比熱, kP 是點P處湍動能, T* 無量綱溫度: 只有湍流并且能量方程開關打開時有用 安世亞太科技(北京)有限公司 概要 FLUENT UDF簡介 FLUENT 數據結構和宏 兩個例子 UDF 支持 簡介 什么是UDF? UDF 是用戶自己用C語言寫的一個函數,可以和FLUENT動態鏈接 標準C 函數 三角函數,指數,控制塊,Do循環,文件讀入/輸出等 預定義宏 允許獲得流場變量,材料屬性,單元幾何信息及其他 為什么使用 UDFs? 標準的界面不能編程模擬所有需求: 定制邊界條件,源項,反應速率,材料屬性等 定制物理模型 用戶提供的模型方程 調整函數 執行和需求函數 初始化 可以使用UDF的位置 UDF 數據結構 (1) 在UDF中,體域和面域通過Thread數據類型獲得 Thread 是 FLUENT 定義的數據類型 為了在thread (zone)中獲得數據,我們需要提供正確的指針,并使用循環宏獲得thread中的每個成員(cell or face) UDF 數據結構(2) cell_t 聲明了識別單元的整型數據類型 face_t聲明了識別面的整型數據類型 UDF中的循環宏 幾個經常用到的循環宏為: 對域d中所有單元thread循環: thread_loop_c(ct,d) { } 對域d中所有面thread循環: thread_loop_f(ft,d) { } 對thread t中所有單元循環: begin_c_loop(c, t) {…} end_c_loop (c,t) 對面thread中所有面循環 begin_f_loop(f, f_thread) { … } end_f_loop(f, f_thread) 例子 – 拋物線分布的速度入口 在二維彎管入口施加拋物線分布的速度 x 方向的速度定義為 需要通過宏獲得入口的中心點, 通過另外一個宏賦予速度條件 第1步 – 準備源代碼 DEFINE_PROFILE 宏允許定義x_velocity函數 所有的UDFs 以 DEFINE_ 宏開始 x_velocity 將在 GUI中出現 thread 和 nv DEFINE_PROFILE 宏的參數, 分別用來識別域和變量 begin_f_loop宏通過thread指針,對所有的面f循環 F_CENTROID宏賦單元位置向量給 x[] F_PROFILE 宏在面 f上施加速度分量 代碼以文本文件保存 inlet_bc.c 第 2 步 – 解釋或編譯 UDF 編譯UDF 把 UDF 源碼加入到源文件列表中 點擊 Build進行編譯和鏈接 如果沒有錯誤,點擊Load讀入庫文件 如需要,也可以卸載庫文件 /define/user-defined/functions/manage 解釋UDF 把 UDF 源碼加入到源文件列表中 點擊 Interpret FLUENT 窗口會出現語言 如果沒有錯誤,點擊 Close 解釋 vs. 編譯 用戶函數可以在運行時讀入并解釋,也可以編譯形成共享庫文件并和FLUENT鏈接 解釋 vs. 編譯 解釋 解釋器是占用內存的一個大型程序 通過逐行即時執行代碼 優勢 – 不需要第三方編譯器 劣勢 – 解釋過程慢,且占用內存 編譯 UDF 代碼一次轉換為機器語言 運行效率高. 創建共享庫,和其他求解器鏈接 克服解釋器的缺陷 只有在沒安裝C編譯器時使用解釋方式 第3 步– 在 FLUENT GUI中hook UDF 打開邊界條件面板,選擇你要施加UDF的邊界 把 Constant 改為 udf x_velocity 宏的名字為 DEFINE_PROFILE 中第一個參數 第4步 – 運行 可以在運行窗口中改變速度分布的更新間隔(默認為1) 這個設置控制了流場多久(迭代或時間步)更新一次 運行 calculation 結果 左圖為速度矢量圖 右圖為入口的速度矢量圖,注意速度分布是拋物線型的 其他 UDF Hooks 除了邊界條件、源項、材料屬性外,UDF 還可用于 初始化 每次初始化執行一次 求解調整 每次迭代執行一次 壁面熱流量 以傳熱系數方式定義流體側的擴散和輻射熱流量 應用于所有壁面 用戶定義表面反應或體積反應 Case/ data 文件的讀寫 讀入順序必須和寫出順序一致 Execute-on-Demand 功能 不參與求解迭代 例 2 – 定制初始化 在球內設定初始溫度600 K 球中心點位于 (0.5, 0.5, 0.5), 半徑為 0.25, 其余區域為300 K 域指針通過變量傳遞到UDF thread_loop_c 宏用來獲得所有單元threads (zones), begin_c_loop 宏獲得每個單元thread中的單元 DEFINE 宏 DEFINE 宏的例子 幾何和時間宏 C_NNODES(c,t); Returns nodes/cell C_NFACES(c,t); Returns faces/cell F_NNODES(f,t); Returns nodes/face C_CENTROID(x,c,t); Returns coordinates of cell centroid in array x[] F_CENTROID(x,f,t); Returns coordinates of face centroid in array x[] F_AREA(A,f,t); Returns area vector in array A[] C_VOLUME(c,t); Returns cell volume C_VOLUME_2D(c,t); Returns cell volume (axisymmetric domain) real flow_time(); Returns actual time int time_step; Returns time step number RP_Get_Real(“physical-time-step”); Returns time step size 流場變量宏 C_R(c,t); Density C_P(c,t); Pressure C_U(c,t); U-velocity C_V(c,t); V-velocity C_W(c,t); W-velocity C_T(c,t); Temperature C_H(c,t); Enthalpy C_K(c,t); Turbulent kinetic energy (k) C_D(c,t); Turbulent dissipation rate (ε) C_O(c,t); Specific dissipation of k (ω) C_YI(c,t,i); Species mass fraction C_UDSI(c,t,i); UDS scalars C_UDMI(c,t,i); UDM scalars C_DUDX(c,t); Velocity derivative C_DUDY(c,t); Velocity derivative C_DUDZ(c,t); Velocity derivative C_DVDX(c,t); Velocity derivative C_DVDY(c,t); Velocity derivative C_DVDZ(c,t); Velocity derivative C_DWDX(c,t); Velocity derivative C_DWDY(c,t); Velocity derivative C_DWDZ(c,t); Velocity derivative C_MU_L(c,t); Laminar viscosity C_MU_T(c,t); Turbulent viscosity C_MU_EFF(c,t); Effective viscosity C_K_L(c,t); Laminar thermal conductivity C_K_T(c,t); Turbulent thermal conductivity C_K_EFF(c,t); Effective thermal conductivity C_CP(c,t); Specific heat C_RGAS(c,t); Gas constant 流場變量宏 C_R(c,t); Density C_P(c,t); Pressure C_U(c,t); U-velocity C_V(c,t); V-velocity C_W(c,t); W-velocity C_T(c,t); Temperature C_H(c,t); Enthalpy C_K(c,t); Turbulent kinetic energy (k) C_D(c,t); Turbulent dissipation rate (ε) C_O(c,t); Specific dissipation of k (ω) C_YI(c,t,i); Species mass fraction C_UDSI(c,t,i); UDS scalars C_UDMI(c,t,i); UDM scalars C_DUDX(c,t); Velocity derivative C_DUDY(c,t); Velocity derivative C_DUDZ(c,t); Velocity derivative C_DVDX(c,t); Velocity derivative C_DVDY(c,t); Velocity derivative C_DVDZ(c,t); Velocity derivative C_DWDX(c,t); Velocity derivative C_DWDY(c,t); Velocity derivative C_DWDZ(c,t); Velocity derivative C_MU_L(c,t); Laminar viscosity C_MU_T(c,t); Turbulent viscosity C_MU_EFF(c,t); Effective viscosity C_K_L(c,t); Laminar thermal conductivity C_K_T(c,t); Turbulent thermal conductivity C_K_EFF(c,t); Effective thermal conductivity C_CP(c,t); Specific heat C_RGAS(c,t); Gas constant C_DIFF_L(c,t); Laminar species diffusivity C_DIFF_EFF(c,t,i); Effective species diffusivity UDM 對每個單元由用戶分配內存 定義多達500個變量 可以通過 UDFs獲得: C_UDMI(cell,thread,index); F_UDMI(face,thread,index); 數據信息存在 FLUENT data 文件中 UDS FLUENT 可以求解多達50個用戶 定義標量的輸運方程 UDS 變量的數量 UDS 在哪個域內求解 通量函數 DEFINE_UDS_FLUX(name,face,thread,index) 非穩態函數 DEFINE_UDS_UNSTEADY(name,cell,thread,index,apu,su) 例子 能用來求解磁流體方程 其他宏 還有許多其他宏: 湍流模型 多相流模型 化學反應流 動網格 輸入/輸出 UDF 技術支持 由于 UDFs 可能非常復雜, ANSYS 不對用戶的UDFs精度及求解穩定性負責 支持限于UDFs 和 FLUENT 求解器間的通訊 安世亞太科技(北京)有限公司 概要 多相流模型 Discrete phase model Eulerian model Mixture model Volume-of-fluid model 化學反應模型 Eddy dissipation model Non-premixed, premixed and partially premixed combustion models Detailed chemistry models Pollutant formation Surface reactions 動網格 Single and multiple reference frames Mixing planes Sliding meshes Dynamic meshes Six-degree-of-freedom solver 多相流模型 簡介 相具有可定義的邊界,對周圍流場有特定的動力響應 相一般分為固體、液體和氣體,但也指其他形式:有不同化學屬性的材料,但屬于同一種物理相(如液-液) 多相流體系統分為一種主流體相和多種次流體相 其中一種流體是連續的(主流體) 其他相是離散的,存在于連續相中 可以有多種次流體相,代表不同尺寸的顆粒 多相流體系 氣泡流 – 連續液體中存在離散的氣泡,如氣體吸收器,蒸發設備,鼓泡設備 液滴流 – 連續氣體中的離散液滴,如噴霧器、燃燒器 柱塞流 – 連續液體中的大尺度氣泡 分層 / 自由表面流– 不相溶的流體被清晰的界面分開,如自由表面流 顆粒流 – 連續氣體中的離散固體顆粒,如旋風分離器,空氣凈化器,吸塵器 流化床 – 流化床反應器 泥漿流 – 液體中的固體顆粒,固體懸浮、沉積、液力輸運 FLUENT中的多相流模型 FLUENT 包括四種不同的多相流模型: Discrete Phase Model (DPM) Volume of Fluid Model (VOF) Eulerian Model Mixture Model 選擇合適的模型非常重要 取決于流體是分層的還是離散的-兩相間的長度尺度界定這個區別 Stokes數 (顆粒松弛時間和流體特征時間的比例)也應該考慮進來 where and . DPM 例子-噴霧干燥 噴霧干燥包括液體以霧狀方式噴入加熱的容器中,用DPM模擬流動、傳熱、傳質過程 歐拉模型的例子 – 三維氣泡床 歐拉模型中的粒狀選項 當存在高濃度的固體顆粒時,會導致顆粒間高頻率的碰撞,此時應選Granular 假設顆粒的行為類似一團密集分子的碰撞行為,對顆粒相使用分子云理論 應用這個理論后,連續相和顆粒相的動量方程都增加了附加應力 這些應力 (顆粒 “粘性”, “壓力” 等.) 由顆粒速度脈動強度確定 伴隨顆粒速度脈動的動能由擬熱“pseudo-thermal” 或顆粒溫度代表 不考慮顆粒的彈性變形 混合模型案例 – 氣體鼓泡 用混合模型模擬氮氣噴入混合器中的流動,用MRF方法模擬旋轉葉片的效應 FLUENT 很好的模擬了氣體的停頓和攪動過程。 VOF 案例 – 汽車油箱晃動 模擬不同加速條件下,液體在汽車油箱中的自由液面晃動 模擬顯示油箱底部的擋板可以保持入油口浸沒在油中,如果沒有擋板時,入油口在某些時間會露出油面 化學反應流 化學反應流的應用 FLUENT 包含了從計算均相反應到非均相反應的多個反應模型 爐子 鍋爐 熱處理爐 燃氣輪機 火箭發動機 內燃機 CVD, 催化反應 反應流一般預測 流動和混合 溫度 組分濃度 顆粒和污染 背景知識 模擬燃燒中的化學反應 快速化學反應 全局化學反應機理(有限速率/渦耗散) 平衡/小火焰模型(混合分數) 有限速率反應 流動結構 非預混反應系統 可簡化為混合系統 預混反應系統 冷態反應物傳播到熱的生成物中. Partially premixed systems Reacting system with both non-premixed and premixed inlet streams. FLUENT中反應流模型 污染物模型 NOx 形成模型(預測定性的 NOx 形成趨勢) FLUENT 包括三種 NOx 產生機理 Thermal NOx Prompt NOx Fuel NOx NOx 還原模型 選擇性非催化還原模型 (SNCR) l 噴入氨水或尿素 煙灰形成模型 Moos-Brookes 模型 一步模型,兩步模型 煙灰對輻射吸收的影響 SOx 形成模型 求解SO2, H2S, 或者SO3 方程 一般 SOx 預測都作為后處理過程來進行 DPM模型 描述 顆粒/液滴/氣泡的軌跡在拉格朗日坐標系求解 顆粒和連續相可以進行熱、質量、動量的交換 每一條軌跡代表一組有相同初始屬性顆粒的行為 單個顆粒的互相影響被忽略 離散相體積分數必須小于10 多個子模型 離散相的加熱/冷卻 液滴的蒸發和沸騰 可燃固體的揮發分析出和焦炭燃燒 噴霧模型模擬液滴破碎和聚合 磨損/增長 應用范圍 顆粒分離、分級、噴霧干燥、浮質沉積、氣泡噴射、液體燃料和煤粉燃燒. 表面反應 對于化學組分沉積到表面的反應,將沉積的組分處理為和氣相組分不同的另外一種組分 對每個吸收表面組分求解地點平衡方程 可以考慮詳細表面反應機理(任意的多步反應,任意數量的氣相組分/沉積組分) CHEMKIN 中的表面反應機理可以讀入 FLUENT. 表面反應可以在壁面或多孔介質中發生 可以在不同的表面定義不同的表面反應機理 應用案例 催化反應 CVD(化學沉積) 總結 對反應流動,有四個基礎的教程 組分傳輸和氣相燃燒 非預混燃燒 表面化學反應 液滴揮發 動網格 動網格簡介 許多問題需要考慮平移或旋轉的部件 對移動域,有兩種基本的模型方法: 運動的參考坐標系 參考坐標系和運動域聯系在一起 修正控制方程來考慮運動坐標系 運動/變形域 域的位置和形狀在靜止坐標系下跟蹤 求解本質上是瞬態的 運動域的CFD模型方法 單參考坐標系模型 (SRF) SRF 把單一的運動域和一個坐標系連接起來 所有的流體域在運動坐標系下定義 旋轉坐標系引入了附件加速度 為什么要使用運動坐標系? 在靜止坐標系下流場是瞬態的,使用旋轉坐標系后流場可以看做穩態的 優勢 用穩態方法求解* 邊界條件更簡單 調試更快捷 更容易的后處理的分析 多參考坐標系模型 (MRF) 包括有靜止域和運動域的多域問題,此時,單參考坐標系不適合 這類系統可以這樣處理:把域分割為多個域:一些域旋轉,一些域靜止 域之間通過交界面傳遞數據 對交界面的處理方式分為以下幾種: 多參考坐標系模型 (MRF) 混合平面模型 (MPM) 滑移網格模型 (SMM) 混合平面模型 (MPM) MPM方法是對多級軸流和離心旋轉機械的穩態解法 也適用于其他一般問題 域有多個單通道、旋轉或靜止流體域組成 每個域有自己的進口、出口、壁面和周期邊界(每個域是一個SRF模型) 對每個域求解穩態的 SRF,通過邊界條件鏈接各個域 鏈接域的邊界稱為混合平面 通過混合平面的變量是周向平均值,隨每步迭代更新 分布可以是徑向或軸向 求解收斂后,混合平面將調整為一般流動條件 滑移網格模型 (SMM) 旋轉機械中,靜止部件和旋轉部件的相對運動導致瞬態相互作用,一般分為以下幾種: 位差相互作用 (壓力波相互作用) 尾跡相互作用 激波相互作用 MRF 和 MPM 模型都忽略了瞬態相互作用,僅限于瞬態效應小的流動 如果瞬態效應不能忽略,可以使用SMM方法考慮靜止部件和旋轉部件的相對運動 SMM模型如何工作 和 MRF 模型類似的是,計算域分為運動域和靜止域,由非一致網格界面連接 和 MRF 模型不同的是,每個域的網格是時間的函數,隨時間改變,這樣使得問題本身就是瞬態的。 另一個和 MRF 模型不同之處是,控制方程有新的動網格形式,在靜止坐標系下求解絕對量 沒有使用運動坐標系形式(例如,動量方程源項中沒有附加加速度的作用) 方程組是通用的運動/變形網格形式的一種特殊情況 假設為剛性網格運動和滑移,非一致網格界面 動網格方法 (DM) 內部節點位置隨著邊界的運動自動計算 基本格式 彈簧式 (光順) 局部重新劃分 層鋪式 其他方法 2.5 D 用戶定義網格運動 內燃機網格運動 (RPM, stroke length, crank angle, …) 通過分布或UDF預先定義的運動 通過6DOF求解器,把流場求解的氣動力和運動耦合起來 動網格方法 動網格模型 FLUENT引入動網格模型來移動邊界,并調整網格 例子: 內燃機汽缸內的活塞運動 容積泵 機翼擺動 閥門開關過程 動脈擴張和收縮 總結 模擬運動部件有五種方法 單參考坐標系法 多參考坐標系法 混合平面法 滑移網格法 動網格法 前三種方法主要用于穩態,而滑移網格和動網格本質是瞬態的 要激活這些模型,將流體域由固定改為動坐標系或動網格設置 大多數物理模型和動坐標系或動網格法兼容(如多相流、燃燒、傳熱等) 安世亞太科技(北京)有限公司 動機 自然界幾乎所有流動都是瞬態的 下列情況可以近似為穩態: 忽略瞬態的脈動 引入整體的時間平均來消除瞬態影響 CFD中使用穩態方法的好處是 更少的計算資源 更容易后處理和分析 許多應用要求使用瞬態求解: 氣動(飛機、機車等) – 渦脫落 旋轉機械 – 動靜干涉,失速,喘振, 多相流– 自由液面,氣泡動力學 變形域– 內燃機燃燒,投放 瞬態換熱 – 瞬態加熱或冷卻 …... 瞬態流動的根源 自然發生的瞬態流動 由于流體中不穩定性的增長或者非平衡的初場引發的瞬態流動 例如:自然對流,湍流渦,流動波(重力波、激波) 強迫瞬態流動 時間平均的邊界條件,源項引起的瞬態流動 例子:噴嘴的脈沖,旋轉機械的動靜干涉 瞬態CFD分析 模擬指定時間內的瞬態流場 可以通過以下方法求解: 穩態解 – 流場不再隨時間變化 時間周期解 – 流場形態隨時間脈動重復出現 目標可以簡化為分析預定時間間隔的流動 自由表面流 移動的激波 等等 抽取關心的變量 特征頻率 (如:斯德魯哈爾數) 時間平均或/RMS值 時間相關的參數(如,熱固體的冷卻時間,污染物的停留時間) 特殊數據(快速傅立葉變換) 瞬態流動模擬流程 激活瞬態求解器 設置物理模型和邊界條件 允許設置瞬態邊界條件–UDF 或分布文件 指定初場 最好用有物理意義的初場,如穩態流場 求解器設置,監測設置 設置動畫和數據輸出選擇 選擇時間步和最大迭代次數 設定時間步數 計算 激活瞬態求解器 在 General 菜單下選擇Transient 按鈕: 開始執行迭代前,需要設置附加的控制 求解器設置 動畫 數據輸出 /自動保存選項 選擇瞬態時間步長 在Run Calculation菜單中設置時間步長, t t 必須小到能解析和時間相關的特征。確定每個時間步的最大迭代步內能收斂 時間步大致可按照下面公式估計: 也可以選擇能解析流動特征的時間步(在指定脈動周期的情況下) 指定零時間步時迭代,求解器會僅僅在當前時間步下收斂 對許多瞬態流動,PISO格式有助于加速收斂 瞬態模型選擇 自適應時間步長 基于局部截斷誤差自動調整時間步長 可以通過 UDF指定 時間平均的統計 在使用 LES 時需要使用 在使用密度基求解器時,Courant 數定義了: 密度基顯式求解器的全局時間步長 密度基隱式求解器的偽時間步長 真實時間步長仍然必須在迭代面板中定義 瞬態流動模型 – 動畫 必須在計算前設置動畫 動畫幀在計算中寫出并存儲 創建動畫的其他方法 另外一個創建動畫的方法是利用Execute Commands 可以通過文本命令或宏定義在預定的迭代步或時間間隔,執行哪些操作 這種方法在創建高質量的動畫結果時有用 定義生成動畫幀(云圖、矢量圖等)并存儲文件的命令. 利用第三方軟件把這些文件鏈接成動畫文件(AVI, MPG, GIF, 等) 執行迭代 最通常的時間推進格式是迭代格式 求解器在當前時間步收斂然后推進到下一個時間步 當Max Iterations/Time Step 達到時,或者收斂標準滿足時,時間推進到下一步 各時間步依次收斂直至達到總時間步 必須定義初始化 設置流體域的初始質量和流場的初始狀態 非迭代時間推進法 (NITA) 可以用于更快速的計算時間 收斂行為 瞬態計算的殘差圖不一定能說明收斂 下圖顯示了簡單問題的瞬態計算殘差圖 時間步長的選擇應該使得在一個時間步內殘差下降三個量級 這將確保瞬態行為被解析 瞬態模擬的技巧 壓力-速度耦合采用 PISO 格式,比標準SIMPLE 格式更易收斂 選擇合適的時間步長以至每個時間步長內能收斂三個量級 每個時間步的迭代次數大約20次,減少時間步長比增加每步的迭代次數要好。 記住對瞬態問題,精確的初場和邊界條件一樣重要,初場一定要符合真實物理條件 在計算前定義希望得到的動畫 安世亞太科技(北京)有限公司 概覽 FLUENT結果有兩種后處理方式 FLUENT 后處理工具 – 集成在FLUENT 中的歷史遺留產品 ANSYS CFD-Post –ANSYS CFD 產品的新一代后處理工具,可以單獨運行或在Workbench下運行。 兩種后處理都包括了分析CFD結果的許多工具 等值面 速度矢量圖 等值線圖 流線圖/跡線圖 二維曲線圖 動畫 可以包括任意用戶定義的變量(通過流場函數定義或UDF定義) FLUENT自帶的后處理 FLUENT自動后處理的功能: 創建面 顯示類型 著色選項 求解數據的顯示 通量報告和積分計算 后處理函數一般在面上操作,FLUENT可以自動產生面,也可以由用戶產生 創建面 你可以在Fluent中選擇域的一部分生成面,用來可視化流場 創建面的一系列方法: Zone surfaces (求解器自動從域中創建) Plane surfaces (指定域中一個特定的平面) Iso-surfaces (對指定變量有固定值的面) Clipping Surfaces (特定角度內的等值面) Point surfaces (域中一個特定的位置) Line and Rake Surfaces (用于顯示顆粒跡線) 可以對面改名,刪除或移動,寫出面上的變量到文件 后處理著色選項 著色選項允許你控制后處理圖片的表現方式: 視圖和顯示選項 云圖/矢量圖的顏色 在面上打光 注釋 面操作 使用重疊、不同的顏色、打光、透明等混合的方式 動畫 繪圖 FLUENT 提供繪制結果數據的工具: 求解結果的XY圖 顯示脈動頻率的歷史圖 快速傅立葉變換 (FFT) 殘差圖 可以修改顏色、標題、圖標、軸和曲線屬性 其他數據文件(試驗、計算)也可以讀入以便比較 報告 通量報告 凈通量 包括輻射在內的總換熱率 面積分 由于插值,在用戶生成的面上會有小量的誤差 體積分 CFD-Post 啟動 CFD-Post 在 ANSYS Workbench下啟動 在項目樹的部件系統中 ,拖 動CFD-Post 或者,創建一個單獨的 CFD-Post session. 從開始菜單或命令行啟動 Start > Programs > ANSYS 12.0 > ANSYS CFD-Post 也可以在 CFX-Solver Manager 或 CFX Launcher中啟動 GUI 布局 CFD-Post 一般流程 確定位置。數據會在這個位置抽取出來,各種圖形也在這個位置產生 如需要,創建變量/表達式 i) 在位置上生成定量的數據 ii) 在位置上生成定性的數據 生成報告 創建位置 在 Insert 菜單或工具欄中創建位置 創建好的位置顯示在Outline 樹中 創建位置 域,子域,邊界和網格區域都是位置 邊界和網格區域可以編輯、用變量著色 網格區域從網格中提供所有內部或外部的二維/三維區域 用戶創建的位置都羅列在User Locations and Plots菜單下 報告中含有的項目列表 位置類型 面(Planes) XY Plane, Point and Normal, etc. 在求解域里,可以創建圓或矩形 點(Point) XYZ: 坐標系創建. 通過鼠標拾取 節點數(Node Number): 一些求解器錯誤產生的節點數信息 最大/最小變量: 標明最大/最小變量出現的地方 點云(Point Cloud) 創建多個點 位置類型 Lines 兩點之間的直線 經常用于XY圖表制作 Polylines 也常用語圖表制作 從文件中讀入點 采用邊界相交線 從contour plot抽取的線 位置類型 體(Volumes) 以 Surface構建 以選擇的所有面構建而成 用于網格檢查 等值體(Isovolume) 基于變量 位置類型 等值面 某指定變量的面 Iso Clip Iso Clip采用復制已有的location,并一個或多個標準進行約束 例如,對出口邊界條件將速度值界定在>= 10 [m/s]和<= 20 [m/s]之間 可以約束任何變量, 包括幾何變量 位置類型 渦核心區(Vortex Core Region) 自動甄別渦核心區 旋轉面(Surface of Revolution) 柱面(Cylinder), 錐面(Cone), 盤面(Disc) 和球面(Sphere) 通常是旋轉線形成面 任何線 (已存在的線, 多義線, 流線, 粒子軌跡) 繞某軸旋轉 位置類型 User Surface 多種面創建選項 From File: 從text文件中讀點數據; 通常從其它case輸出這些文件 From Contour: 抽取一定的contour值 Transformed Surface: 旋轉, 平移或縮放 Offset From Surface: 面偏移(垂直方向或平移) 顏色、渲染和視圖 其他圖形對象 在工具欄中選擇insert Vectors, Contour和Streamlines Vector Plot 能plot任何變量; 通常對速度進行plot 可以投影矢量,切線方向或垂直方向 Streamlines 從給定的location開始, 給出流線方向forwards和/或backwards 面流線(surface Streamline)選項可以看出面上的流動速度 其他圖形對象 Text: 在viewer中加入自己的labels 可自動顯示和改變time step/values, expressions, filenames及dates Coord Frame Legend 為plot創建Legend Instance Transform 對plot進行旋轉或平移操作 其他圖形對象 Clip Plane 定義面; 用于對所創建的這個面前/后的幾何 Colour Map 定制色彩圖例 Viewer 右鍵菜單 在Viewer中點擊右鍵,顯示出相關的菜單 在物體上右鍵點擊(如,邊框線, 面),顯示物體的一些選項 基于當前的location,還可以插入新的對象 例如. 在面上插入一個向量 在空位置,點擊右鍵,顯示當前視圖下的選項 點擊坐標軸可以改變視圖方向 變量按鈕 變量按鈕顯示所有可用變量的信息 Derived variables 通過CFD-Post計算得到 – 這些量不包括在結果文件中 Geometric variables X, Y, Z, Normals , mesh quality data Solution variables 來自結果文件 User Defined variables 創建新的變量 Turbo variables 為透平機械算例自動創建的變量 變量按鈕 面板顯示所選擇變量的所有詳細信息 User Defined variables有不同的顯示內容 單位改變為顯示單位 可以以表達式代替變量 表達式值保留在結果文件中 可以在Hybrid 和Conservative 兩種變量顯示方式之間切換 僅用于CFX計算結果 也能對任何plot的變量在Hybrid和Conservative之間進行切換 混合標量和守恒變量 CFX-Solver是基于有限體積法,有限體積法是基于網格構建的,而并非等同于網格 網格節點位于控制體的中心 計算數據是存儲于節點,而非“平均的”存儲于控制體 幾乎所有wall邊界上的半個控制體有非零的速度 這些非零的速度存儲在壁面的節點上 但是,理論上壁面上的速度值應該為零 守恒變量值 = 控制體積值 混合變量值 = 指定邊界條件上的值 混合標量和守恒變量 從圖片觀察的角度, ANSYS CFD-Post采用混合(hybrid)值為默認值, 這個值不會出現壁面上速度非零的情況 從計算的角度,守恒(conservative)值為默認值 例如檢查計算是否正確— 通過壁面的速度為零,相應的通過壁面相鄰控制體的質量流也應為零?! 在大多數情況下,不用選擇Hybrid 或Conservative, CFD-Post 的默認選項往往正確 采用定義變量,默認為conservative 值 選用hybrid和conservative,變量值的范圍將有所不同 變量按鈕: 用戶自定義變量 在Variables按鈕 點擊右鍵> New… 創建新的變量 用戶自定義變量有三種方法 通過表達式定義變量,可以定義為其他變量的函數 首先需要在Expressions 按鈕處創建表達式. Frozen Copy 用于Case的比較 Gradient 方法用于計算任何存在的標量變量的梯度 生成新的向量變量 用戶自定義變量舉例 目標: Plot VelRatio = 0.7的等值面 這里 用戶自定義變量舉例 表達式按鈕 Expressions按鈕顯示全部存在的表達式,也可以創建新的表達式 在表達式上點擊右鍵> New 對新的表達式,在Definition下進行細節定義 右擊,將顯示Functions, Variables 等等,可用于構建表達式 Plot按鈕可用于對表達式進行XY的圖示 必須限定一個表達式的范圍,而另外一個表達式為定值 計算器按鈕 函數計算器Function Calculator 抽取計算結果的工程數據 具體的函數功能,請查看幫助文檔 這些函數也可用于創建表達式 宏計算器Macro Calculator 計算預先定義好的宏 自定義宏 網格計算器Mesh Calculator 網格質量 選擇機械后處理 Turbo 按鈕包含透平機械計算的后處理工具. 詳見附件B 生成表格(Tables)和圖表(Charts) 創建表格和圖表 表格 在工具欄選擇tables按鈕,或Insert > Table 3D視圖將轉化到table視圖 在Tables里可以顯示數據和表達式 Tables可以自動的添加到report中 表格單元可以是表達式或者文本 以“=“ 開始 表達式用于當變量和/或位置變化時的計算和更新 圖表 沿著線/曲線顯示出兩個變量之間的關系 首先需要創建線/曲線 多義線, 邊界交線, 等高線等 Charts可以自動的添加到Report里 Chart Points圖表點不需要在空間上均勻分布 數據點常常指線/曲線與網格面的交點 可以在一個圖表里圖示多個線 圖表 圖表: 類型 Charts的三個類型: XY 基于 line XY – Transient or Sequence 基于 point:表達式 (通常是時間) 與一個變量 典型的用于顯示變量在某點的的瞬態變化計算結果 數據必須是瞬態結果文件 Histogram 能建立各種數據類型的柱狀圖 X軸變量為離散量,Y軸為頻率 圖表: 數據系列和軸 每種數據對應于一個位置(line, point, 等.) ,且對于于一個圖表里的曲線 采用X 和Y 軸鍵設置軸上的變量 其余鍵為變量顯示方面的設置 快速傅立葉變換 FFT 可以將原始的壓力信號轉化為頻率信號 報告 CFD-Post具有報告生成工具,允許通過定制報告的方式進行快速的報告生成 報告模版: 基于結果文件的類型,可以自動選擇報告模版 在Report 右鍵進行模版選擇 也可以自己創建模版或修改已存在的模版 比如加入公司的logo, 加入Charts, Tables, Plots等到 報告 通過勾選方式,控制報告里顯示的內容 各顯示內容可通過雙擊的方式進行編輯 Tables和Charts 可以自動加入到報告里. 其它的項目需要通過手動的方法添加進去. 右鍵 > 插入新的項目 在項目上右鍵點擊,選擇項目的上下移動 報告: 圖片 所有圖片將列在視圖窗左上角的下拉菜單中 可以改變視圖的角度、大小等等 所有改變都會自動保存 報告: 圖片 創建圖片的時候, 有一個選項為: Make copies of objects 這個選項沒有勾選上,僅僅圖片里顯示的內容存儲于figure中 所以當全局目標改變,該圖片也會發生改變 用于需要圖片自動更新的情況 該選項勾選上,圖片里當前的內容存儲在figure中,并顯示在目錄樹上 全局改變,不會導致figure的改變 報告 點擊Report Viewer 按鈕,顯示report內容 Report的內容改變后,需要點擊Refresh進行更新 將Report內容保存為HTML或 Text格式 可以將所有2D圖片顯示為3D圖片 其他工具 時間步選擇器 瞬態計算結果的現實值為最后時刻的結果, 可以在時間步選擇器中選擇不同的時間步 動畫創建 創建MPEGs 快速編輯器 對每個項目提供快速的初值改變 探測器 視窗中拾取點,顯示變量的值 動畫 創建動畫的模式: Quick和Keyframe 在Quick動畫模式下,僅需選取對象、點擊Play 鍵即可 主要的變量作為創建動畫的對象 有限的控制 Keyframe 模式提供了大量的控制 創建當前狀態的一個影像儲存于Keyframe 創建一系列的影像儲存于Keyframes ,代表一系列的不同狀態 視圖方向, 顯示的對象, 時間步的選擇, 任何其他的東西都可以不一樣 動畫的創建至少需要兩個Keyframes (一個作為開始一個作為結束) 每個Keyframe之間加入 # of Frames數目 典型的動畫幀 利用時間步選擇器(Timestep Selector) 調整到第一個時間步 創建必要的顯示對象 創建第一個Keyframe 導入最后一個 timestep 必要時,改變現實對象 創建第二個Keyframe 選擇第一個Keyframe ,并設置 # of Frames # of Frames指在第一個和第二個Keyframes 如果有100 timesteps, 設置# of Frames=98,將有100 個frames (98 +第一個和最后一個) ,意味著1frame/1timestep 設置Movie選項 回到第一個Keyframe 并點擊Play 多文件模式 同時對多個文件進行后處理: 導入文件時,可以選擇多個結果文件 導入多結構結果文件 (.mres) ,選用 Load complete history as> Separate Cases 或導入其它的結果文件同時勾選 Keep current cases loaded 每個文件都分別顯示在目錄樹和視圖窗口 結果比較 導入多個結果文件后,可以選擇需要比較的case 自動生成不同的變量和plots 3D Viewer 文件 在CFX Viewer(3D)狀態下保存圖片 (格式為.cvf ) 在單一視圖窗口的情況下,可以旋轉、平移、局部放大視圖等操作 也可以將3D視圖文件內嵌如PowerPoints和HTML文件 FLUENT 結果 CFD-Post以上所有的特征都可以用于 FLUENT case和data文件 支持所有的網格類型 多面體網格Polyhedral, 非保形網格non-conformal, adapted, ... 2D FLUENT網格抽取為薄的3D區域 2D 軸對稱網格轉化為3D 楔形網格區域 限制: 在標準的.dat文件中可能不包括一些數據 目前非流場數據, 如粒子的位置和軌跡不能在CFD-Post顯示 在CFD-Post不能顯示模型的設置信息 CFD-Post沒有并行能力 相關文件 CFD-Post 能讀入輸出的文件包括: Results Files CFX .res / .mres, ANSYS .rst, FLUENT.dat Mesh Files CFX .def / .mdef, ANSYS .cmdb, FLUENT .cas, Import Polyline .csv, User Surface .csv, ANSYS surface .cdb Export Profile Data .csv, General Formatted Results .csv, ANSYS load file .csv Recorded Session Files (.cse) State Files (.cst) Macros (.cse) 相關文件 結果 ANSYS CFD-Post可以讀入ANSYS結果,如溫度, 速度, 加速度, 磁力, 應力, 張力, 和網格變形 讀入 Locations: .csv文件(包含點數據,用于定義多義線或面) ANSYS Surface Mesh (.cdb): 用于輸出面上的數據,用作ANSYS的邊界條件 輸出 Profile Boundary Data: 在CFX-Pre中定義初值 通常格式的結果文件 ANSYS Load Data: 作為ANSYS的輸入.cdb文件 相關文件 Session Session文件用于快速的自動復制后處理 Session采用CCL錄制 State 保存所有對象的一個狀態 用于以相同狀態處理不同對象 不限于特定文件 但最好是文件的組成有相同的名稱 謝謝 www.peraglobal.com.cn

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