CFX培訓(xùn)教材瞬態(tài)模擬分享課件

1、A Pera Global Company PERA China1ANSYS CFX 培訓(xùn)教材第六節(jié)：瞬態(tài)模擬安世亞太科技（北京）有限公司A Pera Global Company PERA China2原因n自然界幾乎所有流動都是瞬態(tài)流動!在以下假設(shè)下，可以認(rèn)為流動是穩(wěn)態(tài)的: 忽略非穩(wěn)態(tài)波動 采用總/時均方法，忽略流動的波動性 (這也是為什么采用湍流模型模化湍流的原因)n在CFD,首選穩(wěn)態(tài)的計(jì)算方法更小的計(jì)算代價更易處理和分析n很多情況下，要求瞬態(tài)求解:空氣動力學(xué)(Aerodynamics), 如飛行器、汽車等 渦脫落(vortex shedding)旋轉(zhuǎn)機(jī)械Rotating Machine

2、ry 轉(zhuǎn)子/靜子相互作用, 停車, 飛逸多相流Multiphase Flows 自由液面, 空泡動力學(xué)變形計(jì)算域Deforming Domains 缸內(nèi)燃燒非穩(wěn)態(tài)熱傳遞Unsteady Heat Transfer 瞬態(tài)加熱和冷卻更多A Pera Global Company PERA China3瞬態(tài)流動的起源n自然的非穩(wěn)定性流動的不穩(wěn)定性或非穩(wěn)定的初始流動狀態(tài)導(dǎo)致非穩(wěn)定流動例如: 自然對流, 所有尺度的湍流渦, 流動波(重力波, 沖擊波)n強(qiáng)迫非穩(wěn)定性時間相關(guān)的邊界條件, 源項(xiàng)驅(qū)動的非穩(wěn)定流場例如: 噴嘴處的脈沖流, 轉(zhuǎn)子-靜子節(jié)間的相互影響Kelvin-Helmholtz Cloud In

3、stabilityRotor-Stator Interaction in an Axial CompressorA Pera Global Company PERA China4瞬態(tài)CFD 模擬n瞬態(tài)流域的模擬都是基于一個指定的時間周期 可能的求解方法: 穩(wěn)態(tài)求解 流動變量不隨時間改變 時間周期求解 流動變量以某種反復(fù)的模式波動 也可以通過指定時間間隔的方法簡單的進(jìn)行流動分析. 自由面流動 沖擊波的運(yùn)動 等.n詳細(xì)分析關(guān)心的量 固有頻率 ，如.斯特勞哈爾數(shù)(Strouhal Number) 時均(Time-averaged)和/或 均方根(RMS)值 與時間相關(guān)的參數(shù) (如. 冷卻一個熱的固體

4、的時間要求, 污染物的擴(kuò)散時間) 譜數(shù)據(jù) 快速傅里葉變換(FFT)A Pera Global Company PERA China520Timestep = 2 sInitial Time = 0 sTotal Time = 20 sCoefficient Loops = 52468 10 12 14 16 18Time (seconds)5 coefficient Loopsn通過計(jì)算不同離散時間點(diǎn)的方法完成瞬態(tài)模擬n在每個時間點(diǎn)，都需要進(jìn)行計(jì)算迭代如何求解瞬態(tài)問題A Pera Global Company PERA China6n 對穩(wěn)態(tài)計(jì)算也有相似的設(shè)置n 通常的工作流程：設(shè)置分析類型為

5、Transient指定瞬態(tài)求解時間和時間步長設(shè)置物理模型和邊界條件 邊界條件可以隨時間變化指定初始條件 最好采用符合實(shí)際的物理?xiàng)l件, 比如穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果指定求解器設(shè)置設(shè)定瞬態(tài)結(jié)果文件(results files), 瞬態(tài)統(tǒng)計(jì)(transient statistics), 監(jiān)測點(diǎn)(monitors points)1. 運(yùn)行求解器如何求解瞬態(tài)問題A Pera Global Company PERA China71. 分析類型 在目錄樹上編輯在目錄樹上編輯Analysis Type，設(shè)置，設(shè)置option為為TransientA Pera Global Company PERA China8 設(shè)置設(shè)置

6、Time Duration 控制求解結(jié)束時間控制求解結(jié)束時間 選項(xiàng)選項(xiàng): Total Time 求解的總時間求解的總時間 Time Per Run 不計(jì)以前計(jì)算的所有時間不計(jì)以前計(jì)算的所有時間 Maximum Number of Timesteps 包括以前所完成的計(jì)算時間步包括以前所完成的計(jì)算時間步 Number of Timesteps per Run 對本次求解有效對本次求解有效. 不計(jì)以前完成的時間步不計(jì)以前完成的時間步2. 時間長度和步長A Pera Global Company PERA China92.時間長度和步長 設(shè)置設(shè)置Time Step size 控制兩計(jì)算時間點(diǎn)之間的間

7、隔控制兩計(jì)算時間點(diǎn)之間的間隔 選項(xiàng)選項(xiàng): Timesteps / Timesteps for the Run 可采用不同的方式可采用不同的方式, 例如例如 0.001 0.001, 0.002, 0.002, 0.003 5*0.001, 10*0.05, 20*0.06 Adaptive 通過設(shè)定收斂標(biāo)準(zhǔn)或通過設(shè)定收斂標(biāo)準(zhǔn)或Courant數(shù)的方法，在規(guī)定的數(shù)的方法，在規(guī)定的范圍內(nèi)，時間步可以動態(tài)的改變范圍內(nèi)，時間步可以動態(tài)的改變A Pera Global Company PERA China102.時間長度和步長n在瞬態(tài)模擬中，時間步尺寸是一個很重要的參數(shù) 求解與時間相關(guān)的特征的時候，需要時

8、間步較小 實(shí)際值實(shí)際值時間時間關(guān)心的變量關(guān)心的變量D Dt時間時間關(guān)心的變量關(guān)心的變量D Dt時間步較大，時間步較大， 求解點(diǎn)通常不能反映真實(shí)的現(xiàn)象求解點(diǎn)通常不能反映真實(shí)的現(xiàn)象小的時間步，小的時間步， 求解點(diǎn)可以反映真實(shí)的現(xiàn)象求解點(diǎn)可以反映真實(shí)的現(xiàn)象A Pera Global Company PERA China112.時間長度和步長 為了維持求解器的穩(wěn)定性，也需要較小的時間步 關(guān)心的量可能變化緩慢 (例如. 固體內(nèi)的穩(wěn)定變化), 如果其它量(如, 速度)具有較小的時間尺度，就不能采用較大的時間步nCourant數(shù)常用于評估時間步: 在一個時間步內(nèi)，流體通過的網(wǎng)格的數(shù)目 Courant數(shù)通常介

9、于2 10之間, 但在一些情況下該值稍高也可以接受 平均的Courant數(shù)和最大Courant數(shù)在每個時間步求解器.out文件中會顯示出來n小的時間步會加速收斂SizeElement VelocityNumber Courant tDA Pera Global Company PERA China12 必要的情況下必要的情況下, 邊界條件可以是時間的函數(shù)邊界條件可以是時間的函數(shù) 速度, 質(zhì)量流, 壓力條件, 溫度, 等. 都能作為函數(shù)表達(dá)式 在CEL表達(dá)式中使用 “t”或者“Time”3. 邊界條件A Pera Global Company PERA China13 最好采用與物理實(shí)際符合的初

10、值條件最好采用與物理實(shí)際符合的初值條件 經(jīng)常采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算的收斂解作為初值經(jīng)常采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算的收斂解作為初值 瞬態(tài)模擬的初值越準(zhǔn)確，瞬態(tài)計(jì)算得到的初瞬態(tài)模擬的初值越準(zhǔn)確，瞬態(tài)計(jì)算得到的初值就越精確值就越精確 前面幾個時間步可能不收斂前面幾個時間步可能不收斂 為了保證求解器的穩(wěn)定性，瞬態(tài)計(jì)算的最初為了保證求解器的穩(wěn)定性，瞬態(tài)計(jì)算的最初階段需要較小的時間步階段需要較小的時間步 計(jì)算獲得穩(wěn)定計(jì)算獲得穩(wěn)定(周期模式周期模式)后，可以忽略開始后，可以忽略開始的幾個循環(huán)的幾個循環(huán)2468 10 12 14 16Time (seconds)4. 初始化ResidualsA Pera Global Company

11、 PERA China14nTransient scheme定義瞬態(tài)項(xiàng)的數(shù)值算法n兩個隱式時間步格式可選:First Order Backward Euler (更穩(wěn)定)Second Order Backward Euler (更精確)n對大多數(shù)瞬態(tài)模擬，推薦采用默認(rèn)的Second Order Backward Euler格式nTimestep Initialisation控制前一時間步作為后一時間步計(jì)算起點(diǎn)的方式可以與前一求解的時間步初值(Previous Timestep)保持一致或求解器可以通過對前一求解的外推(extrapolate ), 以獲得一更好的計(jì)算起點(diǎn) 在高Courant數(shù)的

12、情況下，不推薦使用Automatic (默認(rèn))模式 ，根據(jù)Courant數(shù)的大小在兩種模式之間進(jìn)行切換5. 求解控制A Pera Global Company PERA China15 Min. 和和 Max. Coeff. Loops設(shè)置每個時間步設(shè)置每個時間步內(nèi)的迭代次數(shù)的上下限內(nèi)的迭代次數(shù)的上下限 爭取每個時間步可以在爭取每個時間步可以在3-5個循環(huán)內(nèi)達(dá)到收斂個循環(huán)內(nèi)達(dá)到收斂 Complex physics may need more loops 如果在最大循環(huán)內(nèi)沒有達(dá)到收斂，通常來說如果在最大循環(huán)內(nèi)沒有達(dá)到收斂，通常來說減小時間步是較好的選擇，而不是增加循環(huán)減小時間步是較好的選擇，而不

13、是增加循環(huán)次數(shù)次數(shù) 不管收斂與否，求解將轉(zhuǎn)到下一個時間步不管收斂與否，求解將轉(zhuǎn)到下一個時間步 監(jiān)測求解很重要監(jiān)測求解很重要5.求解控制A Pera Global Company PERA China16 瞬態(tài)結(jié)果瞬態(tài)結(jié)果(Transient Results) 默認(rèn)只寫出最后的默認(rèn)只寫出最后的res文件文件 不包含瞬態(tài)求解信息不包含瞬態(tài)求解信息 需要在需要在Output控制下定義控制下定義Transient Results Transient Results選項(xiàng)選項(xiàng) Standard 寫出包括全部結(jié)果的文件寫出包括全部結(jié)果的文件 將占據(jù)大量的磁盤空間將占據(jù)大量的磁盤空間 Smallest 寫出最

14、小文件，該文件依然可以作為重新計(jì)算寫出最小文件，該文件依然可以作為重新計(jì)算的初值文件的初值文件 (文件依然較大文件依然較大) Selected Variables 寫出選取的關(guān)心的變量，文件將較小寫出選取的關(guān)心的變量，文件將較小 Output Frequency 控制結(jié)果文件寫出的頻率控制結(jié)果文件寫出的頻率6. 輸出控制A Pera Global Company PERA China17 瞬態(tài)統(tǒng)計(jì)瞬態(tài)統(tǒng)計(jì)(Transient Statistics) 對求解變量生成求解統(tǒng)計(jì)對求解變量生成求解統(tǒng)計(jì) Option：算法平均：算法平均(Arithmetic Average), RMS, Minimum, Maximum, Standard Deviation和和Full (everything) 拾取關(guān)心的變量拾取關(guān)心的變量 Start和和Stop Iteration List：定義收集統(tǒng)計(jì)：定義收集統(tǒng)計(jì)開始和結(jié)束的時間開始和結(jié)束的時間6.輸出控制A Pera Global Company PERA China186.輸出控制nMonitor Points通常用于穩(wěn)態(tài)模擬nMonitor Coefficient Loop Convergence在時間步內(nèi)為每個迭代創(chuàng)建監(jiān)測記錄 用于觀察關(guān)心量在時間步內(nèi)是否在收