CFX培訓(xùn)教材06瞬態(tài)模擬

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培訓(xùn)教材第六節(jié)：瞬態(tài)模擬2021/5/91原因自然界幾乎所有流動(dòng)都是瞬態(tài)流動(dòng)!在以下假設(shè)下，可以認(rèn)為流動(dòng)是穩(wěn)態(tài)的:忽略非穩(wěn)態(tài)波動(dòng)采用總/時(shí)均方法，忽略流動(dòng)的波動(dòng)性

(這也是為什么采用湍流模型模化湍流的原因)在CFD,首選穩(wěn)態(tài)的計(jì)算方法更小的計(jì)算代價(jià)更易處理和分析很多情況下，要求瞬態(tài)求解:空氣動(dòng)力學(xué)(Aerodynamics),如飛行器、汽車等

–渦脫落(vortexshedding)旋轉(zhuǎn)機(jī)械RotatingMachinery–轉(zhuǎn)子/靜子相互作用,停車,飛逸多相流MultiphaseFlows–自由液面,空泡動(dòng)力學(xué)變形計(jì)算域DeformingDomains–缸內(nèi)燃燒非穩(wěn)態(tài)熱傳遞UnsteadyHeatTransfer–瞬態(tài)加熱和冷卻更多2021/5/92瞬態(tài)流動(dòng)的起源自然的非穩(wěn)定性流動(dòng)的不穩(wěn)定性或非穩(wěn)定的初始流動(dòng)狀態(tài)導(dǎo)致非穩(wěn)定流動(dòng)例如:自然對流,所有尺度的湍流渦,流動(dòng)波(重力波,沖擊波)強(qiáng)迫非穩(wěn)定性時(shí)間相關(guān)的邊界條件,源項(xiàng)驅(qū)動(dòng)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-HelmholtzCloudInstabilityRotor-StatorInteractioninanAxialCompressor2021/5/93瞬態(tài)CFD模擬瞬態(tài)流域的模擬都是基于一個(gè)指定的時(shí)間周期可能的求解方法:穩(wěn)態(tài)求解

–流動(dòng)變量不隨時(shí)間改變時(shí)間周期求解

–流動(dòng)變量以某種反復(fù)的模式波動(dòng)也可以通過指定時(shí)間間隔的方法簡單的進(jìn)行流動(dòng)分析.自由面流動(dòng)沖擊波的運(yùn)動(dòng)等.詳細(xì)分析關(guān)心的量固有頻率

，如.斯特勞哈爾數(shù)(StrouhalNumber)時(shí)均(Time-averaged)和/或

均方根(RMS)值與時(shí)間相關(guān)的參數(shù)

(如.冷卻一個(gè)熱的固體的時(shí)間要求,污染物的擴(kuò)散時(shí)間)譜數(shù)據(jù)

–快速傅里葉變換(FFT)2021/5/9420Timestep=2sInitialTime=0sTotalTime=20sCoefficientLoops=524681012141618Time(seconds)5coefficientLoops通過計(jì)算不同離散時(shí)間點(diǎn)的方法完成瞬態(tài)模擬在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)，都需要進(jìn)行計(jì)算迭代如何求解瞬態(tài)問題2021/5/95對穩(wěn)態(tài)計(jì)算也有相似的設(shè)置通常的工作流程：設(shè)置分析類型為Transient指定瞬態(tài)求解時(shí)間和時(shí)間步長設(shè)置物理模型和邊界條件邊界條件可以隨時(shí)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(resultsfiles),瞬態(tài)統(tǒng)計(jì)(transientstatistics),監(jiān)測點(diǎn)(monitorspoints)運(yùn)行求解器如何求解瞬態(tài)問題2021/5/961.分析類型在目錄樹上編輯AnalysisType，設(shè)置option為Transient2021/5/97設(shè)置TimeDuration控制求解結(jié)束時(shí)間選項(xiàng):TotalTime求解的總時(shí)間TimePerRun不計(jì)以前計(jì)算的所有時(shí)間MaximumNumberofTimesteps包括以前所完成的計(jì)算時(shí)間步NumberofTimestepsperRun對本次求解有效.不計(jì)以前完成的時(shí)間步2.時(shí)間長度和步長2021/5/982.時(shí)間長度和步長設(shè)置TimeStepsize控制兩計(jì)算時(shí)間點(diǎn)之間的間隔選項(xiàng):Timesteps/TimestepsfortheRun可采用不同的方式,例如0.0010.001,0.002,0.002,0.0035*0.001,10*0.05,20*0.06Adaptive通過設(shè)定收斂標(biāo)準(zhǔn)或Courant數(shù)的方法，在規(guī)定的范圍內(nèi)，時(shí)間步可以動(dòng)態(tài)的改變2021/5/992.時(shí)間長度和步長在瞬態(tài)模擬中，時(shí)間步尺寸是一個(gè)很重要的參數(shù)求解與時(shí)間相關(guān)的特征的時(shí)候，需要時(shí)間步較小…實(shí)際值時(shí)間關(guān)心的變量Dt時(shí)間關(guān)心的變量Dt時(shí)間步較大，

求解點(diǎn)通常不能反映真實(shí)的現(xiàn)象小的時(shí)間步，

求解點(diǎn)可以反映真實(shí)的現(xiàn)象2021/5/9102.時(shí)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(shí)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(shí)間尺度，就不能采用較大的時(shí)間步Courant數(shù)常用于評估時(shí)間步:在一個(gè)時(shí)間步內(nèi)，流體通過的網(wǎng)格的數(shù)目Courant數(shù)通常介于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(gè)時(shí)間步求解器.out文件中會(huì)顯示出來小的時(shí)間步會(huì)加速收斂2021/5/911必要的情況下,邊界條件可以是時(shí)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2021/5/912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前面幾個(gè)時(shí)間步可能不收斂為了保證求解器的穩(wěn)定性，瞬態(tài)計(jì)算的最初階段需要較小的時(shí)間步計(jì)算獲得穩(wěn)定(周期模式)后，可以忽略開始的幾個(gè)循環(huán)246810121416Time(seconds)4.初始化Residuals2021/5/913Transientscheme定義瞬態(tài)項(xiàng)的數(shù)值算法兩個(gè)隱式時(shí)間步格式可選:FirstOrderBackwardEuler(更穩(wěn)定)SecondOrderBackwardEuler(更精確)對大多數(shù)瞬態(tài)模擬，推薦采用默認(rèn)的SecondOrderBackwardEuler格式TimestepInitialisation控制前一時(shí)間步作為后一時(shí)間步計(jì)算起點(diǎn)的方式可以與前一求解的時(shí)間步初值(PreviousTimestep)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2021/5/914Min.和Max.Coeff.Loops設(shè)置每個(gè)時(shí)間步內(nèi)的迭代次數(shù)的上下限爭取每個(gè)時(shí)間步可以在3-5個(gè)循環(huán)內(nèi)達(dá)到收斂Complexphysicsmayneedmoreloops如果在最大循環(huán)內(nèi)沒有達(dá)到收斂，通常來說減小時(shí)間步是較好的選擇，而不是增加循環(huán)次數(shù)不管收斂與否，求解將轉(zhuǎn)到下一個(gè)時(shí)間步監(jiān)測求解很重要5.求解控制2021/5/915瞬態(tài)結(jié)果(TransientResults)默認(rèn)只寫出最后的res文件不包含瞬態(tài)求解信息需要在Output控制下定義TransientResultsTransientResults選項(xiàng)Standard寫出包括全部結(jié)果的文件將占據(jù)大量的磁盤空間Smallest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(文件依然較大)SelectedVariables寫出選取的關(guān)心的變量，文件將較小OutputFrequency控制結(jié)果文件寫出的頻率6.輸出控制2021/5/916瞬態(tài)統(tǒng)計(jì)(TransientStatistics)對求解變量生成求解統(tǒng)計(jì)Option：算法平均(ArithmeticAverage),RMS,Minimum,Maximum,StandardDeviation和Full(everything)拾取關(guān)心的變量Start和StopIterationList：定義收集統(tǒng)計(jì)開始和結(jié)束的時(shí)間6.輸出控制2021/5/9176.輸出控制MonitorPoints通常用于穩(wěn)態(tài)模擬MonitorCoefficientLoopConvergence在時(shí)間步內(nèi)為每個(gè)迭代創(chuàng)建監(jiān)測記錄用于觀察關(guān)心量在時(shí)間步內(nèi)是否在收斂默認(rèn)的