Fluent軟件的使用(2).pptx

1、航空工程大型通用軟件計算流體力學FLUENT軟件,教 師：郭昊 辦公室：新主樓C1114 電 話：82339592 電 郵：,FLUENT軟件的使用（2）,邊界條件的種類 求解器的設置 湍流模擬方法,邊界條件的種類,定義邊界條件,為了保證流場解的唯一性，必須在流場邊界處給出流動信息 描述進出流場區(qū)域的質量、動量和能量。 定義邊界條件包括: 定義邊界的位置 給出邊界的流動信息 邊界處所需的流動信息，取決于邊界條件的類型和計算采用的物理模型。 不恰當的邊界條件對流場解具有顯著的影響。,確定邊界位置 An Example,Fuel,Air,Combustor Wall,Manifold box,No

2、zzle,多支管的上游 可以使用均勻的入口剖面 計算中能夠模擬預混效果 無需使用預先混合的反應模型 要求的網格數量較多 噴嘴進口平面 要求精確的入口剖面 無需用預先混合的反應模型 噴嘴出口平面 要求精確的入口剖面 采用預混反應模型 通常不被推薦，因為入口剖面 將會驅動內部的流動,一般性指導原則,在垂直于邊界的方向上，不應該有較大的梯度 在邊界處保證網格的正交性最好 否則將會引進計算誤差,可用的邊界條件類型,外部邊界 通用的 壓力入口 壓力出口 不可壓縮流動 速度入口 流動出口Outflow 可壓縮流動 質量流量入口 壓力遠場 其他的 壁面 對稱邊界 軸邊界 周期邊界 特殊的 進口通風/出口通風

3、 吸氣風扇/排氣風扇,可用的邊界條件類型,內部邊界 風扇 Interior 多孔跳躍 散熱面 壁面,改變邊界條件的類型,邊界的類型最初在前處理軟件中定義。 通過下列方式可以改變邊界條件的類型: 在Zone類表中選擇名字 在Type類表中選擇需要的邊界條件類型,設置邊界條件的參數,在邊界條件面板中輸入數據 可以直接設置 可以通過拷貝的方法設置 可以通過UDFs 和 profiles文件定義邊界條件 Profiles文件的生成方法: 從其他CFD 計算結果生成profile文件 將邊界條件數據編輯為格式化文本文件,速度入口Velocity Inlet,描述速度的三種方法 Magnitude, No

4、rmal to Boundary Components Magnitude and Direction 除非使用UDF或者profile文件，否則只能使用均勻的速度剖面。 通常用在不可壓縮流動中，不推薦在可壓縮流動中使用。 速度大小可以是負的，表明正在使用速度出口邊界。,壓力入口Pressure Inlet,對于可壓與不可壓流動均適用。 從駐點到入口的無損轉換條件。 FLUENT計算入口處的靜壓和速度 通過邊界的質量流率取決于內部的求解和描述的流動方向 要求的信息 總的表壓 超音速/初始化的表壓 入口的流動方向 湍流的物理量 總溫（對于熱傳導或者可壓縮流動）,質量流量入口Mass Flow I

5、nlet,為可壓流設計，也可用于不可壓流。 總的壓力被調整來滿足質量流量 比壓力入口的收斂難度大 要求的信息 質量流率（kg/s）者質量流量（ kg/s.m.m ） 超音速/初始化的表壓 流動局部超音速的靜壓；如果流動亞音速，則被忽略；如果流場從該邊界開始初始化，該表壓將被應用初始化計算。 總溫（關于熱現象） 對于不可壓縮流動將被用作靜溫 流動方向的描述方法,壓力出口Pressure Outlet,適合于可壓和不可壓流動 如果出口局部流動為超音速，則描述的壓力被忽略。 要求的信息 表壓（靜壓）流動出口的環(huán)境靜壓 回流物理量如果回流發(fā)生時被當做入口條件（像入口一樣）,出流邊界Outflow,不要

6、求提供壓力和速度信息 邊界的信息通過內部外插得到。 在邊界處采用質量平衡修正。 在出流邊界上，所有物理量的法向梯度為零。 對于出流完全發(fā)展的情況比較合適。 出流邊界被設計用于不可壓縮流動。 只能夠和速度入口邊界聯(lián)合使用 不能夠用于變密度的非定常流動。 當發(fā)生回流的時候，收斂性能較差。 如果最終流場解中含有回流，該邊界不能夠使用。,壓力遠場Pressure Far Field,用來模擬無窮遠處自由可壓縮流動條件，需要描述靜壓和自由流的馬赫數。 只有采用理想氣體定律計算密度時，該邊界條件才可用。,壁面邊界Wall Boundaries,在粘流中，壁面可以應用無滑移邊界條件 可以計算剪切應力 熱邊界

7、條件 幾種熱邊界條件類型是可用的。 壁面材料和厚度可以定義為一維或者殼條件來進行熱傳導計算 對于湍流可以定義壁面粗糙度 壁面的剪切應力和熱傳導 基于局部流場進行計算 壁面邊界條件上也能夠指派 平移或者旋轉邊界條件,對稱邊界和軸邊界Symmetry and Axis Boundaries,對稱邊界 流場和幾何必須是對稱的 對稱面處的法向速度為零 對稱面處所有物理量的法向梯度為零 軸邊界 被用作軸對稱問題的中心 不要求任何輸入 必須與X軸方向一致,Symmetry Planes,Axis,周期邊界Periodic Boundaries,減少網格數量 流場和幾何必須包含旋轉或者流動方向的周期性 旋轉

8、周期 在周期平面上的P = 0 平移周期 通過周期平面有壓降P 模擬流動完全發(fā)展的情況，或者 描述每個周期的平均壓降 如果在網格中未事先定義 周期邊界條件，也可以在 TUI中進行定義:/mesh/modify-zones/make-periodic,內部面邊界Internal Face Boundaries,僅僅能夠在內部單元的面上定義 內部邊界的厚度為零。 利用內部邊界可以在流場屬性中引入階躍變化 內部邊界用來表示不同的物理模型 風扇 散熱器 多孔的跳躍模型Porous-jump models 內部壁面,求解器的設置,求解過程概述,設置求解方法及參數 選擇求解方法 選擇離散格式 設置松弛因子

9、 初始化流場 收斂控制 監(jiān)視收斂 穩(wěn)定性 加速收斂 精度控制 網格獨立性 網格自適應,可用的求解器,Fluent提供兩種求解器壓力基的和密度基的。 壓力基的求解器將速度和壓力（或者壓力修正量）作為基本變量 從連續(xù)方程推導壓力修正方程 壓力基求解器包含兩種算法： 分離求解器，順序求解動量方程和壓力修正方程 耦合求解器，同時求解動量方程和壓力修正方程,密度基的耦合求解器 質量、動量、能量和組分方程以一種矢量的形式同時求解。 壓力通過狀態(tài)方程求解。 額外的標量方程通過解耦的方式求解。 密度基的求解器有隱式和顯式兩種形式。 Implicit ：用高斯-賽德爾方法求解 Explicit： 用多步龍格-庫

10、塔顯示時間積分方法求解,可用的求解器,選擇求解器,壓力基的分離求解器具有很寬的適用范圍，從低速不可壓縮流動到高速可壓縮流動。 要求的內存較小 求解過程具有較好的靈活性 壓力基的耦合求解器對于大多數的單相流都是適用的。 比分離求解器要求多1.52 倍的內存,選擇求解器,密度基的耦合求解器適用于密度、能量、動量和組分之間具有強烈耦合的情況。 例如，帶有燃燒的高速可壓縮流動，高超聲速流動，激波干擾。 隱式的性能通常高于顯式，因為顯式對于時間步長具有嚴格的限制。,壓力速度耦合方法,當使用壓力基求解時，壓力速度耦合算法（通過連續(xù)方程推導出壓力修正方程）有三種。 Semi-Implicit Method

11、for Pressure-Linked Equations (SIMPLE) 默認方法，魯棒性很強。 SIMPLE-Consistent (SIMPLEC) 對于簡單問題具有較快的收斂速度，例如層流。 Pressure-Implicit with Splitting of Operators (PISO) 對于非定常流動，或者網格質量較差時有用。,對流項插值格式,控制體中心的物理量必須被插值到控制體表面 對流項的離散格式： First-Order Upwind 收斂容易，但是只有一階精度。 Power Law 當Recell 5 (典型的低雷諾數)時，比一階格式具有更高的精度。,對流項插值格式

12、,對流項的插值格式： Second-Order Upwind 具有二階精度，當采用三角形/四面體網格或者網格沒有沿著流動方向布置時是十分必要的，收斂速度較慢。 Monotone Upstream-Centered Schemes for Conservation Laws (MUSCL) 應用于非結構網格的局部三階對流項離散格式，在計算二次流、漩渦等方面具有較高的精度。 Quadratic Upwind Interpolation (QUICK) 適用于四邊形/六面體網格和混合網格，對于旋轉流動非常有用，在均勻網格上具有三階精度。,壓力的插值格式,使用壓力基的分離求解器時，控制體表面的壓力插值

13、格式： Standard 默認格式，對于邊界附近壓力梯度較大的流動，精度降低 (當流場中具有壓力陡變時不能用，而應使用 PRESTO! 格式) PRESTO! 應用于強旋轉流動，壓力梯度較大的流動（多孔介質，風扇模型），或者在壁面強彎曲的區(qū)域。 Linear 在其他格式收斂困難或產生非物理解時使用。 Second-Order 用于可壓縮流動，不能夠和多孔介質，跳躍，風扇，或者VOF/Mixture多相流模型公用。 Body Force Weighted 當體力較大時使用，例如高Ra數的自然對流和強旋轉流動。,梯度的插值格式,為了計算擴散通量，需要求解控制體表面的變量梯度。 梯度計算方法： Gr

14、een-Gauss Cell-Based 默認方法，存在虛假擴散。 Green-Gauss Node-Based 精度提高，虛假擴散減小，在三角形/四面體網格時推薦使用。 Least-Squares Cell-Based 建議多面體網格使用，與Node-based梯度計算方法具有相同的精度與特性。,初始化,FLUENT 要求對所有的變量初始化 接近真實的初場將提高解的穩(wěn)定性，并加速收斂 可以對特定區(qū)域內個別變量的初值進行調整 自由射流（射流區(qū)速度較高） 燃燒問題(高溫區(qū)) Cell registers 能夠被用來調整計算區(qū)域內不同部分的初始值,收斂,下列幾項被滿足時，可以認為流場收斂： 所有方

15、程的求解達到設定的殘差標準，或者流場不在隨著求解過程發(fā)生變化。 質量、動量、能量和組分在全局達到平衡。 利用殘差的歷史來監(jiān)視收斂 殘差降到 10-3表明流場在定性上已經收斂了。 無量綱的能量殘差應該降到 10-6 (對于壓力基的求解器)。 無量綱的組分殘差應該降到10-5 才能達到組分平衡 監(jiān)視其他量的收斂 監(jiān)視其他的主要物理量達到收斂狀態(tài) 確保質量/熱/組分達到總的守恒,收斂監(jiān)視 Residuals,Residual plots show when the residual values have reached the specified tolerance.,收斂監(jiān)視 Forces an

16、d Surfaces,檢查總的通量守恒,除了監(jiān)視殘差和變量的歷史，也要檢查總的熱量和質量守恒。 凈通量的不平衡應該小于區(qū)域邊界上最小通量的 1% 。,減小殘差收斂標準,如果殘差表明求解過程收斂，但是流場仍然改變或者有一個較大的質量/熱量不平衡，這就表明求解過程還沒有收斂。 此時，需要的工作： 降低殘差收斂標準或者關閉檢測殘差 繼續(xù)計算直到流場收斂,收斂困難,數值不穩(wěn)定的原因可能有：問題不適定，網格質量較差，求解器設置不合理。 表現為殘差增長（發(fā)散）或者不降。 發(fā)散的殘差意味著守恒方程的不守恒加劇。 沒有收斂的結果具有很大的誤導性。 解決辦法 確保問題設置的正確性； 使用一階離散格式計算初場；

17、對于壓力基的求解器，降低有收斂 問題的方程的松弛因子； 對于密度基的求解器，降低Courant 數； 對于長細比較大或者網格正交性較差 的網格進行重畫。,Continuity equation convergence trouble affects convergence of all equations.,修改松弛因子,對于壓力基的求解器，引進松弛因子 就是為了提高求解過程的穩(wěn)定性。 使用默認的松弛因子進行計算 降低動量方程的松弛因子通常有助于收斂 對于大多數問題，默認的設置是合理的 可以根據需要對其進行減低 適當的設置來自于經驗 對于密度基的求解器，對于耦合方程組以外的方程，其松弛因子的設

18、置和壓力基求解器一樣。,修改Courant數,在密度基求解器中，即使對于定常問題，也包含瞬態(tài)項 Courant數用于定義時間步長 對于密度基的顯示求解器 穩(wěn)定性要求Courant數具有上限 不能大于2 當收斂困難時降低Courant數 對于密度基的隱式求解器 穩(wěn)定性對Courant 數沒有限制,加速收斂,加速收斂的幾種方法: 提供較好的初場 從以前的計算結果開始計算(file/interpolation) 逐步增加松弛因子或者Courant數 較高的值將會引起求解過程不穩(wěn)定 在繼續(xù)迭代之前應當存儲case and data文件,精度,收斂的解不一定是正確的解。 通常利用已有數據，物理原理，來檢

19、查和評估計算解。 最終的結果使用二階迎風離散格式。 確保最終的解具有網格獨立性 使用只適應方法進行網格獨立性研究 如果流動的特征不合理 重新考慮物理模型和邊界條件 檢查網格質量，并考慮重新劃分網格 重新確定邊界條件的位置：不適當的計算區(qū)域將會顯著地影響計算精度,網格質量和精度,提高精度的方法 使用高階的離散格式 使網格順著流向布置，最小化假擴散 細化網格 求解流動的主要特征要求足夠的網格密度 網格尺寸減小，插值誤差降低 在非均勻網格中，需要最小化網格的尺寸變化 在均勻網格中，截斷誤差是最小的。 最小化網格的正交性和長細比 應該避免長細比大于5:1（但是邊界層內允許較大的長細比） 最優(yōu)的四邊形/

20、六面體網格是90度 最優(yōu)的三角形/四面體網格是等邊的,網格獨立性的解,當網格細化后流場解不再改變，稱為網格獨立的解 下面列出了獲得網格獨立解的過程 生成一套新的細網格 返回網格生成軟件，重新生成網格 使用Fluent中基于流場解的網格自適應能力 繼續(xù)計算直到收斂 比較不同網格計算的結果 如果有必要，重復上述過程,湍流模擬方法,湍流特征,湍流具有非定常的、三維的、周期性的漩渦運動特征，即脈動特征，能夠增強動量摻混、熱量傳遞和剪切應力。 湍流脈動在空間上和時間上都是隨機的，但是湍流脈動量的統(tǒng)計平均卻能展示其主要輸運機理。 所有的湍流中均包含尺度范圍很廣的漩渦，從小尺度漩渦到大尺度漩渦。 湍流對于初始條件非常敏感，即湍流行為很大程度上取決于初始條件。,湍流結構,小尺度 渦結構,大尺度 渦結構,什么是湍流?,外