第七章 FLOW-3D 数值选项

1、FLOW-3D v9.3模拟的主要目标是提供准确的结果。模拟的主要目标是提供准确的结果。所有数值选项都默认设置。所有数值选项都默认设置。 大多数模拟用默认设置就可。大多数模拟用默认设置就可。 大多数大多数求解器使用默认显式的方法求解器使用默认显式的方法。数值选项包括数值选项包括。 压力解算器。压力解算器。 时间步长控制。时间步长控制。 隐式求解传热，隐式表面张力等。隐式求解传热，隐式表面张力等。 这章节的主要内容是：这章节的主要内容是： 什么时候用户需要选择其他数值选项。什么时候用户需要选择其他数值选项。 这些选项在哪里选择。这些选项在哪里选择。要求：要求： 动量方程（动量方程（1，2或或3的

2、方向）。的方向）。 质量守恒。质量守恒。可选：可选： 流体分数（自由表面）流体分数（自由表面） 能源能源平流（传热）平流（传热） 密度平流（可变密度）密度平流（可变密度） 湍流湍流 颗粒颗粒 派生派生数量数量： 应变率，固相分数，非牛顿粘度。应变率，固相分数，非牛顿粘度。U = (u, v, w) 流速流速;P 压强压强;G 重力和非惯性体加速重力和非惯性体加速;t t 粘性应力张量粘性应力张量;K U 拖动（多孔挡板，障碍，两相区拖动（多孔挡板，障碍，两相区);RSOR U/r r 大量注射液致零速度加速大量注射液致零速度加速;F 其他力：表面张力，电，质量其他力：表面张力，电，质量/动力动

3、力 源，颗粒，用户定义的力源，颗粒，用户定义的力.不可压缩，非不可压缩，非牛顿牛顿/牛顿牛顿流动性流动性：xxxFuRSORKuGxPzuwyuvxuuturr 11yyyFvRSORKvGyPzvwyvvxvutvrr11zzzFwRSORKwGzPzwwywvxwutwrtr11质量守恒定律方程质量守恒定律方程 UrRSORzwyvxu RDIFRSORwzvyuxtrrrrRSOR 质量源质量源/汇汇RDIF 密度扩散密度扩散不可压缩流动（用质量源）不可压缩流动（用质量源）变密度或可压缩流动（用质量源和漫射）变密度或可压缩流动（用质量源和漫射）热能传送方程热能传送方程fs固相分数（是固相

4、分数（是T和溶质浓度的功能）和溶质浓度的功能）;L 潜热潜热;k 导热系数导热系数;C(T) 比热比热;h 液体液体/墙体传热系数墙体传热系数;Twall 壁温壁温;RISOR 能量源能量源/汇汇;RIDIF 湍流扩散湍流扩散LfsdTTCIT )1 ( )( FSORFDIFFwzFvyFuxtF运动学上的运动方程：运动学上的运动方程：VOF功能运动是根据在功能运动是根据在流动性里的速度场。流动性里的速度场。F = 1.0 - fluidF = 0.0 - voidUFDIF -流体分数扩散。流体分数扩散。FSOR -流体体积源流体体积源/汇汇。FLOW-3D解决在交错网格有限差分方解决在交

5、错网格有限差分方程。程。在控制体积单元里的位置和条件在控制体积单元里的位置和条件(i, j, k)l压力，温度，标量储存在单元中心。压力，温度，标量储存在单元中心。l强调速度和计算是在单元的表面。强调速度和计算是在单元的表面。第一次真正的单第一次真正的单元是元是i =2, j =2, k =2 第一次真正的单元第一次真正的单元是是i =3, j =3, k =3 单元是自动被加在网格边执行边界条件单元是自动被加在网格边执行边界条件： 1层为大多数的边界条件层为大多数的边界条件(symmetry, wall, velocity, outflow, grid overlay)。 压力、周期和跨层块

6、边界需要两层。压力、周期和跨层块边界需要两层。 只有真正的单元（见在白色下面）都显示在图里只有真正的单元（见在白色下面）都显示在图里。FLOW-3DFLOW-3D数值选项数值选项时间步距时间步距控制控制压力解算压力解算器器显式或隐显式或隐式求解式求解流体界面流体界面平流平流动量平动量平流流速度场速度场选项选项时间步距的主要用途（称为时间步距的主要用途（称为dt和和delt）：）：模拟时间步距向前（每个称为循环步）模拟时间步距向前（每个称为循环步）保持准确和稳定的模拟保持准确和稳定的模拟时间步长受到各种因素的控制：时间步长受到各种因素的控制： t 在以前的时间步距。在以前的时间步距。稳定极限稳定

7、极限( t不能大于稳定性不能大于稳定性)。一些关于前一个周期的压力迭代（当一些关于前一个周期的压力迭代（当AUTOT = 1）。）。用户定义最大的用户定义最大的 t (DTMAX)FLOW-3D控制整个模拟时间步长：控制整个模拟时间步长：1. 掠过掠过所有的计算单元所有的计算单元.2. 在每个单元格相关稳定性准则计算在每个单元格相关稳定性准则计算.3. 确定所有单元的最低标准确定所有单元的最低标准.4. 最大稳定时间步长最大稳定时间步长= t =全球稳定的最低标准全球稳定的最低标准.在模拟完成时间上的时间步长控在模拟完成时间上的时间步长控制通过制通过FLOW-3D 的基础来选定。的基础来选定。

8、时间步长控制时间步长控制-Model Setup-Numerics标签标签.l初始时间步长初始时间步长-默认默认=1.0E-6完成时间完成时间;可以有效地启动模拟可以有效地启动模拟.l最小时间步长最小时间步长-默认默认=1.0E-06 x初始的时初始的时间步长间步长;防止模拟失控（非常小的防止模拟失控（非常小的 t ）.l最大时间步长最大时间步长-默认值是稳定极限默认值是稳定极限。 在在FLOW-3DFLOW-3D 时间步长控制时间步长控制选择的间步长有三个因素影响：选择的间步长有三个因素影响：1. 稳定稳定2. 精确度精确度3. 效率效率稳定稳定-最明确的方法需要对时间步长限制所最明确的方法

9、需要对时间步长限制所谓谓稳定性准则稳定性准则。时间步长始终是低于最。时间步长始终是低于最低标准的稳定性。稳定的标准自动确定低标准的稳定性。稳定的标准自动确定在每个周期的开始在每个周期的开始.精确度精确度-每个周期时间步长增加不能超过每个周期时间步长增加不能超过5。效率效率-平衡时间步长平衡时间步长vs收敛。收敛。较大的时间步长需要更多的压力较大的时间步长需要更多的压力/粘滞粘滞/热量热量收敛。收敛。FLOW-3D可减少时间步长（稳定可减少时间步长（稳定以下）来实现更快的收敛。以下）来实现更快的收敛。稳定性和稳定性和收敛收敛固定大固定大小小时间步长的稳定性标准时间步长的稳定性标准l 稳定性标准确

10、定在激活物理模型的每个周期开始。稳定性标准确定在激活物理模型的每个周期开始。l 两个字母的代码表明适用于该物理模型稳定性的标准。两个字母的代码表明适用于该物理模型稳定性的标准。l 求解摘要在求解摘要在“长期印刷长期印刷”间隔列出了所有稳定性标准。间隔列出了所有稳定性标准。l 求解消息文件在求解消息文件在“短期印刷短期印刷”的间隔列出控制稳定标准的间隔列出控制稳定标准.x- explicit convective time-step limit = 1.51646E-06 at cell ( 10, 57, 6) in mesh block 2y- explicit convective tim

11、e-step limit = 2.46870E-06 at cell ( 11, 57, 7) in mesh block 2z- explicit convective time-step limit = 1.15658E-06 at cell ( 10, 57, 6) in mesh block 2x- implicit convective time-step limit = 6.06859E-06 at cell ( 26, 56, 14) in mesh block 2y- implicit convective time-step limit = 6.87478E-06 at ce

12、ll ( 38, 21, 44) in mesh block 1z- implicit convective time-step limit = 7.64813E-06 at cell ( 38, 30, 43) in mesh block 1free surface time-step limit = 1.37319E-03 at cell ( 16, 6, 7) in mesh block 2thermal conduction time-step limit = 2.15091E-04 at cell ( 18, 17, 8) in mesh block 2wall heat trans

13、fer time-step limit = 1.55914E-04 at cell ( 7, 56, 9) in mesh block 2典型的信息为了稳定性极限的时间步长典型的信息为了稳定性极限的时间步长.l显式显式求解的诊断综述求解的诊断综述l搜索搜索“短的印刷时间步长短的印刷时间步长的稳定性极限的稳定性极限”l什么是物理过程的模拟限什么是物理过程的模拟限制？制？ 所所指出的最小极限指出的最小极限.l如果删除最小的限度（隐如果删除最小的限度（隐式）下一个最大的？式）下一个最大的？在在FLOW-3D有三个压力求解器可用到有三个压力求解器可用到.lSOR从头到尾从头到尾连续松驰连续松驰. 相对

14、良好的连接几何相对良好的连接几何. 相当统一的网格单元相当统一的网格单元. 短小的模拟短小的模拟. SOR收敛应该在收敛应该在1015左右左右.lADI交替方向隐式交替方向隐式. 大单元的大单元的aspect ratios （10:1） 在在SMP平行面没有良好的比例平行面没有良好的比例.lGMRES不能适应特殊环境的最小残留的方不能适应特殊环境的最小残留的方法法. 处理复杂，适应计算良好的领域处理复杂，适应计算良好的领域. 大单元大单元aspect ratios的收敛的收敛. 内存要求大内存要求大-当使用当使用SOR和和ADI不衔接不衔接. 在在SMP平行面比例非常大平行面比例非常大. GM

15、RES方法收敛次数应为方法收敛次数应为27.输入小于输入小于1的正值的正值,迭代迭代可以收紧。不建议使用可以收紧。不建议使用大于大于1的值的值输入正输入正值值,迭代迭代也可以也可以收紧收紧以稳态流来加速方以稳态流来加速方式可以通过设置一式可以通过设置一个很大的数字个很大的数字.如输如输入入1.0e6这个选项只能用在没有传热的这个选项只能用在没有传热的Confined Flows (one fluid, no sharp interface) l显式和隐式求解器可用于粘性应力，热传导，表面张力显式和隐式求解器可用于粘性应力，热传导，表面张力，弹性应力，泡沫压力，弹性应力，泡沫压力，GMO/流动偶

16、合流动偶合,和平流动力。和平流动力。通常默认显式方法。通常默认显式方法。l显式方法：显式方法： 精确精确的的. 当几何和流动是相对简单时液体快速流动当几何和流动是相对简单时液体快速流动的的 实现实现简单数字简单数字. 需要需要时间步长限制（稳定性标准）以确保稳定时间步长限制（稳定性标准）以确保稳定.l隐式的方法：隐式的方法： 允许比显式的方法更大的时间步长允许比显式的方法更大的时间步长. 通常需要收敛求解。通常需要收敛求解。 可能会或可能不会产生精确的解决方案。可能会或可能不会产生精确的解决方案。界面平流选项界面平流选项通过通过FLOW-3D模拟类型的基础模拟类型的基础上选择上选择VOF平流方

17、法。平流方法。Automatic 通过通过FLOW-3D模拟类型的基础上自动选择的方模拟类型的基础上自动选择的方法。法。默认的选择是通常良好的工作默认的选择是通常良好的工作高级平流方法可供选择。当对高级平流方法可供选择。当对流体积时使用误差较大（少数的流体积时使用误差较大（少数的）。）。F-PackingF-packing算法用于在具有算法用于在具有重大自由表面崩溃流动来消除重大自由表面崩溃流动来消除小洞或小洞或“foaming”的。该算的。该算法通过建立在流体单元内部小法通过建立在流体单元内部小的不确定的分歧，其中哪个流的不确定的分歧，其中哪个流体分数小于体分数小于0.99。这是只使用。这是

18、只使用在一个自由表面流动的液体。在一个自由表面流动的液体。默认值为默认值为1.0,当你输入当你输入0时时Packing就没发生就没发生IFVOF = 46建议具有较强的流动循建议具有较强的流动循环环VOF平流方法对角平流方法对角流动流动的的比较比较IFVOF = 4 vs 5IFVOF = 4IFVOF = 5l填充阶段填充阶段: 填充模拟填充模拟. 填充时间填充时间0.048s. 高湍流高湍流. 模拟目标：找到被困模拟目标：找到被困气体气体.lVOF 4 vs 5比较比较.lIFVOF = 4方法液量保持良好方法液量保持良好，预计被困气体。，预计被困气体。lIFVOF = 5的方法显示大型对

19、的方法显示大型对流流动错误。流流动错误。VOF平流方法的总结平流方法的总结方法方法优点优点缺点缺点IFVOF=41. 简单地实现数字简单地实现数字.2. 包含的所有信息：包含的所有信息：F, NF, AF 和和VF。3. 良好的单向准确性良好的单向准确性.4. 有许多特殊情况的逻有许多特殊情况的逻辑，例如在出口边界辑，例如在出口边界.在在2D和和3D流动量守恒和界面跟踪流动量守恒和界面跟踪减少准确性。减少准确性。IFVOF=51.在跟踪复杂流动急在跟踪复杂流动急剧界面里的良好性。剧界面里的良好性。2.改进表面张力行为改进表面张力行为.1. 没有圆柱坐标的支持。没有圆柱坐标的支持。2. 在在FA

20、VOR是大约的部分块单元是大约的部分块单元准确性减少。准确性减少。3. 在旋涡流动有大量的错误结果在旋涡流动有大量的错误结果(流动损失）。流动损失）。IFVOF=61.在跟踪复杂流动急在跟踪复杂流动急剧界面里的良好性。剧界面里的良好性。2. 较好的均衡表面张力较好的均衡表面张力行为行为.1.圆柱坐标支持圆柱坐标支持9.3版本进度。版本进度。2.在部分块单元在部分块单元IFVOF = 4。3.非保守的制定，体积误差不代非保守的制定，体积误差不代表大量的损失表大量的损失/增加增加.4个动量（速度）平流选项个动量（速度）平流选项: IORDER=1 1st动量平流动量平流. IORDER =2 2n

21、d为中心差动为中心差动. IORDER=3 2nd为逆风单一性保留为逆风单一性保留. IORDER=4 3rd为逆风单一性保留为逆风单一性保留.大部分模拟默认大部分模拟默认1st: 计算效率计算效率 预计大部分流动特性预计大部分流动特性建议用高阶动力方法有如下建议用高阶动力方法有如下:1. 旋转流动旋转流动.2. 二次流动特征二次流动特征.l涡流涡流/旋转流动的特点旋转流动的特点:1. 旋转的主要流程旋转的主要流程.2. 二次流动的特点往往是重要的二次流动的特点往往是重要的.l 旋涡流动的例子旋涡流动的例子:1. 沉淀池沉淀池.2. 涡流喷嘴涡流喷嘴.淤泥流入淤泥流入出水出水固体缺陷固体缺陷l

22、 主要旋流两面中心主要旋流两面中心+二次流动二次流动.l 利用利用“茶杯效应茶杯效应”.l 较重的固体聚集在中心较重的固体聚集在中心.目标：模拟主旋转流动和二次流动。目标：模拟主旋转流动和二次流动。只有流动的计算只有流动的计算-没有固体没有固体.上图显示槽附近收集上图显示槽附近收集数字代表一小部分的入口速度数字代表一小部分的入口速度预计沿中心线强涡旋预计沿中心线强涡旋在涡流在涡流1.2倍速度大于入口速度倍速度大于入口速度涡流涡流Initally solid-body rotationNo vortexing seen near axis1st order advection dissapate

23、s vortex Try higher order momentum advection默认的默认的1st平流平流IORDER = 1，计算效率是很多计算效率是很多问题，但太多的问题，但太多的对角线速度分量对角线速度分量扩散而准确预测扩散而准确预测旋流旋流。l 速度是不是合速度是不是合理不稳定理不稳定l IORDER = 2不建议自由面不建议自由面模拟模拟不稳定不稳定u由于由于IORDER = 2是已知的强循环与自由表面流动的不稳定，但预计不会是已知的强循环与自由表面流动的不稳定，但预计不会履行好这个问题。事实上，模拟很快变得不稳定，产生不合理的流速。履行好这个问题。事实上，模拟很快变得不稳定，产生不合理的流速。u若要使用若要使用IORDER = 2针对此问题，用户需要取代对称边界条件的自