CFX培训教材06瞬态模拟

1、.,ANSYS CFX 培训教材 第六节：瞬态模拟,安世亚太科技（北京）有限公司,.,原因,自然界几乎所有流动都是瞬态流动! 在以下假设下，可以认为流动是稳态的: 忽略非稳态波动 采用总/时均方法，忽略流动的波动性 (这也是为什么采用湍流模型模化湍流的原因) 在CFD,首选稳态的计算方法 更小的计算代价 更易处理和分析 很多情况下，要求瞬态求解: 空气动力学(Aerodynamics), 如飞行器、汽车等 涡脱落(vortex shedding) 旋转机械Rotating Machinery 转子/静子相互作用, 停车, 飞逸 多相流Multiphase Flows 自由液面, 空泡动力学 变

2、形计算域Deforming Domains 缸内燃烧 非稳态热传递Unsteady Heat Transfer 瞬态加热和冷却 更多,.,瞬态流动的起源,自然的非稳定性 流动的不稳定性或非稳定的初始流动状态导致非稳定流动 例如: 自然对流, 所有尺度的湍流涡, 流动波(重力波, 冲击波) 强迫非稳定性 时间相关的边界条件, 源项驱动的非稳定流场 例如: 喷嘴处的脉冲流, 转子-静子节间的相互影响,Kelvin-Helmholtz Cloud Instability,Rotor-Stator Interaction in an Axial Compressor,.,瞬态CFD 模拟,瞬态流域的模

3、拟都是基于一个指定的时间周期 可能的求解方法: 稳态求解 流动变量不随时间改变 时间周期求解 流动变量以某种反复的模式波动 也可以通过指定时间间隔的方法简单的进行流动分析. 自由面流动 冲击波的运动 等. 详细分析关心的量 固有频率 ，如.斯特劳哈尔数(Strouhal Number) 时均(Time-averaged)和/或 均方根(RMS)值 与时间相关的参数 (如. 冷却一个热的固体的时间要求, 污染物的扩散时间) 谱数据 快速傅里叶变换(FFT),.,20,Timestep = 2 s Initial Time = 0 s Total Time = 20 s Coefficient L

4、oops = 5,2,4,6,8,10,12,14,16,18,Time (seconds),5 coefficient Loops,通过计算不同离散时间点的方法完成瞬态模拟 在每个时间点，都需要进行计算迭代,如何求解瞬态问题,.,对稳态计算也有相似的设置 通常的工作流程： 设置分析类型为Transient 指定瞬态求解时间和时间步长 设置物理模型和边界条件 边界条件可以随时间变化 指定初始条件 最好采用符合实际的物理条件, 比如稳态计算结果 指定求解器设置 设定瞬态结果文件(results files), 瞬态统计(transient statistics), 监测点(monitors po

5、ints) 运行求解器,如何求解瞬态问题,.,1. 分析类型,在目录树上编辑Analysis Type，设置option为Transient,.,设置Time Duration 控制求解结束时间 选项: Total Time 求解的总时间 Time Per Run 不计以前计算的所有时间 Maximum Number of Timesteps 包括以前所完成的计算时间步 Number of Timesteps per Run 对本次求解有效. 不计以前完成的时间步,2. 时间长度和步长,.,2.时间长度和步长,设置Time Step size 控制两计算时间点之间的间隔 选项: Timeste

6、ps / Timesteps for the Run 可采用不同的方式, 例如 0.001 0.001, 0.002, 0.002, 0.003 5*0.001, 10*0.05, 20*0.06 Adaptive 通过设定收敛标准或Courant数的方法，在规定的范围内，时间步可以动态的改变,.,2.时间长度和步长,在瞬态模拟中，时间步尺寸是一个很重要的参数 求解与时间相关的特征的时候，需要时间步较小 ,实际值,时间步较大， 求解点通常不能反映真实的现象,小的时间步， 求解点可以反映真实的现象,.,2.时间长度和步长, 为了维持求解器的稳定性，也需要较小的时间步 关心的量可能变化缓慢 (例如

7、. 固体内的稳定变化), 如果其它量(如, 速度)具有较小的时间尺度，就不能采用较大的时间步 Courant数常用于评估时间步: 在一个时间步内，流体通过的网格的数目 Courant数通常介于2 10之间, 但在一些情况下该值稍高也可以接受 平均的Courant数和最大Courant数在每个时间步求解器.out文件中会显示出来 小的时间步会加速收敛,.,必要的情况下, 边界条件可以是时间的函数 速度, 质量流, 压力条件, 温度, 等. 都能作为函数表达式 在CEL表达式中使用 “t”或者“Time”,3. 边界条件,.,最好采用与物理实际符合的初值条件 经常采用稳态计算的收敛解作为初值 瞬态

8、模拟的初值越准确，瞬态计算得到的初值就越精确 前面几个时间步可能不收敛 为了保证求解器的稳定性，瞬态计算的最初阶段需要较小的时间步 计算获得稳定(周期模式)后，可以忽略开始的几个循环,2,4,6,8,10,12,14,16,Time (seconds),4. 初始化,Residuals,.,Transient scheme定义瞬态项的数值算法 两个隐式时间步格式可选: First Order Backward Euler (更稳定) Second Order Backward Euler (更精确) 对大多数瞬态模拟，推荐采用默认的Second Order Backward Euler格式 T

9、imestep Initialisation控制前一时间步作为后一时间步计算起点的方式 可以与前一求解的时间步初值(Previous Timestep)保持一致 或求解器可以通过对前一求解的外推(extrapolate ), 以获得一更好的计算起点 在高Courant数的情况下，不推荐使用 Automatic (默认)模式 ，根据Courant数的大小在两种模式之间进行切换,5. 求解控制,.,Min. 和 Max. Coeff. Loops设置每个时间步内的迭代次数的上下限 争取每个时间步可以在3-5个循环内达到收敛 Complex physics may need more loops 如

10、果在最大循环内没有达到收敛，通常来说减小时间步是较好的选择，而不是增加循环次数 不管收敛与否，求解将转到下一个时间步 监测求解很重要,5.求解控制,.,瞬态结果(Transient Results) 默认只写出最后的res文件 不包含瞬态求解信息 需要在Output控制下定义Transient Results Transient Results选项 Standard 写出包括全部结果的文件 将占据大量的磁盘空间 Smallest 写出最小文件，该文件依然可以作为重新计算的初值文件 (文件依然较大) Selected Variables 写出选取的关心的变量，文件将较小 Output Frequ

11、ency 控制结果文件写出的频率,6. 输出控制,.,瞬态统计(Transient Statistics) 对求解变量生成求解统计 Option：算法平均(Arithmetic Average), RMS, Minimum, Maximum, Standard Deviation和Full (everything) 拾取关心的变量 Start和Stop Iteration List：定义收集统计开始和结束的时间,6.输出控制,.,6.输出控制,Monitor Points通常用于稳态模拟 Monitor Coefficient Loop Convergence在时间步内为每个迭代创建监测记录 用于观察关心量在时间步内是否在收敛 默认的仅仅显示时间步末的检测值 Tip: 监测一个表达式