Fluent软件的使用(2).pptx

1、航空工程大型通用软件计算流体力学FLUENT软件,教 师：郭昊 办公室：新主楼C1114 电 话：82339592 电 邮：,FLUENT软件的使用（2）,边界条件的种类 求解器的设置 湍流模拟方法,边界条件的种类,定义边界条件,为了保证流场解的唯一性，必须在流场边界处给出流动信息 描述进出流场区域的质量、动量和能量。 定义边界条件包括: 定义边界的位置 给出边界的流动信息 边界处所需的流动信息，取决于边界条件的类型和计算采用的物理模型。 不恰当的边界条件对流场解具有显著的影响。,确定边界位置 An Example,Fuel,Air,Combustor Wall,Manifold box,No

2、zzle,多支管的上游 可以使用均匀的入口剖面 计算中能够模拟预混效果 无需使用预先混合的反应模型 要求的网格数量较多 喷嘴进口平面 要求精确的入口剖面 无需用预先混合的反应模型 喷嘴出口平面 要求精确的入口剖面 采用预混反应模型 通常不被推荐，因为入口剖面 将会驱动内部的流动,一般性指导原则,在垂直于边界的方向上，不应该有较大的梯度 在边界处保证网格的正交性最好 否则将会引进计算误差,可用的边界条件类型,外部边界 通用的 压力入口 压力出口 不可压缩流动 速度入口 流动出口Outflow 可压缩流动 质量流量入口 压力远场 其他的 壁面 对称边界 轴边界 周期边界 特殊的 进口通风/出口通风

3、 吸气风扇/排气风扇,可用的边界条件类型,内部边界 风扇 Interior 多孔跳跃 散热面 壁面,改变边界条件的类型,边界的类型最初在前处理软件中定义。 通过下列方式可以改变边界条件的类型: 在Zone类表中选择名字 在Type类表中选择需要的边界条件类型,设置边界条件的参数,在边界条件面板中输入数据 可以直接设置 可以通过拷贝的方法设置 可以通过UDFs 和 profiles文件定义边界条件 Profiles文件的生成方法: 从其他CFD 计算结果生成profile文件 将边界条件数据编辑为格式化文本文件,速度入口Velocity Inlet,描述速度的三种方法 Magnitude, No

4、rmal to Boundary Components Magnitude and Direction 除非使用UDF或者profile文件，否则只能使用均匀的速度剖面。 通常用在不可压缩流动中，不推荐在可压缩流动中使用。 速度大小可以是负的，表明正在使用速度出口边界。,压力入口Pressure Inlet,对于可压与不可压流动均适用。 从驻点到入口的无损转换条件。 FLUENT计算入口处的静压和速度 通过边界的质量流率取决于内部的求解和描述的流动方向 要求的信息 总的表压 超音速/初始化的表压 入口的流动方向 湍流的物理量 总温（对于热传导或者可压缩流动）,质量流量入口Mass Flow I

5、nlet,为可压流设计，也可用于不可压流。 总的压力被调整来满足质量流量 比压力入口的收敛难度大 要求的信息 质量流率（kg/s）者质量流量（ kg/s.m.m ） 超音速/初始化的表压 流动局部超音速的静压；如果流动亚音速，则被忽略；如果流场从该边界开始初始化，该表压将被应用初始化计算。 总温（关于热现象） 对于不可压缩流动将被用作静温 流动方向的描述方法,压力出口Pressure Outlet,适合于可压和不可压流动 如果出口局部流动为超音速，则描述的压力被忽略。 要求的信息 表压（静压）流动出口的环境静压 回流物理量如果回流发生时被当做入口条件（像入口一样）,出流边界Outflow,不要

6、求提供压力和速度信息 边界的信息通过内部外插得到。 在边界处采用质量平衡修正。 在出流边界上，所有物理量的法向梯度为零。 对于出流完全发展的情况比较合适。 出流边界被设计用于不可压缩流动。 只能够和速度入口边界联合使用 不能够用于变密度的非定常流动。 当发生回流的时候，收敛性能较差。 如果最终流场解中含有回流，该边界不能够使用。,压力远场Pressure Far Field,用来模拟无穷远处自由可压缩流动条件，需要描述静压和自由流的马赫数。 只有采用理想气体定律计算密度时，该边界条件才可用。,壁面边界Wall Boundaries,在粘流中，壁面可以应用无滑移边界条件 可以计算剪切应力 热边界

7、条件 几种热边界条件类型是可用的。 壁面材料和厚度可以定义为一维或者壳条件来进行热传导计算 对于湍流可以定义壁面粗糙度 壁面的剪切应力和热传导 基于局部流场进行计算 壁面边界条件上也能够指派 平移或者旋转边界条件,对称边界和轴边界Symmetry and Axis Boundaries,对称边界 流场和几何必须是对称的 对称面处的法向速度为零 对称面处所有物理量的法向梯度为零 轴边界 被用作轴对称问题的中心 不要求任何输入 必须与X轴方向一致,Symmetry Planes,Axis,周期边界Periodic Boundaries,减少网格数量 流场和几何必须包含旋转或者流动方向的周期性 旋转

8、周期 在周期平面上的P = 0 平移周期 通过周期平面有压降P 模拟流动完全发展的情况，或者 描述每个周期的平均压降 如果在网格中未事先定义 周期边界条件，也可以在 TUI中进行定义:/mesh/modify-zones/make-periodic,内部面边界Internal Face Boundaries,仅仅能够在内部单元的面上定义 内部边界的厚度为零。 利用内部边界可以在流场属性中引入阶跃变化 内部边界用来表示不同的物理模型 风扇 散热器 多孔的跳跃模型Porous-jump models 内部壁面,求解器的设置,求解过程概述,设置求解方法及参数 选择求解方法 选择离散格式 设置松弛因子

9、 初始化流场 收敛控制 监视收敛 稳定性 加速收敛 精度控制 网格独立性 网格自适应,可用的求解器,Fluent提供两种求解器压力基的和密度基的。 压力基的求解器将速度和压力（或者压力修正量）作为基本变量 从连续方程推导压力修正方程 压力基求解器包含两种算法： 分离求解器，顺序求解动量方程和压力修正方程 耦合求解器，同时求解动量方程和压力修正方程,密度基的耦合求解器 质量、动量、能量和组分方程以一种矢量的形式同时求解。 压力通过状态方程求解。 额外的标量方程通过解耦的方式求解。 密度基的求解器有隐式和显式两种形式。 Implicit ：用高斯-赛德尔方法求解 Explicit： 用多步龙格-库

10、塔显示时间积分方法求解,可用的求解器,选择求解器,压力基的分离求解器具有很宽的适用范围，从低速不可压缩流动到高速可压缩流动。 要求的内存较小 求解过程具有较好的灵活性 压力基的耦合求解器对于大多数的单相流都是适用的。 比分离求解器要求多1.52 倍的内存,选择求解器,密度基的耦合求解器适用于密度、能量、动量和组分之间具有强烈耦合的情况。 例如，带有燃烧的高速可压缩流动，高超声速流动，激波干扰。 隐式的性能通常高于显式，因为显式对于时间步长具有严格的限制。,压力速度耦合方法,当使用压力基求解时，压力速度耦合算法（通过连续方程推导出压力修正方程）有三种。 Semi-Implicit Method

11、for Pressure-Linked Equations (SIMPLE) 默认方法，鲁棒性很强。 SIMPLE-Consistent (SIMPLEC) 对于简单问题具有较快的收敛速度，例如层流。 Pressure-Implicit with Splitting of Operators (PISO) 对于非定常流动，或者网格质量较差时有用。,对流项插值格式,控制体中心的物理量必须被插值到控制体表面 对流项的离散格式： First-Order Upwind 收敛容易，但是只有一阶精度。 Power Law 当Recell 5 (典型的低雷诺数)时，比一阶格式具有更高的精度。,对流项插值格式

12、,对流项的插值格式： Second-Order Upwind 具有二阶精度，当采用三角形/四面体网格或者网格没有沿着流动方向布置时是十分必要的，收敛速度较慢。 Monotone Upstream-Centered Schemes for Conservation Laws (MUSCL) 应用于非结构网格的局部三阶对流项离散格式，在计算二次流、漩涡等方面具有较高的精度。 Quadratic Upwind Interpolation (QUICK) 适用于四边形/六面体网格和混合网格，对于旋转流动非常有用，在均匀网格上具有三阶精度。,压力的插值格式,使用压力基的分离求解器时，控制体表面的压力插值

13、格式： Standard 默认格式，对于边界附近压力梯度较大的流动，精度降低 (当流场中具有压力陡变时不能用，而应使用 PRESTO! 格式) PRESTO! 应用于强旋转流动，压力梯度较大的流动（多孔介质，风扇模型），或者在壁面强弯曲的区域。 Linear 在其他格式收敛困难或产生非物理解时使用。 Second-Order 用于可压缩流动，不能够和多孔介质，跳跃，风扇，或者VOF/Mixture多相流模型公用。 Body Force Weighted 当体力较大时使用，例如高Ra数的自然对流和强旋转流动。,梯度的插值格式,为了计算扩散通量，需要求解控制体表面的变量梯度。 梯度计算方法： Gr

14、een-Gauss Cell-Based 默认方法，存在虚假扩散。 Green-Gauss Node-Based 精度提高，虚假扩散减小，在三角形/四面体网格时推荐使用。 Least-Squares Cell-Based 建议多面体网格使用，与Node-based梯度计算方法具有相同的精度与特性。,初始化,FLUENT 要求对所有的变量初始化 接近真实的初场将提高解的稳定性，并加速收敛 可以对特定区域内个别变量的初值进行调整 自由射流（射流区速度较高） 燃烧问题(高温区) Cell registers 能够被用来调整计算区域内不同部分的初始值,收敛,下列几项被满足时，可以认为流场收敛： 所有方

15、程的求解达到设定的残差标准，或者流场不在随着求解过程发生变化。 质量、动量、能量和组分在全局达到平衡。 利用残差的历史来监视收敛 残差降到 10-3表明流场在定性上已经收敛了。 无量纲的能量残差应该降到 10-6 (对于压力基的求解器)。 无量纲的组分残差应该降到10-5 才能达到组分平衡 监视其他量的收敛 监视其他的主要物理量达到收敛状态 确保质量/热/组分达到总的守恒,收敛监视 Residuals,Residual plots show when the residual values have reached the specified tolerance.,收敛监视 Forces an

16、d Surfaces,检查总的通量守恒,除了监视残差和变量的历史，也要检查总的热量和质量守恒。 净通量的不平衡应该小于区域边界上最小通量的 1% 。,减小残差收敛标准,如果残差表明求解过程收敛，但是流场仍然改变或者有一个较大的质量/热量不平衡，这就表明求解过程还没有收敛。 此时，需要的工作： 降低残差收敛标准或者关闭检测残差 继续计算直到流场收敛,收敛困难,数值不稳定的原因可能有：问题不适定，网格质量较差，求解器设置不合理。 表现为残差增长（发散）或者不降。 发散的残差意味着守恒方程的不守恒加剧。 没有收敛的结果具有很大的误导性。 解决办法 确保问题设置的正确性； 使用一阶离散格式计算初场；

17、对于压力基的求解器，降低有收敛 问题的方程的松弛因子； 对于密度基的求解器，降低Courant 数； 对于长细比较大或者网格正交性较差 的网格进行重画。,Continuity equation convergence trouble affects convergence of all equations.,修改松弛因子,对于压力基的求解器，引进松弛因子 就是为了提高求解过程的稳定性。 使用默认的松弛因子进行计算 降低动量方程的松弛因子通常有助于收敛 对于大多数问题，默认的设置是合理的 可以根据需要对其进行减低 适当的设置来自于经验 对于密度基的求解器，对于耦合方程组以外的方程，其松弛因子的设

18、置和压力基求解器一样。,修改Courant数,在密度基求解器中，即使对于定常问题，也包含瞬态项 Courant数用于定义时间步长 对于密度基的显示求解器 稳定性要求Courant数具有上限 不能大于2 当收敛困难时降低Courant数 对于密度基的隐式求解器 稳定性对Courant 数没有限制,加速收敛,加速收敛的几种方法: 提供较好的初场 从以前的计算结果开始计算(file/interpolation) 逐步增加松弛因子或者Courant数 较高的值将会引起求解过程不稳定 在继续迭代之前应当存储case and data文件,精度,收敛的解不一定是正确的解。 通常利用已有数据，物理原理，来检

19、查和评估计算解。 最终的结果使用二阶迎风离散格式。 确保最终的解具有网格独立性 使用只适应方法进行网格独立性研究 如果流动的特征不合理 重新考虑物理模型和边界条件 检查网格质量，并考虑重新划分网格 重新确定边界条件的位置：不适当的计算区域将会显著地影响计算精度,网格质量和精度,提高精度的方法 使用高阶的离散格式 使网格顺着流向布置，最小化假扩散 细化网格 求解流动的主要特征要求足够的网格密度 网格尺寸减小，插值误差降低 在非均匀网格中，需要最小化网格的尺寸变化 在均匀网格中，截断误差是最小的。 最小化网格的正交性和长细比 应该避免长细比大于5:1（但是边界层内允许较大的长细比） 最优的四边形/

20、六面体网格是90度 最优的三角形/四面体网格是等边的,网格独立性的解,当网格细化后流场解不再改变，称为网格独立的解 下面列出了获得网格独立解的过程 生成一套新的细网格 返回网格生成软件，重新生成网格 使用Fluent中基于流场解的网格自适应能力 继续计算直到收敛 比较不同网格计算的结果 如果有必要，重复上述过程,湍流模拟方法,湍流特征,湍流具有非定常的、三维的、周期性的漩涡运动特征，即脉动特征，能够增强动量掺混、热量传递和剪切应力。 湍流脉动在空间上和时间上都是随机的，但是湍流脉动量的统计平均却能展示其主要输运机理。 所有的湍流中均包含尺度范围很广的漩涡，从小尺度漩涡到大尺度漩涡。 湍流对于初始条件非常敏感，即湍流行为很大程度上取决于初始条件。,湍流结构,小尺度 涡结构,大尺度 涡结构,什么是湍流?,外