CFD++基本培训.ppt

1、Introduction to CFD+,Best Practices,概 述,2,内存需求、精度需求 低速流动及预处理 计算域的初始化 化学反应 湍流模型 远场边界条件 高速流及数值格式 ,计算内存要求,3,典型7方程（两方程湍流模型）无zonal边界的工况下，每1G内存所能处理的单元数：,单、双精度,4,对大尺寸比单元（如2000），如solve-to-wall网格，建议使用双精度； 高海拔、稀薄气体时可能需要双精度； 使用双精度可能在一些驻点求解上改善残差的收敛。,计算域的选择,5,分别求解亚音速和超音速流动时请不要使用相同的网格； 对亚音速流动，建议取远场边界为模型长度的20-40倍长

2、； 对超音速流动，可让模型距来流方向更近一些。,（a）低速流计算域,（b）高速流计算域,低速流及预处理,6,Ma0.3时，使用可压缩理想气体方程； Ma0.3时，使用预处理可压缩理想气体方程； 不可压方程通常要使用预处理。,何时使用预处理？,预处理的一些特殊情形,7,如果计算域内绝大部分是低速但是由高速流驱动产生，则不需要进行预处理； 即使是超音速流动，如果局部有低速区，如产生了较大分离，那么也需要进行预处理；,低速流动,8,低速可压流动模拟中，使用Fluid Properties中的基准压力（如1 atm）； 使用预处理方程时，应当在Riemann Solvers中给出Approximate

3、 System Velocity的估值； 所有的瞬态声学模拟应使用Riemann Solvers中的CFL-based preconditioning limiting。,计算域的初始化,9,整个计算域的初始化：P、T、u或P、r、u 利用cell groups初始化：针对如喷嘴等不容易放入一个box内的几何模型时比较有用，另外也可处理多孔介质。,使用XYZ boxes完成初始化,10,利用长方体或圆柱划定区域分别初始化，用于处理高速流的尾迹区。,化学反应,11,设定组分时，将质量百分比较大的作为最后的或隐藏的组分；或者惰性气体组分也行（通常为N2）； 反应常数的单位必须是是kmol/J/m系

4、统； 反应要在SI单位制下完成。,湍流模型,12,对跨音速流，建议使用Rt模型、realizable k-eps模型、S-A模型或Menter SST模型； 对高超流，使用Rt模型或realizable k-eps模型需考虑传热； 对外部绕流，即模型距进口边界较远使用k-eps-Rt模型或realizable k-eps模型时应选择Turbulence Control中的“Freestream k and eps Production Term Controls ”； 对自由剪切流，应选用q-L、cubic k-eps或者RSTM模型； 对瞬态流动，应选用cubic k-eps或LNS模型；

5、对驻点流，建议使用k-L模型； 其他流动类型，选择realizable k-eps模型。,湍流初始化及进口边界,13,用户应尽可能将实验数据应用到初始/自由来流条件中，包括湍动能和湍流尺度的数据； 如果没有湍流的具体数据，我们建议：,内流：,设定湍流强度在1%到3%之间，湍流尺度为进口面积的平方根。,设定湍流强度在0.1%到1%之间，及湍流尺度，通常比内流大很多，大约在m的量级； 对不允许自由流湍流衰减的模型（如Rt、SA、k-e-Rt），用户不需要指定湍流尺度，而是湍流分子粘性比T/ ，应当小于1，约为0.2； 使用undamped涡粘比的模型uT/（Rt、k-e-Rt、k-e、q-L、k-

6、L、RSTM），用户应设置3uT/5；,外流：,选定y+后，Turbulence Initialization Tool会给出第一层网格的估值。,近壁网格的处理,14,选用尽可能小的增长率，以便得到较为合理的第一层网格信息； 下图为添加理想壁面函数的solve-to-wall网格（y+1）： 大量的近壁单元组成了一个红色单元，即壁面函数网格的第一层网格尺寸； 增长率应小于1.1。,湍流控制建议,15,先进的two-layer壁面函数包括三种模式：,平衡模式：应用于y+20的网格 非平衡模式：应用于y+20的网格 Blended模式：对任何y+水平都适用,较粗糙的网格适用壁面函数时（y+500）

7、，设置damping function为1。,湍流：源项控制,16,之前通过source term inactive regions来实现（groups或cells）； 现在使用“Freestream k and eps Production Term Controls”； 都是用来避免从进口到几何模型之间的湍流耗散； Rt、S-A、k-eps-Rt不需要这样的处理。,远场边界条件,17,对于超音速自由来流，使用Characteristics-Based边界或All Conditions Prescribed边界； 对于环境远场，进口速度使用Pressure/Temperature； 亚音速时

8、，如果边界离得较近，可尝试Physics Source Terms菜单下的Far-field Absorbing Layers。,高速流动,18,流动带有较大分离时，建议利用boxes进行初始化，以避免过早的ACAP； 激活Spatial Discretization中的1st to 2nd order blending。,高速流下的Pressure Switches,19,首先选中Time Integration中的“Help Set Numerics”； 对于有梯度剧烈变化的问题时，选择minimum dissipation中的“LHS and RHS”选项，如较强的激波及膨胀波。,高速流

9、下的Pressure Switches,20,默认情况下，Pressure Switches处于非激活状态，在Riemann Solver中选择激活； 对某些超音速流（Ma数在3到5之间），可以激活hypersonic switch，然后返回到supersonic switch。 对特别复杂的情形，可以尝试pressure gradient detection中的aggressive。,带有壁面冷却的高速流,21,对恒温壁面，使用Wall Temperature Relaxation BC modifier使得模拟由绝热开始，避免过早的ACAP。该选项仅在带有壁面冷却的高Ma数流动时使用。,高

10、海拔及稀薄气体流动,22,对海拔很高、压力变化很大的稀薄气体流动，在Time integration中选择Relaxation要比Multigrid好； 带有分离尾流的稀薄气体流动，压力临界值较低时（p=1e-3 Pa），可将ACAP设置为1st order。,Pressure Ramping Modifier,23,对某些基于压力的边界（背压或驻点压力/温度），计算域中压力变化较大时，Pressure Ramping边界条件可以降低初始的瞬变。,Time-step Spatial Smoothing,24,网格中相邻单元的大小相差太大，会导致非物理的结果； 网格中相邻单元大小变化剧烈时，激活

11、2nd Time Integration中的Time-step Spatial Smoothing选项，用来平滑该区域内时间步长的变化。,Help Set Numerics,25,仔细阅读相关的设置提示； 2nd Time Integration中的“Help Set Numerics”可用来优化参数的设置。,收敛困难,26,CFD+在稳态求解过程中，残差一般会下降4-5个量级。如收敛困难，建议如下：,对低速气体流动，确保选择了经过预处理的方程类型； 对低速内流，需激活Riemann solver菜单中的pressure acceleration； 对不可压内流，需激活Time-Integra

12、tion菜单中的mass-balance acceleration; 对于湍流，请检查turbulence levels；对内流，确保内流边界的湍流至层流eddy viscosity ratio是合理的； 将网格的y+值作为输出项进行监测，对5y+15的区域，建议变更为non-equilibrium wall function； 查看time smoothing选项是否打开，有些情况下，将smoothing factor由默认的0.75更改为0.5会有利于收敛； 如果正在使用minmod polynomial limiter，可尝试改为continous limiter（上述选项在spatial discretization菜单中），应当注意continuous limiter比minmod limiter的耗散略大一些。,高速流动中的ACAP,27,Initialization 对Ma数大于3的流动初始化时，建议使用“Initialization by Boxes”。用户可以使用该选项创建速度为零的区域。 Discretization blending 用户可应用该选项使计算从一阶开始，缓慢调和至二阶精度。“Help Set Numerics”选项可激活该选项。 Pressure Switch