干貨 |FLUENT基本概念與常見相關(guān)問題匯總

流體在靜止時(shí)雖不能承受切應(yīng)力,但在運(yùn)動(dòng)時(shí),對相鄰的兩層流體間的相對運(yùn)動(dòng),即相對滑動(dòng)速度卻是有抵抗的,這種抵抗力稱為粘性應(yīng)力。流體所具備的這種抵抗兩層流體相對滑動(dòng)速度,或普遍說來抵抗變形的性質(zhì)稱為粘性。粘性的大小依賴于流體的性質(zhì),并顯著地隨溫度變化。實(shí)驗(yàn)表明,粘性應(yīng)力的大小與粘性及相對速度成正比。當(dāng)流體的粘性較小(實(shí)際上最重要的流體如空氣、水等的粘性都是很小的),運(yùn)動(dòng)的相對速度也不大時(shí),所產(chǎn)生的粘性應(yīng)力比起其他類型的力如慣性力可忽咯小計(jì)。此時(shí)我們可以近似地把流體看成無粘性的, 這樣的流體稱為理想流體。十分明顯,埋想流體對于切向變形沒有任何抗拒能力。這樣對于粘性而言,我們可以將流體分為理想流體和粘性流體兩大類。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出,真正的理想流體在客觀實(shí)際中是不存在的,它只是實(shí)際流體在某些條件下的一種近似模型。

日常生活和工程實(shí)踐中最常遇到的流體其切應(yīng)力與剪切變形速率符合線性關(guān)系, 稱為牛頓流體。而切應(yīng)力與變形速率不成線性關(guān)系者稱為非牛頓流體。非牛頓流體中又因其切應(yīng)力與變形速率關(guān)系特點(diǎn)分為膨脹性流體,擬塑性流體,具有屈服應(yīng)力的理想賓厄流體和塑性流體等。通常油脂、油漆、牛奶、牙音、血液、泥漿等均為非牛頓流體。非牛頓流體的研究在化纖、塑料、石油、化工、食品及很多輕工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。對于有些非牛頓流體,其粘滯特性具有時(shí)間效應(yīng),即剪切應(yīng)力不僅與變形速率有關(guān)而且與作用時(shí)間有關(guān)。當(dāng)變形速率保持常量,切應(yīng)力隨時(shí)間增大,這種非牛頓流體稱為震凝性流體。當(dāng)變形速率保持常量而切應(yīng)力隨時(shí)間減小的非牛頓流體則稱為觸變性流體。

在流體的運(yùn)動(dòng)過程中,由于壓力、溫度等因素的改變,流體質(zhì)點(diǎn)的體積(或密度,因質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量一定),或多或少有所改變。流體質(zhì)點(diǎn)的體積或密度在受到一定壓力差或溫度差的條件下可以改變的這個(gè)性質(zhì)稱為壓縮性。真實(shí)流體都是可以壓縮的。它的壓縮程度依賴于流體的性質(zhì)及外界的條件。例如水在100個(gè)大氣壓下,容積縮小0.5%,溫度從20℃變化到100℃,容積降低4%。因此在一股情況下液體可以近似地看成不可壓的。但是在某些特姝問題屮,例如水中爆炸或水擊等問題,則必須把液體看作是可壓縮的。氣體的壓縮性比液體大得多,所以在一般情形下應(yīng)該當(dāng)作可壓縮流體處理。但是如果壓力差較小,運(yùn)動(dòng)速度較小,并且沒有很大的溫度差,則實(shí)際上氣體所產(chǎn)生的體積變化也不大。此時(shí),也可以近似地將氣體視為不可積縮的。

在可壓縮流體的連續(xù)方程中含密度,因而可把密度視為連續(xù)方程中的獨(dú)立變量進(jìn)行求解, 再根據(jù)氣體的狀態(tài)方程求出壓力。不可壓流體的壓力場是通過連續(xù)方程間接規(guī)定的。由干沒有直接求解壓力的方程,不可壓流體的流動(dòng)方程的求解具有其特殊的困難。

實(shí)驗(yàn)表明,粘性流體運(yùn)動(dòng)有兩種形態(tài),即層流和湍流。這兩種形態(tài)的性質(zhì)截然不同。層流的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)則,各部分分層流動(dòng)互不摻混,質(zhì)點(diǎn)的軌線是光滑的,而且流動(dòng)穩(wěn)定。湍流的特征則完全相反,流體運(yùn)動(dòng)極不規(guī)則,各部分激烈摻混,質(zhì)點(diǎn)的軌線雜亂無章,而且流場極不穩(wěn)定。這兩種截然不同的運(yùn)動(dòng)形態(tài)在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。

以時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)流體流動(dòng)的物理量(如速度、壓力、溫度等)是否隨時(shí)間變化,將流動(dòng)分為定常與非定常兩大類。當(dāng)流動(dòng)的物理量不隨時(shí)間變化,為定常流動(dòng);反之稱為非定常流動(dòng)。定常流動(dòng)也稱為恒定流動(dòng),或者穩(wěn)態(tài)流動(dòng):非定常流動(dòng)也稱為非恒定流動(dòng)、非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。許多流體機(jī)械在起動(dòng)或關(guān)機(jī)時(shí)的流體流動(dòng)一般是非定常流動(dòng),而正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可看作是定常流動(dòng)。

當(dāng)氣流速度很大或者流場壓力變化很大時(shí),流體就受到了壓速性的影響。馬赫數(shù)定義為當(dāng)?shù)厮俣扰c當(dāng)?shù)匾羲僦?。?dāng)馬赫數(shù)小于1時(shí),流動(dòng)為亞音速流動(dòng);當(dāng)馬赫數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 (如M<0.1)時(shí),流體的可壓速性及壓力脈動(dòng)對密度變化影響都可以忽略。當(dāng)馬赫數(shù)接近1時(shí)候(跨音速),可壓速性影響就顯得十分重要了。如果馬赫數(shù)大于1,流體就變?yōu)槌羲倭鲃?dòng)。

除了粘性外,流體還有熱傳導(dǎo)及擴(kuò)散等性質(zhì)。當(dāng)流體中存在溫度差時(shí),溫度高的地方將向溫度低的地方傳送熱量,這種現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)。同樣地,當(dāng)流體混合物中存在組元的濃度差時(shí),濃度高的地方將向濃度低的地方輸送該組元的物質(zhì),這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。

流體的宏觀性質(zhì),如擴(kuò)散、粘性和熱傳導(dǎo)等,是分子輸運(yùn)性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)平均。由于分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng),在各層流體間交換著質(zhì)量、動(dòng)量和能量,使不同流體層內(nèi)的平均物理量均勻化, 這種性質(zhì)稱為分于運(yùn)動(dòng)的輸運(yùn)性質(zhì)。質(zhì)量輸運(yùn)宏觀上表現(xiàn)為擴(kuò)散現(xiàn)象,動(dòng)量輸運(yùn)表現(xiàn)為粘性現(xiàn)象,能量輸運(yùn)表象為熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。

理想流體忽略了粘性,即忽略了分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量輸運(yùn)性質(zhì),因此在理想流體中也不應(yīng)考慮質(zhì)量和能量輸運(yùn)性質(zhì)——擴(kuò)散和熱傳導(dǎo),因?yàn)樗鼈兙哂邢嗤奈⒂^機(jī)制。

我們知道描述流體流動(dòng)及傳熱等物理問題的基本方程為偏微分方程,想要得它們的解析解或者近似解析解,在絕大多數(shù)情況下都是非常困難的,甚至是不可能的。CFD的基本思想就是把原來在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場,如速度場,壓力場等,用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替,通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組,然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近值。這個(gè)將連續(xù)的偏微分方程組及其定解條件按照某種方法遵循特定的規(guī)則在計(jì)算區(qū)域的離散網(wǎng)格上轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組的過程就是數(shù)值離散;離散點(diǎn)就是我們在計(jì)算前要進(jìn)行的網(wǎng)格劃分;定解條件就是我們在軟件中需要設(shè)置的邊界條件和初始條件。

控制方程的離散方法主要包括:有限差分法,有限元法,有限體積法,邊界元法,譜方法等等。有限差分法,有限元法及有限體積法是最常用的三種方法,且有限體積法是商用CFD軟件普通采用的方法,Fluent就是使用的這種方法。有限元法與有限體積法不同之處在于,有限元法是將物理量存儲(chǔ)在真實(shí)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上,將單元看成由周邊節(jié)點(diǎn)及型函數(shù)構(gòu)成的統(tǒng)一體;有限體積法則是將物理量存儲(chǔ)在網(wǎng)格單元的中心點(diǎn)上,而將單元看成圍繞中心點(diǎn)的控制體積,或者在真實(shí)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上定義和存儲(chǔ)物理量,而在節(jié)點(diǎn)周圍構(gòu)造控制體。

邊界條件與初始條件是控制方程有確定解的前提。

邊界條件是在求解區(qū)域的邊界上所求解的變量或其導(dǎo)數(shù)隨時(shí)間和地點(diǎn)的變化規(guī)律。對于任何問題,都需要給定邊界條件。

初始條件是所研究對象在過程開始時(shí)刻各個(gè)求解變量的空間分布情況,對于瞬態(tài)問題,必須給定初始條件,對于穩(wěn)態(tài)問題初始條件理論上不會(huì)影響計(jì)算的精度和準(zhǔn)確性,但會(huì)影響計(jì)算收斂的速度。

在瞬態(tài)問題中,給定初始條件時(shí)要注意的是:要針對所有計(jì)算變量,給定整個(gè)計(jì)算域內(nèi)各單元的初始條件;初始條件一定是物理上合理的,要靠經(jīng)驗(yàn)或?qū)崪y結(jié)果獲得。

數(shù)值計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的誤差來源只要有這幾個(gè):物埋模型近似誤差(無粘或有粘,定常與非定常,二維或三維等等〕,差分方程的截?cái)嗾`差及求解區(qū)域的離散誤差(這兩種誤差通常統(tǒng)稱為離散誤差),迭代誤差(離散后的代數(shù)方程組的求解方法以及迭代次數(shù)所產(chǎn)生的誤差),舍入誤差(計(jì)算機(jī)只能用有限位存儲(chǔ)計(jì)算物理量所產(chǎn)生的誤差)等等。在通常的計(jì)算中,離散誤差隨網(wǎng)格變細(xì)而減小,但由于網(wǎng)格變細(xì)時(shí),離散點(diǎn)數(shù)增多,舍入誤差也隨之加大。 由此可見,網(wǎng)格數(shù)量并不是越多越好的。

由上面的介紹,網(wǎng)格數(shù)太密或者太疏都可能產(chǎn)生誤差過大的計(jì)算結(jié)果,網(wǎng)格數(shù)在一定的范圍內(nèi)的結(jié)果才與實(shí)驗(yàn)值比較接近,這樣在劃分網(wǎng)格時(shí)就要求我們首先依據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)大致劃分一個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較(如果沒有實(shí)驗(yàn)值,則不需要比較,后面的比較與此類型相同),再酌情加密或減少網(wǎng)格,再進(jìn)行計(jì)算,再與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較,并與前一次計(jì)算結(jié)果比較,如果兩次的計(jì)算結(jié)果相差較小(例如在2%),說明這一范圍的網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果是可信的,即計(jì)算結(jié)果是網(wǎng)格無關(guān)的。再加密網(wǎng)格已經(jīng)沒有什么意義(除非你要求的計(jì)算精度較高)。 但是,如果你用粗網(wǎng)格也能得到相差很小的計(jì)算結(jié)果,從計(jì)算效率上講,就可以完全使用粗網(wǎng)格去完成你的計(jì)算。加密或者減少網(wǎng)格數(shù)量,可以以一倍的量級進(jìn)行。

判斷網(wǎng)格質(zhì)量的主要因素有(以Gambit軟件為例):

Aspect Ratio長寬比,不同的網(wǎng)格單元有不同的計(jì)算方法,等于1是最好的單元,如正三角形, 正四邊形,正四面體,正六面體等,一般情況下不要超過5:1。

• Diagonal Ratio對角線之比,僅適用于四邊形和六面體單元,默認(rèn)是大于或等于1的,該值越高,說明單元越不規(guī)則,最好等于1,也就是正四邊形或正六面體。

• Edge Ratio長邊與最短邊長度之比,大于或等于1,最好等于1,解釋同上

• EquiAngle Skew通過單元夾角計(jì)算的歪斜度,在0到1之間,0為質(zhì)量最好,1為質(zhì)量最差,最好是要控制在0到0.4之間。

• EquiSize Skew通過單元大小計(jì)算的歪斜度,在0到1之間,0為質(zhì)量最好,1為質(zhì)量最差。2D質(zhì)量好的單元該值最好在0.1以內(nèi),3D單元在0.4以內(nèi)。

• MidAngle Skew通過單元邊中點(diǎn)連線夾角計(jì)算的歪斜度,僅適用于四邊形和六面體單元,在0到1之間,0為質(zhì)量最好,1為質(zhì)量最差。

• Size Change相鄰單元大小之比,僅適用于3D單元,最好控制在2以內(nèi)。

• Stretch伸展度。通過單元的對角線長度與邊長計(jì)算出來的,僅適用于四邊形和六面體單元,在0到1之間,0為質(zhì)景最好,1為質(zhì)量最差。

• Taper錐度。僅適用于四邊形和六面體單元,在0到1之間,0為質(zhì)量最好,1為質(zhì)量最差。

• Volume單元體積,僅適用于3D單元,劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)負(fù)體積。

• Warpage翹曲。僅適用于四邊形和六面體單元,在0到1之間,0為質(zhì)量最好,1為質(zhì)量最差。

判斷計(jì)算結(jié)果是否收斂一般要滿足以下條件:

設(shè)置觀察點(diǎn),觀察點(diǎn)處的變量值不再隨計(jì)算步驟的增加而變化;各個(gè)參數(shù)的殘差隨計(jì)算步數(shù)的増加而降低,最后趨于平緩;滿足質(zhì)量守恒(計(jì)算中不涉及能量)或者是質(zhì)量與能量守恒(計(jì)算中牽涉及能量)。

特別要指出的是,即使前兩個(gè)判據(jù)都已經(jīng)滿足了,也并不表示已經(jīng)得到合理的收斂解了,因?yàn)槿绻沙谝蛴谠O(shè)置得太緊,各參數(shù)在每步計(jì)算的變化都不是太大,也會(huì)使前兩個(gè)判據(jù)得到滿足,此時(shí)就要再看笫三個(gè)判據(jù)了。

還需要說明的就是,一般我們都希望在收斂的情況下,殘差越小越好,但是殘差曲線是全場求平均的結(jié)果,有時(shí)其大小并不一定代表計(jì)算結(jié)果的好壞,有時(shí)即使計(jì)算的殘差很大,但結(jié)果也許是好的,關(guān)鍵是要看計(jì)箅結(jié)果是否符合物理事實(shí),即殘差的大小與模擬的物理現(xiàn)象本身的復(fù)雜性有關(guān),必須從實(shí)際物理現(xiàn)象上看計(jì)箅結(jié)果。比如說一個(gè)全機(jī)模型,在大攻角情況下, 解震蕩得非常厲害,而且殘差的量級也總下不去,但這仍然是正確的,因?yàn)榇蠊ソ窍聦?shí)際流動(dòng)情形就是這樣的,不斷有渦的周期性脫落,流場本身就是非定常的,所以解也是波動(dòng)的,處理的時(shí)候取平均就可以了。

由于流體力學(xué)中要求解非線性的方程,在求解過程中,控制變量的變化是很必要的,這就通過松弛因子來實(shí)現(xiàn)的。它控制變量在每次迭代中的變化。也就是說,變量的新值為原值加上變化量乘以松弛因子。

所謂亞松弛就是將本層次計(jì)算結(jié)果與上一層次結(jié)果的差值作適當(dāng)縮減,以避免由于差值過大而引起非線性迭代過程的發(fā)散。用通用變量 來寫出時(shí),為松弛因子,由于FLUENT所解方程組的非線性,我們有必要控制變量的變化。一般用亞松弛方法來實(shí)現(xiàn)控制,該方法在每一步迭代中減少了變量的變化量。亞松弛最簡單的形式為單元內(nèi)變量等于原來的值加上亞松弛因子與變化量的積,分離解算器使用亞松弛來控制每一步迭代中的計(jì)算變量的更新。這就意味著使用分離解算器解的方程,包括耦合解算器所解的非耦合方程(湍流和其他標(biāo)量)都會(huì)有一個(gè)相關(guān)的亞松弛因子。

在FLUENT中,所有變量的默認(rèn)亞松弛因子都是對大多數(shù)問題的最優(yōu)值,一般不需要修改。但是對于一些特殊問題的計(jì)算,如果出現(xiàn)不穩(wěn)定或者發(fā)散就需要減小默認(rèn)的亞松弛因子,其中壓力、動(dòng)量、k和e的亞松弛因子默認(rèn)值分別為0.3,0.7,0.8和0.8。對于SIMPLEC格式一般不需要減小壓力的亞松弛因子。在密度和溫度強(qiáng)烈耦合的問題中,如相當(dāng)高的Rayleigh數(shù)的自然或混合對流流動(dòng),應(yīng)該對溫度和/或密度(所用的亞松弛因于小于1.0)進(jìn)行亞松弛。相反,當(dāng)溫度和動(dòng)量方程沒有耦合或者耦合較弱時(shí),流動(dòng)密度是常數(shù),溫度的亞松弛因子可以設(shè)為1.0。對于其它的標(biāo)量方程,如漩渦,組分,PDF變量,對于某些問題默認(rèn)的亞松弛可能過大,尤其是對于初始計(jì)算,可以將松弛因子設(shè)為0.8以使得收斂更容易。

在FLUENT中,可以使用標(biāo)準(zhǔn)SIMPLE算法和SIMPLEC(SIMPLE-Cinsistent)算法,默認(rèn)是SIMPLE算法,但是對于許多問題如果使用SIMPLEC可能會(huì)得到更好的結(jié)果,尤其是可以應(yīng)用增加的亞松馳迭代時(shí),具體介紹如下:

對于相對簡單的問題(如:沒有附加模型激活的層流流動(dòng)),其收斂性已經(jīng)被壓力速度耦合所限制,通常可以用SIMPLEC,算法很快得到收斂解。在SIMPLEC中,壓力校正亞松馳因子通常設(shè)為1.0,它有助于收斂。但是,在有些問題中,將壓力校正松弛因于增加到1.0可能會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定。對于所有的過渡流動(dòng)計(jì)算,強(qiáng)烈推薦使用PISO算法進(jìn)行鄰近校正,它允許你使用大的時(shí)間步,而且對于動(dòng)量和壓力部可以使用亞松馳因于1.0。對于定常狀態(tài)問題,具有鄰近校正的PISO并不會(huì)比具有較好的亞松馳因子的SIMPLE或SIMPLEC好。對于具有較大扭曲網(wǎng)格上的定常狀態(tài)和過渡計(jì)算推薦使用PISO傾斜校正。當(dāng)你使用PISO鄰近校正時(shí),對所有方程都推薦使用亞松馳因子為1.0或者接近1.0。如果你只對高度扭曲的網(wǎng)格使用朽PISO傾斜校正,請?jiān)O(shè)定動(dòng)量和壓力的亞松馳因子之和為1.0。如果你同時(shí)使用PISO的兩種校正方法,推薦參閱PISO鄰近校正中所用的方法。

注:過渡流是流體的一種流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)流速很小時(shí),流體分層流動(dòng),互不混合,稱為層流,或稱為片流;逐漸增加流速,流體的流線開始出現(xiàn)波浪狀的擺動(dòng),擺動(dòng)的頻率及振幅隨流速的增加而增加,此種流況稱為過渡流;當(dāng)流速增加到很大時(shí),流線不再清楚可辨,流場中有許多小漩渦,稱為湍流,又稱為亂流、擾流或紊流。

邊界層又稱附面層,表示流體中緊接著管壁或其他固定表面的部份。邊界層是由黏滯力產(chǎn)生的效應(yīng),和雷諾數(shù)Re有關(guān)。一般提到的邊界層是指速度的邊界層。在邊界層外,流體的速度接近定值,不隨位置而變化。在邊界層內(nèi),在固定表面上流速為0,距固定表面越遠(yuǎn),速度會(huì)趨近一定值。邊界層內(nèi)從物面 (當(dāng)?shù)厮俣葹榱?開始,沿法線方向至速度與當(dāng)?shù)刈杂闪魉俣萓相等(嚴(yán)格地說是等于0.990或0.995U)的位置之間的距離,記為δ。

y+就是第一層網(wǎng)格質(zhì)心到壁面的無量綱距離,與速度、粘度、剪應(yīng)力等等都有關(guān)系。y+的值合理,意味著你的第一層邊界網(wǎng)格布置比較合理,如果y+不合理,就要調(diào)整你的邊界層網(wǎng)格。

y+普遍存在于湍流問題中,y+是由solver解出來的結(jié)果,網(wǎng)格劃分時(shí),底層網(wǎng)格一般布置到對數(shù)分布律成立的范圍內(nèi),即11.5~30<=y+<=200~400。在計(jì)算開始時(shí),y+并不知道,這些值需要在計(jì)算過程中加以調(diào)整。數(shù)值計(jì)算實(shí)踐表明,y+對傳熱特性的影響比較大,往往存在一個(gè)合適的取值范圍,在該范圍內(nèi)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的符合較好。算每個(gè)模型都要先大概算一下,然后得到y(tǒng)+,然后再算第一層高度,重新畫網(wǎng)格。

一般出現(xiàn)這個(gè)警告的主要原因是網(wǎng)格質(zhì)量的問題,尤其是y+值的問題。在劃分網(wǎng)格的時(shí)候要注意,第一層網(wǎng)格高度非常重要,可以使用NASA的Viscous Grid Space Calculator來計(jì)算第一層網(wǎng)格髙度。如果這方面已經(jīng)注意了,那就可能是邊界條件中有關(guān)湍流的設(shè)置問題。

流體的密度跟壓強(qiáng)和溫度有關(guān),在低速流動(dòng)中,流體壓強(qiáng)變化不大,主要是由于溫度的變化引起密度變化,因此忽略壓強(qiáng)變化引起的密度變化,只考慮溫度變化引起的密度變化叫做Boussinesq假設(shè)。

boussinesq假設(shè)主要適用的實(shí)際工程情況包括:

1. 1.空氣的自然對流。這時(shí),速度較低,動(dòng)量產(chǎn)生的壓力變化導(dǎo)致的密度變化(絕熱)遠(yuǎn)小于溫度變化引起的密度變化,或者是弱強(qiáng)制對流mach數(shù)大大小于1也是可以的;

2. 2.不可壓液體。這時(shí),密度變化主要是由于溫度變化,有限壓力變化不太可能引起密度變化。

Courant數(shù)實(shí)際上是指時(shí)間步長和空間步長的相對關(guān)系。在Fluent中,用Courant數(shù)來調(diào)節(jié)計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂性。一般來說,隨著Courant數(shù)的從小到大的變化,收斂速度逐漸加快,但是穩(wěn)定性逐漸降低。所以,在計(jì)算的過程中,最好是把Courant數(shù)從小開始設(shè)置,看看迭代殘差的收斂情況,如果收斂速度較慢而且比較穩(wěn)定的話,可以適當(dāng)?shù)脑黾覥ourant數(shù)的大小,根裾具體的問題,找出一個(gè)比較合適的Courant數(shù),讓收斂速度能夠足夠的快,而且能夠保持它的穩(wěn)定性。

這個(gè)問題的意思是出現(xiàn)了回流,這個(gè)問題相對于湍流粘性比的警告要寬松一些,有些case可能只在計(jì)算的開始階段出現(xiàn)這個(gè)警告,隨著不斷的迭代計(jì)算,可能會(huì)消失,如果計(jì)算一段時(shí)間之后,警告消失了,那么對計(jì)算結(jié)果是沒有什么影響的,如果這個(gè)警告一直存在,可能需要作以下處理:

1. 如果是模擬外部繞流,出現(xiàn)這個(gè)警告的原因可能是邊界條件取得距離物體不夠遠(yuǎn),如果是邊界條件取的足夠遠(yuǎn),那么可能是該處在計(jì)算的過程中的確存在回流現(xiàn)象。對于可壓縮流動(dòng),邊界最好取在10倍的物體特征長度之處;對于不可壓縮流動(dòng),邊界最好取在4倍的物體特征長度之處。

2. 如果出現(xiàn)了這個(gè)警告,無論對于外部繞流還是內(nèi)部流動(dòng),可以使用壓力出口邊界條代替outflow邊界條件改善這個(gè)問題。

在fluent中會(huì)出現(xiàn)這么幾個(gè)壓力:

• Static pressure(靜壓)

• Dynamic pressure(動(dòng)壓)

• Total pressure(總壓)

這幾個(gè)壓力是流體力學(xué)的概念,它們之間的關(guān)系為:

Total pressure(總壓)= Static pressure(靜壓)+ Dynamic pressure(動(dòng)壓)

滯止壓力等于總壓(因?yàn)闇箟毫妥闼俣葹?時(shí)的壓力,此時(shí)動(dòng)壓為0)Static pressure(靜壓)就是測量的壓力值,比如測量空氣壓力是一個(gè)大氣壓

而在fluent中,又定義了四個(gè)壓力:

• Absolute pressure(絕對壓力)

• Relative pressure (參考壓力)

• Operating pressure(操作壓力)

• gauge pressure(表壓)

它們之間的關(guān)系為:

Absolute pressure(絕對壓力)= Operating pressure(操作壓力)+ gauge pressure(表壓)

對于可壓縮流體,當(dāng)操作壓力設(shè)為0時(shí),表壓就等于絕對壓力

axisymmetric是軸對稱的總思,也就是關(guān)于一個(gè)坐標(biāo)軸對稱,2D的axisymmetric問題仍為2D問題。

而axisymmetric swirl是軸對稱旋轉(zhuǎn)的意思,就是一個(gè)區(qū)域關(guān)于一條坐標(biāo)軸回轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的區(qū)域,這產(chǎn)生的將是一個(gè)回轉(zhuǎn)體,是3D的問題。在Fluent中使用這個(gè),是將一個(gè)3D的問題簡化為2D問題,以減少計(jì)算量,需要注意的是,在Fluent中,回轉(zhuǎn)軸必須是X軸。

Fluent的單雙精度求解器適合于所有的計(jì)算平臺,在大多數(shù)情況下,單精度求解器就能很好地滿足計(jì)算精度要求,且計(jì)算量小。 但在有些情況下推薦使用雙精度求解器:

1. 1.如果幾何體包含完全不同的尺度特征(如一個(gè)長而壁薄的管),用雙精度的;

2. 2.如果模型中存在通過小直徑管道相連的多個(gè)封閉區(qū)域,不同區(qū)域之間存在很大的壓差,用雙精度;

3. 3.對于有較高的熱傳導(dǎo)率的問題或?qū)τ谟休^大的長寬比的網(wǎng)格,用雙精度。

控制方程的擴(kuò)散項(xiàng)一般采用中心差分格式離散,而對流項(xiàng)則可釆用多種不同的格式進(jìn)行離散。Fluent允許用戶為對流項(xiàng)選擇不同的離散格式(注意:粘性項(xiàng)總是自動(dòng)地使用二階精度的離散格式)。默認(rèn)情況下,當(dāng)使用分離式求解器時(shí),所有方程中的對流項(xiàng)均用一階迎風(fēng)格式離散;當(dāng)使用耦合式求解器時(shí),流動(dòng)方程使用二階精度格式,其他方程使用一階精度格式進(jìn)行離散。此外,當(dāng)選擇分離式求解器時(shí),用戶還可為壓力選擇插值方式。

當(dāng)流動(dòng)與網(wǎng)格對齊時(shí),如使用四邊形或六面體網(wǎng)格模擬層流流動(dòng),使用一階精度離散格式是可以接受的,但當(dāng)流動(dòng)斜穿網(wǎng)格線時(shí),一階精度格式將產(chǎn)生明顯的離散誤差(數(shù)值擴(kuò)散)。因此,對于2D三角形及3D四面體網(wǎng)格,注意使用二階精度格式,特別是對復(fù)雜流動(dòng)更是如此。一般來講,在一階精度格式下容易收斂,但精度較差。有時(shí),為了加快計(jì)算速度,可先在一階精度格式下計(jì)算,然后再轉(zhuǎn)到二階精度格式下計(jì)算。如果使用二階精度格式遇到難于收斂的情況,則可考慮改換一階精度格式。

對于轉(zhuǎn)動(dòng)及有旋流的計(jì)算,在使用四邊形及六面體網(wǎng)格式,具有三階精度的QUICK格式可能產(chǎn)生比二階精度更好的結(jié)果。但是,一般情況下,用二階精度就已足夠,即使使用QUICK格式,結(jié)果也不一定好。乘方格式(Power-law Scheme)一般產(chǎn)生與一階精度格式相同精度的結(jié)果。中心差分格式一般只用于大渦模擬,而且要求網(wǎng)格很細(xì)的情況。

在Fluent內(nèi)部,源代碼通過C編譯器被編譯為即時(shí)的、體系結(jié)構(gòu)獨(dú)立的機(jī)器語言。UDF調(diào)用時(shí),機(jī)器編碼通過內(nèi)部模擬器或者解釋器執(zhí)行。額外層次的代碼導(dǎo)致操作不利,但是允許解釋型UDF在不同計(jì)算結(jié)構(gòu),操作系統(tǒng)和Fluent版本上很容易實(shí)現(xiàn)共享。如果迭代速度成為焦點(diǎn)時(shí),解釋型UDF可以不用修改就用編譯編碼直接運(yùn)行。

解釋型UDF使用的解釋器不需要有標(biāo)準(zhǔn)的C編譯器的所有功能。特別是解釋型UDF不含有下列C程序語言部分:

goto語句聲明;

無ANSI-C語法原形;

沒有直接數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)引用;

局部結(jié)構(gòu)的聲明;

聯(lián)合函數(shù)指針;

函數(shù)陣列。

當(dāng)定義了屬性不同的兩個(gè)計(jì)算域(例如A和B區(qū)域),兩個(gè)區(qū)域形成共同的交界面。其中A計(jì)算域的面取 以前的名稱,而B計(jì)算域的面則取該名稱.shadow的名字。在邊界條件中將該表面定義為intreior,則可以將該兩區(qū)域結(jié)合成相連的計(jì)算域。

shadow面通常在兩種情況下出現(xiàn):

1. 當(dāng)一個(gè)wall兩面都是流體域時(shí),那么wall的一面被定義為wall.1,wall的另一面就會(huì)被軟件自動(dòng)定義為wall.1_shadow,它的特性和wall是一樣的,有關(guān)它的處理和wall面沒有什么區(qū)別;

2. 另外一種愔況就是在軟件中把周期性面的周期特性除去時(shí),也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)shadow面,這種情況比較好理解,shadow面和原來的面分別構(gòu)成周期性的兩個(gè)面。

shadow也出現(xiàn)在wall的一面是流體,而另一面是固體的情況。此時(shí)可以進(jìn)行流體-同體的耦合計(jì)算。

殘差一是cell各個(gè)Face的通量之和,當(dāng)收斂后,理論上當(dāng)單元體內(nèi)沒有源相時(shí)各個(gè)面流入的通量也就是對物理量的輸運(yùn)之和應(yīng)該為0。最大殘差或者RSM殘差反映流場與所要模擬流場(指收斂后應(yīng)該得到的流場,當(dāng)然收斂后得到的流場與真實(shí)流場之間還是存在一定的差距)的差距,殘差越小越好,由于存在數(shù)位精度問題,不可能得到0殘差,對于單精度計(jì)算一般應(yīng)該低于初始?xì)埐?e-03以下為好,但還要看具體問題。

一般在Fluent里可以添加進(jìn)出口流量監(jiān)控,當(dāng)殘差收斂到一定程度后,還要看進(jìn)出口流量是否達(dá)到穩(wěn)定平衡,才可以確認(rèn)收斂與否。

殘差在較高位震蕩,需要檢查邊界條件是否合理,其次檢査初始條件是否合適,比如在有激波的流場,初始條件不合適,會(huì)帶來流場的震蕩。有時(shí)流場可能有分離或者回流,這本身是非定?，F(xiàn)象,計(jì)算時(shí)殘差會(huì)在一定程度上發(fā)生震蕩,這時(shí)如果進(jìn)出口流量是否達(dá)到穩(wěn)定平衡,也可以認(rèn)為流場收斂了〔前提是要消除其他不合理因數(shù))。另外Fluent缺損地釆用多重網(wǎng)格,在計(jì)算后期,將多重網(wǎng)格設(shè)置為零可以避免一些 波長的殘差在細(xì)網(wǎng)格上發(fā)生震蕩。

假擴(kuò)散是由于對流—擴(kuò)散方程中一階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)的離散格式的截?cái)嗾`差小于二階而引起較大數(shù)值計(jì)算誤差的現(xiàn)象。有的文獻(xiàn)中將人工粘性(artificial viscosity)或數(shù)值粘性〔numerical viscosity)視為它的同義詞。

現(xiàn)在通常把以下三種原因引起的數(shù)值計(jì)算誤差都?xì)w為假擴(kuò)散:

1. 非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)或?qū)α黜?xiàng)釆用一階截差的格式;

2. 流動(dòng)方向與網(wǎng)格線呈傾斜交叉(多維問題);

3. 建立差分格式時(shí)沒有考慮到非常數(shù)的源項(xiàng)的影響。

為克服或減輕數(shù)值計(jì)算中的假擴(kuò)散(包括流向擴(kuò)散及交叉擴(kuò)散)誤差,應(yīng)當(dāng):

1. 釆用截差階數(shù)較高的格式;

2. 減輕流線與網(wǎng)格線之間的傾斜交叉現(xiàn)象或在構(gòu)造格式時(shí)考慮到來流方向的影響。

3. 至于非常數(shù)源項(xiàng)的問題,目前文獻(xiàn)中,還沒有為克服這種影響而專門構(gòu)造的格式,但是高階格式顯然對減輕其影響是有利的。

Fluent里常用的湍流模型包括:

Spart-Alpla單方程模型

k-e雙方程模型

雷諾應(yīng)力模型

大渦模擬模型

單方程模型在這兒種模型的中的計(jì)算量最小,它是一種剛剛發(fā)展起來的湍流模型, 主要針對于航空流體機(jī)械的數(shù)值模擬,對于其他復(fù)雜流動(dòng)的計(jì)算還沒有經(jīng)過驗(yàn)證。雙方程湍流模型能夠比較準(zhǔn)確地模擬各種復(fù)雜流動(dòng),而且計(jì)算量也在工程可以接受的范圍內(nèi);標(biāo)準(zhǔn)k-e模型解決一般的流動(dòng)問題,RNG k-e模型主要成用于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的流動(dòng)問題(旋轉(zhuǎn)機(jī)械),Realizable k-e模型主要用于射流、大分離、回流等問題。雷諾應(yīng)力模型和大渦模擬模型主要用于湍流運(yùn)動(dòng)的機(jī)理研究中,由于計(jì)算量非常大,因此目前還很少用于有復(fù)雜幾何形狀的工程問題中,在計(jì)算氣動(dòng)噪聲時(shí),一般要選用大渦模擬模型

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