FLUENT基本概念與常見問題匯總（二）

2016-12-09 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

13、松弛因子

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(duì)大多數(shù)問題的最優(yōu)值,一般不需要修改。但是對(duì)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(duì)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(duì)流流動(dòng),應(yīng)該對(duì)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(duì)于其它的標(biāo)量方程,如漩渦,組分,PDF變量,對(duì)于某些問題默認(rèn)的亞松弛可能過大,尤其是對(duì)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。

14、SIMPLE與SIMPLEC

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(duì)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(duì)于相對(duì)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?？梢杂肧IMPLEC,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(duì)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(duì)于動(dòng)量和壓力部可以使用亞松馳因于1.0。對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)高度扭曲的網(wǎng)格使用朽PISO傾斜校正,請(qǐng)?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。

15、邊界層

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。

16、Y+

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(duì)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(duì)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。

17、turbulence viscous rate超過極限值

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(http://geolab.larc.nasa.gov/APPS/YPlus/)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。

18、boussinesq假設(shè)

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)空氣的自然對(duì)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(duì)流mach數(shù)大大小于1也是可以的;(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。

19、庫郎數(shù)

Courant數(shù)實(shí)際上是指時(shí)間步長和空間步長的相對(duì)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。

20、邊界出現(xiàn)reversed flow

這個(gè)問題的意思是出現(xiàn)了回流,這個(gè)問題相對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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。

21、幾個(gè)壓力的關(guān)系

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(duì)壓力) Relative pressure (參考?jí)毫? Operating pressure(操作壓力) gauge pressure(表壓)

它們之間的關(guān)系為:

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

對(duì)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(duì)壓力

22、axisymmetric和axisymmetric swirl的區(qū)別

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

而axisymmetric swirl是軸對(duì)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。

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