【小白的CFD之旅】16 流程【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-01-18 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

那天聽了小牛師兄關(guān)于CFD應(yīng)用的四種境界的說法后,小白發(fā)現(xiàn)自己連第一種境界都算不上,自己對(duì)于CFD還只是停留在做了少數(shù)幾個(gè)案例的基礎(chǔ)上,可以說是對(duì)其一無所知。不過小白不是那種遇到挫折就退縮的人,他決定沿著黃師姐的方法從軟件入手繼續(xù)學(xué)下去。在認(rèn)真的做完了敲門實(shí)例后,小白又認(rèn)真的做了幾個(gè)FLUENT實(shí)例文檔中的案例,雖然說案例都比較簡單,但是小白還是在黃師姐的提示下對(duì)這些案例的共同點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié),從而了解CFD解決實(shí)際問題的基本流程。

1 明確計(jì)算目的
2 抽象模型
3 計(jì)算規(guī)劃
4 創(chuàng)建計(jì)算模型
5 確定物理模型
6 邊界條件及初始條件
7 計(jì)算結(jié)果評(píng)估
8 計(jì)算后處理

1 明確計(jì)算目的

從現(xiàn)實(shí)世界中提出要解決的問題非常重要。提出的問題必須是清晰具體的。比如說,要研究飛機(jī)的飛行,我們提出的問題不能是
“飛機(jī)為什么會(huì)飛?”,這問題太大而且不方便進(jìn)一步考慮,如果問題是“這飛機(jī)飛行時(shí)的升力和阻力多大?”則具體得多,也更方便進(jìn)行下一步的研究工作。

準(zhǔn)確地提出計(jì)算目的需要良好的理論背景作支撐。準(zhǔn)確地抓住物理現(xiàn)象背后的力學(xué)模型,找到流體問題求解的目標(biāo),是利用CFD工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。

在這一步工作中需要對(duì)問題進(jìn)行簡化,保留重要特征忽略一些不重要的細(xì)節(jié),如計(jì)算傳熱問題時(shí),當(dāng)溫差不很大時(shí),可以忽略熱輻射。

在這一步,需要明確的問題包括:

要算什么?有哪些物理量可以用來描述計(jì)算目標(biāo)?
這些物理量是否可以直接計(jì)算獲取?若不能直接獲取,是否可以用間接物理量進(jìn)行替代?
當(dāng)物理模型過于復(fù)雜時(shí),是否可以進(jìn)行一些簡化,忽略一些不重要的特征?
CFD是否適合解決此問題?

2 抽象模型

找到問題求解的目標(biāo)之后,下一步的工作是建立力學(xué)模型,將物理現(xiàn)象以數(shù)學(xué)語言進(jìn)行描述。利用流體力學(xué)理論建立適合自己問題的控制方程。
建立控制方程,包括:

模型理論基礎(chǔ)。基于哪些物理基礎(chǔ),進(jìn)行了哪些假設(shè),都需要明確。
確定模型的邊界條件及初始條件。對(duì)于建立的流體模型,通常都是一些偏微分方程,這些方程的求解必須配合邊界條件與初始條件。

3 計(jì)算規(guī)劃

確定了計(jì)算目標(biāo)并建立了力學(xué)模型之后,下一步的工作就要開始規(guī)劃如何進(jìn)行計(jì)算了。流體力學(xué)模型通常是非線性的偏微分方程,絕大多數(shù)都無法進(jìn)行解析求解,通常采用數(shù)值方法進(jìn)行求解。利用數(shù)值方法求解這些方程可采用手動(dòng)編制程序,也可以采用已有的一些軟件包,至于采用何種方式,取決于當(dāng)前的研究條件和時(shí)間周期要求。

編制程序計(jì)算靈活性更高,可以應(yīng)用最新的研究成果和算法,可能獲得更精確的計(jì)算結(jié)果。但是從頭編制程序需要耗費(fèi)大量的人力物力和時(shí)間,在工程上很難滿足產(chǎn)品研發(fā)的周期要求,因此手動(dòng)編制程序計(jì)算多見于研究機(jī)構(gòu)。
工程產(chǎn)品研發(fā)多用成品軟件包來進(jìn)行,CFD商用軟件包大多很貴,但是具有良好的人機(jī)界面而且經(jīng)過嚴(yán)格的軟件測(cè)試,具有良好的魯棒性,可靠性能夠得到保障。利用開源軟件包開源節(jié)省一大筆軟件購買費(fèi)用,然而開源軟件的人機(jī)界面通常不如商用軟件做得好,軟件不一定經(jīng)過了嚴(yán)格的測(cè)試,特別是自己定制的程序。但是開源軟件的程序代碼是公開的,開源根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行修改。

4 創(chuàng)建計(jì)算模型

在確定計(jì)算方式之后,若選用計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算,則下一步工作為創(chuàng)建計(jì)算模型。
計(jì)算模型包括兩部分:幾何模型及網(wǎng)格模型。
幾何模型可以采用常用的CAD軟件創(chuàng)建,在創(chuàng)建幾何模型時(shí),對(duì)于模型中的一些細(xì)節(jié)特征,需要仔細(xì)的考量,盡可能的忽略一些不重要的特征,這有助于減少網(wǎng)格數(shù)量從而減小計(jì)算開銷。
將幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后形成網(wǎng)格模型。網(wǎng)格模型不一定要完全貼合幾何模型,但是對(duì)于計(jì)算過程中一些重要的特征,則需要盡可能的特近真實(shí)幾何。流體計(jì)算網(wǎng)格通常需要沿著流線方向劃分,在流動(dòng)梯度大的區(qū)域需要加密網(wǎng)格。一般需要做多套網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算,以評(píng)估網(wǎng)格疏密對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

5 確定物理模型

其實(shí)在第一步和第二步中已經(jīng)涉及到了物理模型,這里說的物理模型指的是在CFD程序中添加的物理模型。對(duì)于不同的物理模型,需要設(shè)置相應(yīng)的模型參數(shù),這些模型參數(shù)有些依賴于理論,有些則依賴于實(shí)驗(yàn)。

6 邊界條件及初始條件

邊界條件和初始條件直接影響計(jì)算結(jié)果,確保輸入真實(shí)的邊界條件。
對(duì)于瞬態(tài)計(jì)算,還要求輸入真實(shí)的初始條件。雖然穩(wěn)態(tài)計(jì)算不依賴于初始條件,但是輸入相對(duì)真實(shí)的初始值有助于幫助收斂。
真實(shí)的邊界條件和初始條件通常都需要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定獲取。

7 計(jì)算結(jié)果評(píng)估

在初步計(jì)算后,通常需要通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模型標(biāo)定。
在這一過程中,往往包括網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證、時(shí)間獨(dú)立性驗(yàn)證以及數(shù)值控制參數(shù)調(diào)整等。
通常需要準(zhǔn)備多套網(wǎng)格,進(jìn)行多組計(jì)算,比較計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值來獲取計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格、時(shí)間步長等的敏感性,從而選擇最合適的網(wǎng)格粒度以及時(shí)間步長。