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2017-03-03 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
第一章 FLOTRAN 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析概述
FLOTRAN CFD 分析的概念
ANSYS程序中的FLOTRAN CFD分析功能是一個(gè)用于分析二維及三維流體流動(dòng) 場(chǎng)的先進(jìn)的工
具,使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID 141和FLUID 142 單元,可解決如下問題
:
· 作用于氣動(dòng)翼(葉)型上的升力和阻力
· 超音速噴管中的流場(chǎng)
· 彎管中流體的復(fù)雜的三維流動(dòng)
同時(shí),FLOTRAN還具有如下功能:
· 計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中氣體的壓力及溫度分布
· 研究管路系統(tǒng)中熱的層化及分離
· 使用混合流研究來(lái)估計(jì)熱沖擊的可能性
· 用自然對(duì)流分析來(lái)估計(jì)電子封裝芯片的熱性能
· 對(duì)含有多種流體的(由固體隔開)熱交換器進(jìn)行研究
FLOTRAN 分析的種類
FLOTRAN可執(zhí)行如下分析:
· 層流或紊流
· 傳熱或絕熱
· 可壓縮或不可壓縮
· 牛頓流或非牛頓流
· 多組份傳輸
這些分析類型并不相互排斥,例如,一個(gè)層流分析可以是傳熱的或者是絕熱的,一個(gè)紊
流分析可以是可壓縮的或者是不可壓縮的。
層流分析
層流中的速度場(chǎng)都是平滑而有序的,高粘性流體(如石油等)的低速流動(dòng)就通常是層流
。
紊流分析
紊流分析用于處理那些由于流速足夠高和粘性足夠低從而引起紊流波動(dòng)的流體流動(dòng)情況
,ANSYS中的二方程紊流模型可計(jì)及在平均流動(dòng)下的紊流速度波動(dòng)的影響。 如果流體的
密度在流動(dòng)過程中保持不變或者當(dāng)流體壓縮時(shí)只消耗很少的能量,該流體 就可認(rèn)為是不
可壓縮的,不可壓縮流的溫度方程將忽略流體動(dòng)能的變化和粘性耗散。
熱分析
流體分析中通常還會(huì)求解流場(chǎng)中的溫度分布情況。如果流體性質(zhì)不隨溫度而變,就可不
解溫度方程。在共軛傳熱問題中,要在同時(shí)包含流體區(qū)域和非流體區(qū)域(即固體區(qū)域)
的整個(gè)區(qū)域上求解溫度方程。在自然對(duì)流傳熱問題中,流體由于溫度分布的不均勻性而
導(dǎo)致流體密度分布的不均勻性,從而引起流體的流動(dòng),與強(qiáng)迫對(duì)流問題不同的是,自然
對(duì)流通常都沒有外部的流動(dòng)源。
可壓縮流分析
對(duì)于高速氣流,由很強(qiáng)的壓力梯度引起的流體密度的變化將顯著地影響流場(chǎng)的性質(zhì),A
NSYS對(duì)于這種流動(dòng)情況會(huì)使用不同的解算方法。
非牛頓流分析
應(yīng)力與應(yīng)變率之間成線性關(guān)系的這種理論并不能足以解釋很多流體的流動(dòng),對(duì)于這種非
牛頓流體,ANSYS程序提供了三種粘性模式和一個(gè)用戶自定義子程序。
多組份傳輸分析
這種分析通常是用于研究有毒流體物質(zhì)的稀釋或大氣中污染氣體的傳播情況,同時(shí),它
也可用于研究有多種流體同時(shí)存在(但被固體相互隔開)的熱交換分析。
第二章 FLOTRAN分析基礎(chǔ)
FLOTRAN單元的特點(diǎn)
ANSYS中的FLOTRAN單元,即FLUID141和FLUID142,用于解算單相粘性流體的二維和三維
流動(dòng)、壓力和溫度分布。對(duì)于這些單元,ANSYS通過質(zhì)量、動(dòng)量和能 量三個(gè)守恒性質(zhì)來(lái)
計(jì)算流體的速度分量、壓力、以及溫度。
FLUID141單元
FLUID141單元具有下列特征:
維數(shù):二維
形狀:四節(jié)點(diǎn)四邊形或三節(jié)點(diǎn)三角形
自由度:速度、壓力、溫度、紊流動(dòng)能、紊流能量耗散、多達(dá)六種流體的各自質(zhì)
量所占的份額
FLUID142單元
FLUID142單元具有下列特征:
維數(shù):三維
形狀:四節(jié)點(diǎn)四面體或八節(jié)點(diǎn)六面體
自由度:速度、壓力、溫度、紊流動(dòng)能、紊流能量耗散、多達(dá)六種流體的各自質(zhì)
量所占的份額
FLUID141單元 FLUID142單元
FLUID單元的其他特征
FLUID單元的其他特征包括:
· 用于模擬紊流的二方程紊流模式
· 有很多推導(dǎo)結(jié)果,諸如:流場(chǎng)分析中的馬赫數(shù)、壓力系數(shù)、總壓、剪應(yīng)力、 壁面處
的y-plus、以及流線函數(shù);熱分析中的熱流、熱交換(膜)系數(shù)等。
· 流體邊界條件,包括:速度、壓力、紊流動(dòng)能以及紊流能量耗散率。用戶無(wú) 需提供
流場(chǎng)進(jìn)口處紊流項(xiàng)的邊界條件,因FLOTRAN對(duì)此提供的缺省值適用 于絕大多數(shù)分析。
· 熱邊界條件,包括:溫度、熱流、體積熱源、熱交換(膜)系數(shù)。
用戶可使用的坐標(biāo)系有:笛卡兒坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系和軸對(duì)稱坐標(biāo)系。如果所
計(jì)算的問題是軸對(duì)稱的,激活旋轉(zhuǎn)(swirl)選項(xiàng)即可算出垂直于對(duì)稱平面的速度分量。
使用FLOTRAN單元的一些限制及注意事項(xiàng)
FLOTRAN單元的一些局限性:
· 在同一次分析中不能改變求解的區(qū)域
· 單元不支持自由流面邊界條件
· ANSYS程序的某些特征不能同F(xiàn)LOTRAN單元一起使用
· 使用FLOTRAN單元時(shí)不能使用某些命令或菜單
· 當(dāng)使用ANSYS的圖形用戶界面時(shí),程序?qū)⒅荒茱@示那些在菜單和對(duì)話框中的
FLOTRAN SetUp部分要求了的特征和選項(xiàng)。
FLOTRAN單元使用中的一些限制
當(dāng)使用FLOTRAN單元時(shí),要避免使用ANSYS的某些特征和命令,至少,要注意到在使用F
LOTRAN單元時(shí)與別的分析稍微有些不同,當(dāng)使用了無(wú)效的命令時(shí),程序會(huì)給出相應(yīng)的警
告或錯(cuò)誤信息。使用FLOTRAN單元要注意如下幾點(diǎn)(下面所列命令相應(yīng)的菜單路徑請(qǐng)參見
ANSYS命令手冊(cè)或聯(lián)機(jī)幫助中的“Commands and Their Location in the GUI”
· FLOTRAN單元不能和其他單元聯(lián)合使用。
· 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系必須與總體坐標(biāo)系一致。
· /CLEAR命令并不破壞業(yè)已存在的FLOTRAN結(jié)果文件(Jobname.RFL),這 有助于防止
用戶不小心破壞那些花了很多時(shí)間和精力才求得的結(jié)果,用戶必 須在操作系統(tǒng)里才能刪
除那些無(wú)用的結(jié)果文件。
· CP命令通過對(duì)自由度進(jìn)行耦合來(lái)形成周期邊界條件,ANSYS命令手冊(cè)對(duì)CP 命令的描述
是可以只對(duì)某些自由度進(jìn)行耦合,但作FLOTRAN分析時(shí),周期 邊界的所有自由度都將被
耦合。
用戶不能對(duì)同一個(gè)單元中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合,相鄰單元間節(jié)點(diǎn)耦合也很困難。
· ADAPT命令不適用于FLOTRAN分析。
· 不能用ANTYPE命令來(lái)引入FLOTRAN的瞬態(tài)分析。
· FLOTRAN分析不支持自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)功能,詳見“FLOTRAN瞬態(tài)分析”。
· 如果用戶通過BFCUM、BFDELE或BFUNIF來(lái)定義節(jié)點(diǎn)熱源,則ANSYS會(huì) 在內(nèi)部用BFE命令
來(lái)代替。
· 不能使用LDREAD,FORC命令來(lái)電磁載荷轉(zhuǎn)換到FLOTRAN分析中,而必須 使用相應(yīng)的宏
來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
· FLOTRAN分析不能使用CE、CECMOD、CEDELE和DEINTF命令。
· FLOTRAN分析不能使用CNVTOL命令來(lái)設(shè)置收斂容差。
· 不能用DSYM命令來(lái)定義FLOTRAN的對(duì)稱和反對(duì)稱邊界條件。
· FLOTRAN不支持旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的角加速度向量。
· 在FLOTRAN分析中,使用FLDATA4,TIME命令而不是DELTIM命令來(lái)定義 一個(gè)載荷步的時(shí)
間。
· 對(duì)于FLOTRAN分析,不能使用DESOL命令或PRESOL命令來(lái)修改節(jié)點(diǎn)的熱 (HEAT)、流
(FLOW)、或流密(FLUX)結(jié)果。
· FLOTRAN分析不允許將積分點(diǎn)結(jié)果外推到節(jié)點(diǎn)上(ERESX命令)。
· FLOTRAN分析不允許通過鏡象操作來(lái)形成單元。
· FLOTRAN分析不能用KBC命令來(lái)施加漸變載荷,而必須用多個(gè)載荷步來(lái)逐 漸改變載荷
。
· FLOTRAN分析不允許用LCCALC、LCDEF、LCFA、LCFI等命令來(lái)作不同載荷狀況之間的運(yùn)
算操作。
· NCNV命令中的收斂工具不能用于FLOTRAN中相互獨(dú)立的求解器。
· FLOTRAN分析不允許用NEQUIT命令來(lái)定義非線性分析的平衡迭代數(shù)。
· FLOTRAN分析要求節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系必須是總體的卡爾坐標(biāo)系,故不能用N命令、NMODIF命令
、和NROTAT命令的旋轉(zhuǎn)(rotational)域。
· FLOTRAN分析中,FLDATA2,ITER命令和FLDATA4,TIME命令用來(lái)控制一 個(gè)載荷步中的總
體迭代數(shù)。
· FLOTRAN分析不允許用戶自定義單元。
· FLOTRAN分析中,FLDATA2,ITER命令和FLDATA4,TIME命令用來(lái)對(duì)寫入 數(shù)據(jù)庫(kù)中的結(jié)果
進(jìn)行控制。
· PRNLD命令不能用于FLOTRAN分析中,因其不能將邊界條件作為可打印的 單元節(jié)點(diǎn)載
荷來(lái)保存。
· FLOTRAN分析中沒有節(jié)點(diǎn)反力解。
· 部分和預(yù)定義求解選項(xiàng)(PSOLVE命令定義)不適用于FLOTRAN各自獨(dú)立 的求解器。
· TIME命令不能用在FLOTRAN分析中。
· FLOTRAN用FLDATA1,SOLU命令而不是TIMINT命令來(lái)定義瞬態(tài)載荷 步。
· FLOTRAN用FLDATA4,TIME命令而非TRNOPT命令來(lái)定義瞬態(tài)分析選項(xiàng)。
FLOTRAN分析的主要步驟
一個(gè)典型的FLOTRAN分析有如下七個(gè)主要步驟:
1. 確定問題的區(qū)域。
2. 確定流體的狀態(tài)。
3. 生成有限元網(wǎng)格。
4. 施加邊界條件。
5. 設(shè)置FLOTRAN分析參數(shù)。
6. 求解。
7. 檢查結(jié)果。
第一步:確定問題的區(qū)域
用戶必須確定所分析問題的明確的范圍,將問題的邊界設(shè)置在條件已知的地方,如果并
不知道精確的邊界條件而必須作假定時(shí),就不要將分析的邊界設(shè)在靠近感興趣區(qū)域的地
方,也不要將邊界設(shè)在求解變量變化梯度大的地方。有時(shí),也許用戶并不知道自己的問
題中哪個(gè)地方梯度變化最大,這就要先作一個(gè)試探性的分析,然后再根據(jù)結(jié)果來(lái)修改分
析區(qū)域。這些在后面章節(jié)中都有詳述。
第二步:確定流體的狀態(tài)
用戶在此需要估計(jì)流體的特征,流體的特征是流體性質(zhì)、幾何邊界以及流場(chǎng)的速度幅值
的函數(shù)。FLOTRAN能求解的流體包括氣流和液流,其性質(zhì)可隨溫度而發(fā)生顯著變化,FLO
TRAN中的氣流只能是理想氣體。用戶須自己確定溫度對(duì)流體的密度、粘性、和熱傳導(dǎo)系
數(shù)的影響是否是很重要,在大多數(shù)情況下,近似認(rèn)為流體性質(zhì)是常數(shù),即不隨溫度而變
化,都可以得到足夠精確的解。
通常用雷諾數(shù)來(lái)判別流體是層流或紊流,雷諾數(shù)反映了慣性力和粘性力的相對(duì)強(qiáng)度,詳
見第四章。
通常用馬赫數(shù)來(lái)判別流體是否可壓縮,詳見第七章。流場(chǎng)中任意一點(diǎn)的馬赫數(shù)是該點(diǎn)流
體速度與該點(diǎn)音速之比值,當(dāng)馬赫數(shù)大于0.3時(shí),就應(yīng)考慮用可壓縮算法來(lái)進(jìn) 行求解;
當(dāng)馬赫數(shù)大于0.7時(shí),可壓縮算法與不可壓縮算法之間就會(huì)有極其明顯的差 異。
第三步: 生成有限元網(wǎng)格
用戶必須事先確定流場(chǎng)中哪個(gè)地方流體的梯度變化較大,在這些地方,網(wǎng)格必須作適當(dāng)
的調(diào)整。例如:如果用了紊流模型,靠近壁面的區(qū)域的網(wǎng)格密度必須比層流模型密得多
,如果太粗,該網(wǎng)格就不能在求解中捕捉到由于巨大的變化梯度對(duì)流動(dòng)造成的顯著影響
,相反,那些長(zhǎng)邊與低梯度方向一致的單元可以有很大的長(zhǎng)寬比。
為了得到精確的結(jié)果,應(yīng)使用映射網(wǎng)格劃分,因其能在邊界上更好地保持恒定的網(wǎng)格特
性,映射網(wǎng)格劃分可由命令MSHKEY,1或其相應(yīng)的菜單Main Menu>Preproce ssor > -Mes
hing-Mesh>-entity-Mapped來(lái)實(shí)現(xiàn)。
第四步:施加邊界條件
可在劃分網(wǎng)格之前或之后對(duì)模型施加邊界條件,此時(shí)要將模型所有的邊界條件都考慮進(jìn)
去,如果與某個(gè)相關(guān)變量的條件沒有加上去,則該變量沿邊界的法向值的梯度將被假定
為零。求解中,可在重啟動(dòng)之間改變邊界條件的值,如果需改變邊界條件的值或不小心
忽略了某邊界條件,可無(wú)須作重啟動(dòng),除非該改變引起了分析的不穩(wěn)定。
第五步:設(shè)置FLOTRAN分析參數(shù)
為了使用諸如紊流模型或求解溫度方程等選項(xiàng),用戶必須激活它們。諸如流體性質(zhì)等特
定項(xiàng)目的設(shè)置,是與所求解的流體問題的類型相關(guān)的,該手冊(cè)的其他部分詳細(xì)描述了各
種流體類型的所建議的參數(shù)設(shè)置。
第六步:求解
通過在觀察求解過程中相關(guān)變量的改變率,可以監(jiān)視求解的收斂性及穩(wěn)定性。這些變量
包括速度、壓力、溫度、動(dòng)能 (ENKE自由度) 和動(dòng)能耗散率 (ENDS自由度) 等 紊流量以
及有效粘性(EVIS)。一個(gè)分析通常需要多次重啟動(dòng)。
第七步:檢查結(jié)果
可對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行后處理,也可在打印輸出文件里對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢查,此時(shí)用戶應(yīng)使用自
己的工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)估計(jì)所用的求解手段、所定義的流體性質(zhì)、以及所加的邊界條件的可信
程度。
FLOTRAN分析中產(chǎn)生的一些文件
在ANSYS中進(jìn)行的大多數(shù)流體分析都是通過多次中斷和重啟動(dòng)來(lái)完成的,通常,
分析人員需要在各個(gè)重啟動(dòng)之間改變諸如松弛系數(shù)等參數(shù)或開關(guān)某些項(xiàng)(如求解溫度方
程的開關(guān))。每當(dāng)用戶繼續(xù)一個(gè)分析時(shí),ANSYS程序會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)附加在所有的 由FLOT
RAN單元產(chǎn)生的文件中。下面將對(duì)FLOTRAN單元產(chǎn)生的所有文件進(jìn)行說明:
· 結(jié)果文件, Jobname. RFL,包含節(jié)點(diǎn)結(jié)果。
· 打印文件, Jobname.PFL,包含各量的收斂記錄及進(jìn)/出口狀態(tài)(如流量等)。
· 壁面文件, Jobname.RSW,包含壁面剪切應(yīng)力以及Y-Plus信息。
· 殘差文件, Jobname.RDF,包含節(jié)點(diǎn)殘差。
· 調(diào)試文件, Jobname.DBG,包含數(shù)學(xué)求解器的有關(guān)信息。
· 結(jié)果備份文件, Jobname.RFO,包含結(jié)果文件數(shù)據(jù)的一個(gè)拷貝。
· 重啟動(dòng)文件, Jobname.CFD,包含F(xiàn)LOTRAN的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
結(jié)果文件
FLOTRAN分析的結(jié)果并不自動(dòng)保存在ANSYS的數(shù)據(jù)庫(kù)中,在每次求解之后,程序會(huì)將一個(gè)
結(jié)果集附加在結(jié)果文件Jobname.RLF中。用戶可對(duì)結(jié)果文件的內(nèi)容及程序 對(duì)結(jié)果文件的
更新頻率進(jìn)行控制,ANSYS命令手冊(cè)中對(duì)FLDATA5,OUTP命令的介紹就詳細(xì)說明了結(jié)果文件
會(huì)基于用戶的選擇而保存些什么內(nèi)容。
在一個(gè)穩(wěn)態(tài)FLOTRAN分析中,結(jié)果文件能保存多少個(gè)結(jié)果集是沒有限制的,在求解的初
期多保存幾個(gè)結(jié)果有很多好處:可以比較各結(jié)果集之間的變化、可以使用不同的選項(xiàng)或
松弛系數(shù)來(lái)從一個(gè)分析的較早狀態(tài)重新開始分析。
當(dāng)開始一個(gè)新分析時(shí)(在其第一次迭代之前),ANSYS程序會(huì)保存一個(gè)結(jié)果, 然 后在當(dāng)
中斷發(fā)生時(shí)保存再保存結(jié)果,在這些事件之間,用戶還可通過設(shè)置將一些中間結(jié)果附在
結(jié)果文件里,這樣就可以從較早的分析狀態(tài)開時(shí),通過激活一些不同的選項(xiàng)和特征來(lái)重
新分析,例如,可以通過這種方式來(lái)提高分析的穩(wěn)定性。
使用 ANSYS 的覆蓋頻率選項(xiàng)是一個(gè)明智的方法,它就可以周期性地保存和更新 一個(gè)臨
時(shí)的結(jié)果集,這樣,當(dāng)由于斷電或其他系統(tǒng)原因而發(fā)生求解中斷時(shí),總可以有一個(gè)可用
的結(jié)果集用于重新開始分析。設(shè)置覆蓋頻率的方式如下:
命令:FLDATA2,ITER,OVER,value
菜單: Main Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Execution Ctrl
設(shè)置附加頻率的方式如下:
命令:FLDATA2,ITER,APPE,value
菜單: Main Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Execution Ctrl
打印文件( Jobname.PFL)
Jobname.PFL文件包含了所有FLOTRAN輸入?yún)?shù)的完整記錄,該信息每在發(fā)出一個(gè)求解命
令時(shí)就保存一次以完整地記錄整個(gè)分析歷程。同時(shí),所有激活了的變量的收斂過程也記
錄了下來(lái),還有一個(gè)對(duì)結(jié)果的總結(jié),即每個(gè)性質(zhì)和自由度的最大最小值,這些記錄的頻
率都由用戶自己設(shè)定。所記錄的其他量還有:各記錄量的平均值、質(zhì)量流的邊界、質(zhì)量
平衡的計(jì)算、所有熱傳導(dǎo)和熱源的相關(guān)信息。
節(jié)點(diǎn)殘差文件
節(jié)點(diǎn)殘差文件,即Jobname.RDF,顯示了當(dāng)前解的收斂好壞程度。在求解過程的每一個(gè)
階段,流場(chǎng)、性質(zhì)場(chǎng)、溫度場(chǎng)都用于對(duì)每個(gè)自由度計(jì)算系數(shù)矩陣和強(qiáng)迫函數(shù),如果解完
全收斂,這些矩陣和強(qiáng)迫函數(shù)將會(huì)生成一個(gè)與產(chǎn)生它們的速度場(chǎng)一樣的速度場(chǎng),同時(shí),
矩陣方程的殘差也會(huì)變得很小。要得到一個(gè)殘差文件,必須至少執(zhí)行一次迭代。
當(dāng)求解過程發(fā)生振蕩時(shí),殘差的幅值將顯示分析的錯(cuò)誤所在。(矩陣的主對(duì)角元素對(duì)殘
差作歸一化處理)這種歸一化使用戶可對(duì)自由度的值及其殘差作比較。
對(duì)每一個(gè)激活了的自由度計(jì)算殘差并將其存入殘差文件的方式如下:
命令:FLDATA5,OUTP,RESI,TRUE
菜單:Main Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Additional Out>Residual File
要讀取殘差文件,可通過菜單Main Menu>General Postproc>FLOTRAN 2.1A或命令 FLRE
AD來(lái)實(shí)現(xiàn)。
重啟動(dòng)文件
通常,FLOTRAN在一個(gè)重啟動(dòng)的起始處計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),對(duì)于一個(gè)大模型,這種計(jì)算將消
耗大量的時(shí)間,為了避免這種重新計(jì)算,可要求FLOTRAN將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存在重啟動(dòng)文件
Jobname.CFD中,FLOTRAN從ANSYS的數(shù)據(jù)庫(kù)中產(chǎn)生該文件。
對(duì) Jobname.CFD文件的讀和寫的方式如下:
命令: FLDATA32,REST,RFIL,T
菜單: Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Restart Options>CFD
Restart File
可將RFIL狀態(tài)設(shè)置為開(ON)或關(guān)(OFF),若設(shè)為開,則FLOTRAN開始執(zhí)行分析 時(shí)將讀入
重啟動(dòng)文件,若此時(shí)重啟動(dòng)文件不存在,則將產(chǎn)生一個(gè)重啟動(dòng)文件。
如果在改變了邊界條件之后再進(jìn)行重啟動(dòng)分析,則必須覆蓋掉業(yè)已存在的.CFD 文件 以
使得ANSYS能用新的邊界條件進(jìn)行重新分析,覆蓋.CFD文件的方式如下:
命令: FLDATA32,REST, WFIL,T
菜單: Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Restart Options>CFD Rest
art File
這就使FLOTRAN在下一載荷步產(chǎn)生一個(gè)新的重啟動(dòng)文件,并自動(dòng)將RFIL狀態(tài)設(shè)置為關(guān)閉。
當(dāng)新的重啟動(dòng)文件產(chǎn)生之后,用FLDATA32,REST,RFIL,T命令使隨后的重啟動(dòng)能使用新的
重啟動(dòng)文件。
FLOTRAN重啟動(dòng)分析(續(xù)算)
用戶可在結(jié)果文件 Jobname.RFL中任意一個(gè)解集的基礎(chǔ)上開始一個(gè)重啟動(dòng)分析, 重啟
動(dòng)位置的設(shè)置可基于解集號(hào)(NSET)、迭代數(shù)(ITER)、載荷步/子步號(hào)(LSTP)或瞬 態(tài)分析
的時(shí)間(TIME),方式如下:
命令: FLDATA32,REST,lable,value
其中,lable為上面的NSET、ITER、LSTP、TIME等
菜單:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Restart Options>
Restart/Iteratio(或Restart/Load step, Restart/Set, 等)
當(dāng)重啟動(dòng)一個(gè)分析時(shí),ANSYS將原始的結(jié)果文件拷貝到Jobname.RSO中并將重啟動(dòng)點(diǎn)、所
有在重啟動(dòng)點(diǎn)之前的結(jié)果集、所有的后續(xù)結(jié)果集放在新的結(jié)果文件中。如果在 FLDATA3
2,REST命令中的value值是一個(gè)負(fù)值,則將不產(chǎn)生Jobname.RSO文件,而 重啟動(dòng)的點(diǎn)將由
value的絕對(duì)值來(lái)指定。
提高收斂性和穩(wěn)定性的常用的工具
ANSYS程序提供幾個(gè)有助于收斂和求解穩(wěn)定的工具,理論手冊(cè)對(duì)其機(jī)理有詳述。
松弛系數(shù)
松弛系數(shù)是一個(gè)其值介于0和1之間的小數(shù),它表示舊結(jié)果與附加在舊結(jié)果上以形成新結(jié)
果的最近一次計(jì)算量之間的變化量。設(shè)置松弛系數(shù)的方式如下:
命令:FLDATA25,RELX,lable,value
菜單: Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>DOF Relaxation
Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Prop Relaxation
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>DOF Re
laxation
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Prop R
elaxation
注:命令手冊(cè)中對(duì)該命令的自由度和性質(zhì)量有詳述。
慣性松弛
對(duì)某個(gè)自由度的方程組的慣性松弛就是使其矩陣的主對(duì)角占優(yōu)以保持求解的穩(wěn)定性。如
果當(dāng)一個(gè)解在收斂過程中沒有發(fā)生舍入誤差,則慣性釋放的值不會(huì)影響到求解的最終結(jié)
果。但是通常的求解過程都會(huì)發(fā)生舍入誤差,故慣性松弛可能對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。用戶可
對(duì)動(dòng)量方程(MOME)、紊流方程(TURB)。壓力方程(PRES) 和溫度 方程(TEMP)施加
慣性松弛,其方式如下:
命令:FLDATA26,STAB,lable,value
菜單:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Stability Parms
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Stability Parms
慣性松弛系數(shù)是以所加項(xiàng)的分母的形式出現(xiàn)的,故其值越小,所起作用越大,其典型值
介于1.0(作用中等)到1.0×10-7(作用很大)之間。
人工粘性
人工粘性用于在梯度較大的區(qū)域平抑速度解。它有助于可壓縮問題的收斂,也有助于對(duì)
有分布阻力的不可壓縮問題的速度解進(jìn)行平抑。對(duì)于不可壓縮問題,應(yīng)使人工粘性的幅
值與有效粘性的幅值處于相同的數(shù)量級(jí)。施加人工粘性的方式如下:
命令:FLDATA26,STAB,VISC,value
菜單:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Stability Parms
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Stability Parms
速度限值
速度限值使所求解量不能超出用戶所定義的值,可對(duì)速度、壓力和溫度自由度進(jìn)行限制
(VX、VY、VZ、PRES、TEMP),方式如下:
命令:FLDATA31,CAPP
菜單:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp> Relax/Stab/Cap>Results Capping
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Results Capping
速度限值可消除速度尖峰的不利影響,這種速度尖峰通常發(fā)生在收斂過程中的較早階段
。它還特別適合用于可壓縮流分析,因這類分析中速度尖峰通常使動(dòng)能項(xiàng)大到產(chǎn)生負(fù)的
靜溫。
當(dāng)對(duì)壓力進(jìn)行限值時(shí),所限的值是由壓力方程解算出來(lái)的壓力而不是松弛后的壓力,故
當(dāng)限值后作重啟動(dòng)時(shí),壓力值仍有可能超出限值。
注意:當(dāng)有速度限值時(shí),質(zhì)量有可能不守恒。
面積積分階次(Quadrature Order)
缺省的用于計(jì)算單元面積積分的階次是單點(diǎn)積分,用戶可對(duì)其進(jìn)行控制。對(duì)于軸對(duì)稱問
題,求解時(shí),該值自動(dòng)設(shè)為2,因?yàn)楫?dāng)面積積分階次為2時(shí),可使含有異常形狀單元的問
題收斂到更精確的解。用下面的方式改變動(dòng)量、壓力、熱或紊流項(xiàng)的面積積分階次:
命令:FLDATA30,QUAD,lable,value
其中,lable為要改變的單元積分,value為積分點(diǎn)的數(shù)目。
菜單:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp> Mod Res/Quad Ord> CFD Quad
Orders
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Mod Res/Quad Ord>CFD Qua
d Orders
FLOTRAN分析過程中應(yīng)處理的問題
確定總體迭代的數(shù)目
FLOTRAN分析是一個(gè)非線性的序列求解過程,故每次分析首先得確定要讓程序執(zhí)行多少
次迭代。一次總體迭代就是對(duì)所有相關(guān)的控制方程按序列進(jìn)行求解,并且在求解過程中
流體性質(zhì)會(huì)隨時(shí)更新。在瞬態(tài)分析中,時(shí)間步循包含了總體迭代循環(huán)。在一個(gè)總體迭代
中,程序首先獲得動(dòng)量方程的近似解,再在質(zhì)量守恒的基礎(chǔ)上將動(dòng)量方程的解作為強(qiáng)迫
函數(shù)來(lái)求解壓力方程,然后用壓力解來(lái)更新速度,以使速度場(chǎng)保持質(zhì)量守恒。如果要求
了程序求解溫度,則程序會(huì)同時(shí)求解溫度方程并更新與溫度相關(guān)的流體性質(zhì)。最后,如
果激活了紊流模型,則程序?qū)⑶蠼馕闪鞣匠滩⒂梦闪鲃?dòng)能及其耗散率來(lái)計(jì)算有效粘性和
熱傳導(dǎo)系數(shù),有效粘性和熱傳導(dǎo)系數(shù)將分別代替層流粘性和熱傳導(dǎo)系數(shù)以在平均流上模
擬紊流的影響。用下面的方式定義總體迭代的數(shù)目:
命令:FLDATA2,ITER,EXEC,value(value即為迭代數(shù))
菜單:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp> Execution Ctrl
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Execution Ctrl
收斂監(jiān)測(cè)
在FLOTRAN求解過程中,程序在每一個(gè)總體迭代里對(duì)每一個(gè)自由度計(jì)算出一個(gè)收斂監(jiān)測(cè)
量,這些自由度包括:速度(VX、VY、VZ)、壓力(PRES)、溫度(TEMP)、紊流動(dòng)能(ENK
E)、動(dòng)能耗散率(ENDS)、以及激活了的多組份傳輸方程(SP01 ~SP06)。收斂監(jiān)測(cè)
量就是兩次迭代之間結(jié)果改變量的歸一化值,若以F表示任一自由度,則該自由度的收斂
監(jiān)測(cè)量可由下式表示:
收斂監(jiān)測(cè)量表示變量在當(dāng)前迭代(kth)的結(jié)果和前一次迭代((k-1)th)的結(jié)果之間差
值的總和除以當(dāng)前值的總和,這種求和是在所有節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行的,并且使用的是差值的絕
對(duì)值。
在批處理或交互式運(yùn)行過程中,當(dāng)求解進(jìn)行時(shí), 程序的“圖形求解跟蹤(GST)” 功能
將實(shí)時(shí)顯示出所計(jì)算的收斂監(jiān)測(cè)量,GST的缺省值在交互運(yùn)行時(shí)是開(ON), 而 在批處
理運(yùn)行時(shí)是關(guān)(OFF)。用戶可用下面的方式定義其開關(guān):
命令:/GST
菜單:Main Menu>Solution>Output Ctrls>Grph Solu Track
圖2-1是兩個(gè)典型的GST圖形。圖2-1(b)是一個(gè)FLOTRAN的瞬態(tài)分析過程,圖中的每一
個(gè)尖峰表示了一個(gè)新時(shí)間步的開始。
在初始階段可能出現(xiàn)的一些振蕩之后,收斂監(jiān)測(cè)量的大小將隨著分析過程的收斂而逐漸
減小,但其減小的程度將依賴于幾個(gè)因素,諸如:
· 幾何邊界的復(fù)雜程度
· 高梯度區(qū)域有限元網(wǎng)格的精度
· 紊流的嚴(yán)重程度(由雷諾數(shù)確定)
· 出口邊界處流場(chǎng)的發(fā)展是否充分
當(dāng)使用圖形求解跟蹤(GST)功能時(shí),還應(yīng)注意:
· 不單是FLOTRAN分析有GST功能,非線性的結(jié)構(gòu)分析、非線性的熱分析和非 線性的電
磁場(chǎng)分析都有GST功能。詳見各自的分析指導(dǎo)手冊(cè)。
· GST可同時(shí)顯示多達(dá)10條的跟蹤曲線,如果用戶的模型有多于10個(gè)的自由度, 則GST將
只顯示前10個(gè)自由度的收斂跟蹤曲線。
· 當(dāng)GST開始顯示時(shí),程序會(huì)彈出一個(gè)帶STOP按鈕的對(duì)話框,用戶可在任意時(shí)刻通過點(diǎn)
取該STOP按鈕來(lái)中斷求解過程,而后要進(jìn)行重啟動(dòng)分析時(shí),可通過執(zhí)行命令SOLVE或其相
應(yīng)的菜單Main Menu>Solution>Run Flotran來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖2-1 由GST顯示的收斂監(jiān)測(cè)量
(a) 穩(wěn)態(tài)求解
(b) 瞬態(tài)求解
中斷一個(gè)FLOTRAN分析
用戶可以定義一個(gè)基于壓力和溫度收斂監(jiān)測(cè)量的目標(biāo)值來(lái)中斷一個(gè)FLOTRAN分析,定義
方式如下:
命令:FLDATA3,TERM,PRES,value
FLDATA3,TERM,TEMP,value
菜單:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp> Execution Ctrl
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Execution Ctrl
壓力和溫度的收斂缺省值都是1.0×10-8,如果沒有激活溫度方程的求解,則程序只檢
測(cè)壓力的收斂值是否滿足要求,而若同時(shí)激活了流體方程和溫度方程的求解,則二者的
收斂標(biāo)準(zhǔn)都必須同時(shí)滿足。在滿足了壓力和溫度的收斂條件或總體平衡迭代數(shù)達(dá)到了所
要求的值后,FLOTRAN求解過程就自動(dòng)中斷。
要中斷一個(gè)正在以批處理方式或后臺(tái)方式執(zhí)行的FLOTRAN分析,則需在當(dāng)前工作目錄下
生成一個(gè)Jobname.ABT文件 ,該文件的第一行應(yīng)含有terminate字樣 ,且該 字樣的起始
位置應(yīng)是第一行的第一列。在每一次總體迭代之前,FLOTRAN都會(huì)在當(dāng)前目錄下搜尋Job
name.ABT文件,如果程序找到該文件并發(fā)現(xiàn)其含有terminate字樣,則立即完成該次總體
迭代并正常中斷程序的執(zhí)行,而且將結(jié)果寫入結(jié)果文件中。
對(duì)一個(gè)FLOTRAN分析進(jìn)行評(píng)價(jià)
分析員必須回答的兩個(gè)問題是:
1. 所作的分析是何時(shí)結(jié)束的?
2. 所作的分析是否是正確的?
這兩個(gè)問題是相互關(guān)聯(lián)的,因?yàn)?如果沒有正確地設(shè)置和正確地分析一個(gè)流體問題,它
一般都是不會(huì)收斂的。
如果所輸入的初始參數(shù)和所有的邊界條件都是正確的,則當(dāng)所有變量的收斂監(jiān)測(cè)量都停
止增長(zhǎng),以及所有求解量的平均、最大、最小值都不再升降時(shí),求解過程就算是完成了
。然而,這并不能保證所求解的結(jié)果是唯一正確的,因?yàn)樽匀唤绫旧聿⒉槐ＷC存在唯一
解。振蕩問題(例如:柱體繞流的旋渦脫落問題)用穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)求解技術(shù)都不能得到一
個(gè)穩(wěn)定的解。要驗(yàn)證一個(gè)分析是穩(wěn)定的或是振蕩的,可以通過對(duì)它執(zhí)行大量的迭代求解
來(lái)實(shí)現(xiàn)。
ANSYS將求解變量的平均、最小、最大值保存在文件Jobname.RFL中,該文件同時(shí)還保存
了FLOTRAN的輸入數(shù)據(jù)和計(jì)算出的收斂監(jiān)測(cè)量、所有自由度的結(jié)果總結(jié)、層流特性和有效
特性?？捎孟旅娴姆绞絹?lái)規(guī)定ANSYS進(jìn)行結(jié)果總結(jié)的頻率:
命令:FLDATA5,OUTP,SUMF,value
菜單:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp>Additional Out>RFL Out Derived
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Additional Out>RFL Out Derived
驗(yàn)證結(jié)果
驗(yàn)證求解結(jié)果的可靠性是所有分析人員的責(zé)任,如果一個(gè)FLOTRAN分析得到了非預(yù)期的
結(jié)果,則應(yīng)進(jìn)行下列所示的一些操作,這些操作的大部分都可以在開始一個(gè)分析前完成
。即使只進(jìn)行了零次迭代,ANSYS也會(huì)生成一個(gè)Jobname.RFL文件并檢查所有的輸入數(shù)據(jù)
。
1. 檢查作為結(jié)果總結(jié)的一部分而打印出來(lái)的質(zhì)量平衡情況。內(nèi)部檢查將確定是 否有任
何的可能會(huì)通過模型的質(zhì)量流,允許質(zhì)量流的邊界條件是:
· 確定的速度邊界條件
· 確定的壓力邊界條件
· 未確定的邊界(這有可能是由于用戶忘了施加邊界條件而致)
ANSYS會(huì)將進(jìn)口和出口邊界編號(hào)列表,而這些應(yīng)與所希望的條件相對(duì)應(yīng)。
2. 在ANSYS里檢查邊界條件,以保證其正確性。
3. 檢查所定義的流體性質(zhì)及其隨溫度的可變動(dòng)性正確與否,這可在.RFL文件中方便地
檢查。
4. 檢查用以建立模型的單位制與用以定義流體性質(zhì)的單位制是否一致。
5. 有時(shí),還需確認(rèn)與所選選項(xiàng)相聯(lián)系的方程的求解是否正確(例如:可壓縮流 中的壓
力方程)。
6. 如果求解發(fā)散,可能的原因還有:有限元網(wǎng)格不夠精細(xì)、或者鄰近出口處流 場(chǎng)梯度
太大,要解決這些問題,可以使用一些諸如慣性松弛等有助于收斂的 手段,本手冊(cè)的后
面將詳述各種松弛技術(shù)。
7. 如果僅僅只有某個(gè)特定的量產(chǎn)生發(fā)散,則可將該量重新初始化到一個(gè)單值, 并作重
啟動(dòng)分析,方式如下:
命令:FLDATA29,MODV
菜單:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp> Mod Res/Quad Or
d>Modify Results
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp> Mod Res/Quad Ord>
Modify Results
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