CFD分析主要流程

2017-04-23 by:CAE仿真在線來源:互聯網

計算流體力學發(fā)展到今天,基本理論和數值算法已較為成熟,已經形成了一套較為規(guī)范的數值分析方法流程。大多數商業(yè)CFD軟件也基本是采用類似的思路來進行設計,這些軟件通常由具有成熟的處理流體問題的數值算法,用于輸入問題參數的友好的用戶圖形界面和必要的圖形數據顯示所構成。因此,一般完整的CFD分析軟件都提供了計算分析流程中主要的三大要素:

前處理
求解器
后處理

前處理

幾何建模

在任何CFD分析計算前,首選需要的是對流動區(qū)域(即CFD計算域)的幾何形狀進行定義和構建。創(chuàng)建幾何模型是進行計算流體模擬分析的基礎,建立良好的幾何模型既可以準確的反應所研究的物理對象,又能夠方便的進行下一步網格劃分工作。

目前,創(chuàng)建幾何模型的方法主要有兩種:

通過網格生成軟件直接創(chuàng)建模型

目前主流的網格生成軟件都具備創(chuàng)建幾何模型的功能,通過這種方法創(chuàng)建的模型幾何精度高,但操作過程相對麻煩,創(chuàng)建復雜的幾何模型較為困難。

采用三維CAD軟件進行幾何建模

先通過三維CAD軟件創(chuàng)建幾何模型,然后轉化為網格生成軟件可以識別的接口文件導入網格生成軟件再進行網格劃分。通過這種方法創(chuàng)建模型較為方便,能夠生成復雜的幾何模型。但是對于一些由設計人員繪制的三維模型,不可避免的存在一些曲面不封閉、存在多余斷線等問題,因此,在導入網格軟件后必要時需要進行簡化和修復。

現在,各大CFD商業(yè)軟件也在不斷發(fā)展進步完善豐富CFD分析流程,在軟件包中加入各種方便實用的CAD建模軟件。例如,ANSYS近年收購的SpaceClaim軟件,這個模塊具備一般三維CAD軟件使用方便的優(yōu)點,同時能夠保證創(chuàng)建的模型具備較高的幾何精度。SpaceClaim基于直接建模思想,易學易用,能夠顯著的提高建模效率,降低時間成本而且保證較高的建模精度。

SpaceClaim軟件的主要特點是:

全參數化:SpaceClaim不僅可以針對在SpaceClaim中建立的模型進行參數化,同時也可以抽取外部CAD軟件建立的模型參數并且進行參數化。
直接建模:在仿真結束后, 如果需要修改模型,SpaceClaim軟件可以直接修改外部CAD軟件導入的幾何模型,并且它基本兼容所有的主流CAD軟件。

網格劃分

在定義完計算區(qū)域的幾何尺寸建立完幾何模型之后,第二步就是要生成計算網格。計算流體力學的核心思想就是將連續(xù)的物理方程模型,在空間和時間上進行離散化,通過數值迭代計算得到滿足精度要求的“近似解”。在使用商用 CFD 軟件的工作中,大約有80%的時間是花費在網格劃分上的,可以說網格劃分能力的高低是決定工作效率的主要因素之一。特別是對于復雜的CFD問題,網格生成極為耗時,且極易出錯,因此,網格質量直接影響CFD計算的精度和速度,有必要對網格生成方式給予足夠的關注。

CFD計算結果最終的精度及計算過程的效率主要取決于所生成的網格與所采用的算法?，F有的各種生成網格的方法在一定的條件下都有其優(yōu)越性和弱點,各種求解流場的算法也各有其適應范圍。一個成功而高效的數值計算,只有在網格的生成及求解流場的算法這兩者之間有良好的匹配時才能實現。

從總體上來說,CFD計算中采用的網格可以大致分為結構化網格和非結構化網格兩大類。一般數值計算中正交與非正交曲線坐標系中生成的網格都是結構化網格,其特點是每一節(jié)點與其鄰點之間的連接關系固定不變且隱含在所生成的網格中,因而我們不必專門設置數據去確認節(jié)點與鄰點之間的這種聯系。

從嚴格意義上講,結構化網格是指網格區(qū)域內所有的內部點都具有相同的批鄰單元。結構化網格的主要優(yōu)點有以下幾點:

網格生成的速度快;
網格生成的質量好;
數據結構簡單。
對曲面或空間的擬合大多數采用參數化或樣條插值的方法得到,區(qū)域光滑,與實際的模型更容易接近;
它可以很容易地實現區(qū)域的邊界擬合,適于流體和表面應力集中等方面的計算。

結構化網格最典型的缺點是適用的范圍比較窄。尤其隨著近幾年計算機和數值方法的快速發(fā)展,人們對求解區(qū)域的復雜性的要求越來越高,在這種情況下,結構化網格生成技術就顯得力不從心了。

同結構化網格的定義相對應,非結構化網格是指網格區(qū)域內的內部點不具有相同的批鄰單元。即與網格剖分區(qū)域內的不同內點相連的網格數目不同。從定義上可以看出,結構化網格和非結構化網格有相互重疊的部分,即非結構化網格中可能會包含結構化網格的部分。

非結構化網格技術的發(fā)展主要是彌補結構化網格不能解決任意形狀和任意連通區(qū)域的網格剖分的欠缺。由于非結構化網格的生成技術比較復雜,隨著人們對求解區(qū)域的復雜性的不斷提高,對非結構化網格生成技術的要求越來越高。目前,非結構化網格生成技術中只有平面三角形的自動生成技術比較成熟,平面四邊形網格的生成技術正在走向成熟。

流體特性選擇

在建立數學模型中非常關鍵的一步便是正確設定所研究物質的物性參數。

需要設定的物質參數一般包括包括:

密度和(或)分子量。
粘度。
比熱。
熱傳導系數。
質量擴散系數。
標準狀態(tài)下的焓。
分子動力論參數。

在使用CFD軟件進行模型設置的過程中,有些特殊的物質參數只有在激活響應的數學模型的之后才會出現,比如混合物物質只有在激活組元運輸方程后才會出現,惰性顆粒、液滴和燃燒顆粒在引入彌散相模型之后才會出現等等。另外,很多CFD軟件中都提供了豐富的物質資料可以直接調用,但是對于特殊情況,還是要根據實際情況和計算需要來修改材料的物性參數以獲得更為準確的仿真結果。

邊界條件設定

邊界條件就是流場變量在計算邊界上應該滿足的數學物理條件。邊界條件與初始條件一起并稱為定解條件,只有在邊界條件和初始條件確定后,流場的解才存在,并且是唯一的。

邊界條件大致分為下列幾類:

流體進出口條件:包括壓強入口、速度入口、質量入口、吸氣風扇、入口通風、壓強出口、壓強遠場、出口流動、出口通風和排氣風扇等條件。
壁面條件:包括固壁條件、對稱軸(面)條件和周期性邊界條件。
內部單元分區(qū):包括流體分區(qū)和固體分區(qū)。
內面邊界條件:包括風扇、散熱器、多孔介質階躍和其他內部壁面邊界條件。內面邊界條件在單元邊界面上設定,因而這些面沒有厚度,只是對風扇、多孔介質膜等內部邊界上流場變量發(fā)生階躍的模型化處理。

一般商用軟件中常用到的邊界條件類型包括:

壓力入口邊界條件

壓力入口邊界條件用于定義流場入口處的壓強及其他標量函數。這種邊界條件既適用于可壓流計算也適用于不可壓流計算。通常用在入口處壓強已知、而速度和流量未知時,就可以使用壓強入口條件。壓力入口邊界條件還可以用于具有自由邊界的流場計算。

速度入口邊界條件

速度入口邊界條件用入口處流場速度及相關流動變量作為邊界條件。在速度入口邊界條件中,流場入口邊界的駐點參數是不固定的。為了滿足入口處的速度條件,駐點參數將在一定的范圍內波動。

質量流入口邊界條件

在已知流場入口處的流量時,可以通過定義質量流量或者質量通量分布的形式定義邊界條件。這樣定義的邊界條件叫做質量流入口邊界條件。在質量流量被設定的情況下,總壓將隨流場內部壓強場的變化而變化。

如果流場在入口處的主要流動特征是質量流量保持不變,則適合采用質量流入口條件。但是因為流場入口總壓的變化將直接影響計算的穩(wěn)定性,所以在計算中應該盡量避免在流場的主要入口處使用質量流條件。比如在帶橫向噴流的管道計算中,管道進口處應該盡量避免使用質量流條件,而在橫向噴流的進口處則可以使用質量流條件。

在不可壓流計算中不需要使用質量流入口條件,這是因為在不可壓流中密度為常數,所以采用速度入口條件就可以確定質量流量,因此就沒有必要再使用質量流入口條件。

壓力出口邊界條件

壓力出口邊界條件在流場出口邊界上定義靜壓,而靜壓的值僅在流場為亞音速時使用。如果在出口邊界上流場達到超音速,則邊界上的壓力將從流場內部通過插值得到。其他流場變量均從流場內部插值獲得。

壓強遠場邊界條件

壓強遠場條件用于設定無限遠處的自由邊界條件,主要設置項目為自由流馬赫數和靜參數條件。壓強遠場邊界條件也被稱為特征邊界條件,因為這種邊界條件使用特征變量定義邊界上的流動變量。

采用壓強遠場邊界條件要求密度用理想氣體假設進行計算,為了滿足“無限遠”要求,計算邊界需要距離物體相隔足夠遠的距離。比如在計算翼型繞流時,要求遠場邊界距離模型約20倍弦長左右。

出流邊界條件

如果在流場求解前,流場出口處的流動速度和壓強是未知的,就可以使用出流邊界條件。除非計算中包含輻射換熱、彌散相等問題,在出流邊界上不需要定義任何參數,FLUENT 用流場內部變量通過插值得到出流邊界上的變量值。

壁面邊界條件

在粘性流計算中,一般使用無滑移條件作為缺省設置。在壁面有平移或轉動時,也可以定義一個切向速度分量作為邊界條件,或者定義剪切應力作為邊界條件。

對稱邊界條件

在流場內的流動及邊界形狀具有鏡像對稱性時,可以在計算中設定使用對稱邊界條件。這種條件也可以用來定義粘性流動中的零剪切力滑移壁面。本節(jié)將講述在對稱面上對流體的處理方式。在對稱邊界上不需要設定任何邊界條件,但是必須正確定義對稱邊界的位置。

流體條件

流體區(qū)域是網格單元的集合,所有需要求解的方程都要在流體區(qū)域上被求解。流體區(qū)域上需要輸入的唯一信息是流體的材料性質,即在計算之前必須指定流體區(qū)域中包含何種流體。

固體條件

固體區(qū)域是這樣一類網格的集合,在這個區(qū)域上只有熱傳導問題被求解,與流場相關的方程則無需在此求解。被設定為“固體”的區(qū)域實際上可能是流體,只是這個流體上被假定沒有對流過程發(fā)生。在固體區(qū)域上需要輸入的信息只有固體的材料性質。必須指明固體的材料性質,以便計算中可以使用正確的材料信息。還可以在固體區(qū)域上設定熱生成率,或固定的溫度值。也可以定義固體區(qū)域的運動。如果在固體區(qū)域周圍存在周期性邊界,還需要指定轉動軸。

多孔介質條件

很多問題中包含多孔介質的計算,比如流場中包括過濾紙、分流器、多孔板和管道集陣等邊界時就需要使用多孔介質條件。在計算中可以定義某個區(qū)域或邊界為多孔介質,并通過參數輸入定義通過多孔介質后流體的壓力降。在熱平衡假設下,也可以確定多孔介質的熱交換過程。

求解器

物理模型

在CFD建模過程中,需要根據計算的問題選擇適當的物理模型,物理模型包括湍流模型、多相流模型、輻射模型、組分輸運和反應模型、噪聲模型等。

湍流模型

湍流出現在速度變動的地方。這種波動使得流體介質之間相互交換動量、能量和濃度變化,而且引起了數量的波動。由于這種波動是小尺度且是高頻率的,所以在實際工程計算中直接模擬的話對計算機的要求會很高。實際上瞬時控制方程可能在時間上、空間上是均勻的,或者可以人為的改變尺度,這樣修改后的方程耗費較少的計算機。但是,修改后的方程可能包含有我們所不知的變量,湍流模型需要用已知變量來確定這些變量。

一般常用到的湍流模型包括:Spalart-Allmaras 模型、標準k-e 模型、RNG k-e模型、帶旋流修正k-e模型、k-ω模型、壓力修正k-ω模型、雷諾茲壓力模型、大漩渦模擬模型等。

多相流模型

自然和工程中多數流動現象都是多相的混合流動。物理上,物質的相分為氣相、液相和固相,但在多相流系統(tǒng)中相的概念意義更廣泛。在多相流中,一相被定義為一種對其浸沒其中的流體及勢場有特定的慣性響應及相互作用的可分辨的物質。例如,同一種物質的不同尺寸固體顆?？梢员豢醋鞑煌南?因為相同尺寸的顆粒集合對于流場具有相似的動力學響應。

多相流以兩相流動最為常見。兩相流主要有四種類型:氣-液兩相流,液-液兩相流,氣-固兩相流和液-固兩相流。多相流總是由兩種連續(xù)介質(氣體或液體),或一種連續(xù)介質和若干種不連續(xù)介質(如固體顆粒、水泡、液滴等)組成。連續(xù)介質稱為連續(xù)相;不連續(xù)介質稱為分散相(或非連續(xù)相、顆粒相等)。

常用到的多相流模型包括:VOF(Volume of Fluid)模型、Mixture(混合)模型和Eulerian(歐拉)模型。VOF 模型、混合物模型和歐拉模型這三種模型都屬于用歐拉觀點處理多相流的計算方法,其中VOF 模型適合于求解分層流和需要追蹤自由表面的問題,比如水面的波動、容器內液體的填充等等;混合物模型和歐拉模型中則適合計算體積濃度大于10%的流動問題。

輻射模型

輻射模型能夠應用的典型場合包括:火焰輻射,表面輻射換熱,導熱、對流與輻射的耦合問題,HVAC(Heating Ventilating and Air Conditioning,采暖、通風和空調工業(yè))中通過開口的輻射換熱以及汽車工業(yè)中車廂的傳熱分析,玻璃加工、玻璃纖維拉拔過程以及陶瓷工業(yè)中的輻射傳熱等。

常用到的輻射模型包括:離散傳播輻射(DTRM)模型、P-1輻射模型、Rosseland輻射模型、表面輻射(S2S)模型和離散坐標輻射(DO)模型。使用上述的輻射模型,用戶就可以在其計算中考慮壁面由于輻射而引起的加熱或冷卻以及流體相的由輻射引起的熱量或匯。

組分輸運和反應模型

在計算例如多種氣體組分擴散時需要使用組分輸運模型,如果還要分析例如燃燒的化學變化,則需要引入反應模型。一般的組分輸運和反應模型包括:通用有限速度模型、非預混和燃燒模型、預混和燃燒模型、部分預混和燃燒模型。

一般的商用CFD軟件中包含了一些常用的化學反應機理,但是對于特殊問題還是需要用戶自己來定義,或者使用第三方的專業(yè)化學反應模擬軟件來完成,例如chemkin等,CFD軟件一般都會設有導入chemkin軟件數據的接口來方便用戶使用。

噪聲模型

由氣體高速流動而引起的啟動噪聲也可以使用CFD的方法來進行模擬分析。氣動噪音的生成和傳播可以通過求解可壓 N-S方程的方式進行數值模擬。但是與流場流動的能量相比,聲波的能量要小幾個數量級,客觀上要求氣動噪音計算所采用的格式應有很高的精度,同時從音源到聲音測試點劃分的網格也要足夠精細,因此進行直接模擬對系統(tǒng)資源的要求很高,而且計算時間也很長。

初始條件

在開始進行計算之前,必須為流場設定一個初始值。設定初始值的過程被稱為“初始化”。如果把每步迭代得到的流場解按次序排列成一個數列,則初始值就是這個數列中的第一個數,而達到收斂條件的解則是最后一個數。顯然如果初始值比較靠近最后的收斂解,則會加快計算過程,反之則會增加迭代步數,使計算過程加長,更嚴重的是如果初始值給的不好,有可能得不到收斂解。

求解控制

在完成了網格、物理型、材料和邊界條件的設定后,原則上就可以開始計算求解了,但為了更好地控制計算過程,提高計算精度,需要在求解器中進行相應的設置。設置的內容主要包括:選擇離散格式、設置松弛因子等。

商用CFD軟件大都采用有限體積法將非線性偏微分方程轉變?yōu)榫W格單元上的線性代數方程,然后通過求解線性方程組得出流場的解。網格劃分可以將連續(xù)的空間劃分為相互連接的網格單元。每個網格單元由位于幾何中心的控制點和將網格單元包圍起來的網格面或線構成。

在有限體積法中,控制方程首先被寫成守恒形式。從物理角度看,方程的守恒形式反映的是流場變量在網格單元上的守恒關系,即網格單元內某個流場變量的增量等于各邊界面上變量的通量的總和。有限體積法的求解策略就是用邊界面或線上的通量計算出控制點上的變量。比如對于密度場的計算,網格單元的控制點上的密度值及其增量代表的是整個網格單元空間上密度的值和增量。從質量守恒的角度來看,流入網格的質量與流出網格的質量應該等于網格內流體質量的增量,因此從質量守恒關系(連續(xù)方程)可以得知密度的增量等于邊界面或線上密度通量的積分。

一般常用到的離散格式包括一階迎風格式、指數律格式、二階迎風格式、QUICK 格式、中心差分格式等。

在求解過程中,各流場變量的迭代都由松弛因子控制,因此計算的穩(wěn)定性與松弛因子緊密相關。在大多數情況下,可以不必修改松弛因子的缺省設置,因為這些缺省值是根據各種算法的特點優(yōu)化得出的。在某些復雜流動情況下,缺省設置不能滿足穩(wěn)定性要求,計算過程中可能出現振蕩、發(fā)散等情況,此時需要適當減小松弛因子的值,以保證計算收斂。

在實際計算中可以用缺省設置先進行計算,如果發(fā)現殘差曲線向上發(fā)展,則中斷計算,適當調整松弛因子后再繼續(xù)計算。在修改計算控制參數前,應該先保存當前計算結果。調整參數后,計算需要經過幾步調整才能適應新的參數。一般而言,增加松弛因子將使殘差增加,但是如果格式是穩(wěn)定的,增加的殘差仍然會逐漸降低。如果改變參數后,殘差增加了幾個量級,就可以考慮中斷計算,并重新調入保存過的結果,再做新的調整。