干貨 |FLUENT基本概念與常見相關(guān)問題匯總

流體在靜止時雖不能承受切應(yīng)力,但在運動時,對相鄰的兩層流體間的相對運動,即相對滑動速度卻是有抵抗的,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。實驗表明,粘性應(yīng)力的大小與粘性及相對速度成正比。當流體的粘性較小(實際上最重要的流體如空氣、水等的粘性都是很小的),運動的相對速度也不大時,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。此時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)該強調(diào)指出,真正的理想流體在客觀實際中是不存在的,它只是實際流體在某些條件下的一種近似模型。

日常生活和工程實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)而且與作用時間有關(guān)。當變形速率保持常量,切應(yīng)力隨時間增大,這種非牛頓流體稱為震凝性流體。當變形速率保持常量而切應(yīng)力隨時間減小的非牛頓流體則稱為觸變性流體。

在流體的運動過程中,由于壓力、溫度等因素的改變,流體質(zhì)點的體積(或密度,因質(zhì)點的質(zhì)量一定),或多或少有所改變。流體質(zhì)點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性質(zhì)稱為壓縮性。真實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)該當作可壓縮流體處理。但是如果壓力差較小,運動速度較小,并且沒有很大的溫度差,則實際上氣體所產(chǎn)生的體積變化也不大。此時,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)方程中的獨立變量進行求解, 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,不可壓流體的流動方程的求解具有其特殊的困難。

實驗表明,粘性流體運動有兩種形態(tài),即層流和湍流。這兩種形態(tài)的性質(zhì)截然不同。層流的流體運動規(guī)則,各部分分層流動互不摻混,質(zhì)點的軌線是光滑的,而且流動穩(wěn)定。湍流的特征則完全相反,流體運動極不規(guī)則,各部分激烈摻混,質(zhì)點的軌線雜亂無章,而且流場極不穩(wěn)定。這兩種截然不同的運動形態(tài)在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。

以時間為標準,根據(jù)流體流動的物理量(如速度、壓力、溫度等)是否隨時間變化,將流動分為定常與非定常兩大類。當流動的物理量不隨時間變化,為定常流動;反之稱為非定常流動。定常流動也稱為恒定流動,或者穩(wěn)態(tài)流動:非定常流動也稱為非恒定流動、非穩(wěn)態(tài)流動。許多流體機械在起動或關(guān)機時的流體流動一般是非定常流動,而正常運轉(zhuǎn)時可看作是定常流動。

當氣流速度很大或者流場壓力變化很大時,流體就受到了壓速性的影響。馬赫數(shù)定義為當?shù)厮俣扰c當?shù)匾羲僦?。當馬赫數(shù)小于1時,流動為亞音速流動;當馬赫數(shù)遠遠小于1 (如M<0.1)時,流體的可壓速性及壓力脈動對密度變化影響都可以忽略。當馬赫數(shù)接近1時候(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羲倭鲃印?

除了粘性外,流體還有熱傳導(dǎo)及擴散等性質(zhì)。當流體中存在溫度差時,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,當流體混合物中存在組元的濃度差時,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)象稱為擴散。

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

理想流體忽略了粘性,即忽略了分子運動的動量輸運性質(zhì),因此在理想流體中也不應(yīng)考慮質(zhì)量和能量輸運性質(zhì)——擴散和熱傳導(dǎo),因為它們具有相同的微觀機制。

我們知道描述流體流動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,用一系列有限個離散點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;離散點就是我們在計算前要進行的網(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在真實的網(wǎng)格節(jié)點上,將單元看成由周邊節(jié)點及型函數(shù)構(gòu)成的統(tǒng)一體;有限體積法則是將物理量存儲在網(wǎng)格單元的中心點上,而將單元看成圍繞中心點的控制體積,或者在真實網(wǎng)格節(jié)點上定義和存儲物理量,而在節(jié)點周圍構(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)隨時間和地點的變化規(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刻各個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影響計算的精度和準確性,但會影響計算收斂的速度。

在瞬態(tài)問題中,給定初始條件時要注意的是:要針對所有計算變量,給定整個計算域內(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)驗或?qū)崪y結(jié)果獲得。

數(shù)值計算值與實驗值之間的誤差來源只要有這幾個: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〕,差分方程的截斷誤差及求解區(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(計算機只能用有限位存儲計算物理量所產(chǎn)生的誤差)等等。在通常的計算中,離散誤差隨網(wǎng)格變細而減小,但由于網(wǎng)格變細時,離散點數(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)生誤差過大的計算結(jié)果,網(wǎng)格數(shù)在一定的范圍內(nèi)的結(jié)果才與實驗值比較接近,這樣在劃分網(wǎng)格時就要求我們首先依據(jù)已有的經(jīng)驗大致劃分一個網(wǎng)格進行計算,將計算結(jié)果與實驗值進行比較(如果沒有實驗值,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,再進行計算,再與實驗值進行比較,并與前一次計算結(jié)果比較,如果兩次的計算結(jié)果相差較小(例如在2%),說明這一范圍的網(wǎng)格的計算結(jié)果是可信的,即計算結(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算結(jié)果,從計算效率上講,就可以完全使用粗網(wǎng)格去完成你的計算。加密或者減少網(wǎng)格數(shù)量,可以以一倍的量級進行。

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通過單元邊中點連線夾角計算的歪斜度,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)格時應(yīng)避免出現(xiàn)負體積。

• 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。

判斷計算結(jié)果是否收斂一般要滿足以下條件:

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

特別要指出的是,即使前兩個判據(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,因為如果松弛因于設(shè)置得太緊,各參數(shù)在每步計算的變化都不是太大,也會使前兩個判據(jù)得到滿足,此時就要再看笫三個判據(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,有時其大小并不一定代表計算結(jié)果的好壞,有時即使計算的殘差很大,但結(jié)果也許是好的,關(guān)鍵是要看計箅結(jié)果是否符合物理事實,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),必須從實際物理現(xiàn)象上看計箅結(jié)果。比如說一個全機模型,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,因為大攻角下實際流動情形就是這樣的,不斷有渦的周期性脫落,流場本身就是非定常的,所以解也是波動的,處理的時候取平均就可以了。

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算結(jié)果與上一層次結(jié)果的差值作適當縮減,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,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(湍流和其他標量)都會有一個相關(guān)的亞松弛因子。

在FLUENT中,所有變量的默認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算,如果出現(xiàn)不穩(wěn)定或者發(fā)散就需要減小默認的亞松弛因子,其中壓力、動量、k和e的亞松弛因子默認值分別為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。在密度和溫度強烈耦合的問題中,如相當高的Rayleigh數(shù)的自然或混合對流流動,應(yīng)該對溫度和/或密度(所用的亞松弛因于小于1.0)進行亞松弛。相反,當溫度和動量方程沒有耦合或者耦合較弱時,流動密度是常數(shù),溫度的亞松弛因子可以設(shè)為1.0。對于其它的標量方程,如漩渦,組分,PDF變量,對于某些問題默認的亞松弛可能過大,尤其是對于初始計算,可以將松弛因子設(shè)為0.8以使得收斂更容易。

在FLUENT中,可以使用標準SIMPLE算法和SIMPLEC(SIMPLE-Cinsistent)算法,默認是SIMPLE算法,但是對于許多問題如果使用SIMPLEC可能會得到更好的結(jié)果,尤其是可以應(yīng)用增加的亞松馳迭代時,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),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可能會導(dǎo)致不穩(wěn)定。對于所有的過渡流動計算,強烈推薦使用PISO算法進行鄰近校正,它允許你使用大的時間步,而且對于動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)和過渡計算推薦使用PISO傾斜校正。當你使用PISO鄰近校正時,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,請設(shè)定動量和壓力的亞松馳因子之和為1.0。如果你同時使用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狀態(tài)。當流速很小時,流體分層流動,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,擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增加,此種流況稱為過渡流;當流速增加到很大時,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,速度會趨近一定值。邊界層內(nèi)從物面 (當?shù)厮俣葹榱?開始,沿法線方向至速度與當?shù)刈杂闪魉俣萓相等(嚴格地說是等于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,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。在計算開始時,y+并不知道,這些值需要在計算過程中加以調(diào)整。數(shù)值計算實踐表明,y+對傳熱特性的影響比較大,往往存在一個合適的取值范圍,在該范圍內(nèi)數(shù)值計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的符合較好。算每個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。

流體的密度跟壓強和溫度有關(guān),在低速流動中,流體壓強變化不大,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)主要適用的實際工程情況包括:

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

2. 2.不可壓液體。這時,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)實際上是指時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?shù)脑黾覥ourant數(shù)的大小,根裾具體的問題,找出一個比較合適的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。

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

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

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

在fluent中會出現(xiàn)這么幾個壓力:

• Static pressure(靜壓)

• Dynamic pressure(動壓)

• Total pressure(總壓)

這幾個壓力是流體力學(xué)的概念,它們之間的關(guān)系為:

Total pressure(總壓)= Static pressure(靜壓)+ Dynamic pressure(動壓)

滯止壓力等于總壓(因為滯止壓力就足速度為0時的壓力,此時動壓為0)Static pressure(靜壓)就是測量的壓力值,比如測量空氣壓力是一個大氣壓

而在fluent中,又定義了四個壓力:

• 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,當操作壓力設(shè)為0時,表壓就等于絕對壓力

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

而axisymmetric swirl是軸對稱旋轉(zhuǎn)的意思,就是一個區(qū)域關(guān)于一條坐標軸回轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的區(qū)域,這產(chǎn)生的將是一個回轉(zhuǎn)體,是3D的問題。在Fluent中使用這個,是將一個3D的問題簡化為2D問題,以減少計算量,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算精度要求,且計算量小。 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。

控制方程的擴散項一般采用中心差分格式離散,而對流項則可釆用多種不同的格式進行離散。Fluent允許用戶為對流項選擇不同的離散格式(注意:粘性項總是自動地使用二階精度的離散格式)。默認情況下,當使用分離式求解器時,所有方程中的對流項均用一階迎風(fēng)格式離散;當使用耦合式求解器時,流動方程使用二階精度格式,其他方程使用一階精度格式進行離散。此外,當選擇分離式求解器時,用戶還可為壓力選擇插值方式。

當流動與網(wǎng)格對齊時,如使用四邊形或六面體網(wǎng)格模擬層流流動,使用一階精度離散格式是可以接受的,但當流動斜穿網(wǎng)格線時,一階精度格式將產(chǎn)生明顯的離散誤差(數(shù)值擴散)。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,為了加快計算速度,可先在一階精度格式下計算,然后再轉(zhuǎn)到二階精度格式下計算。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)動及有旋流的計算,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)格很細的情況。

在Fluent內(nèi)部,源代碼通過C編譯器被編譯為即時的、體系結(jié)構(gòu)獨立的機器語言。UDF調(diào)用時,機器編碼通過內(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在不同計算結(jié)構(gòu),操作系統(tǒng)和Fluent版本上很容易實現(xiàn)共享。如果迭代速度成為焦點時,解釋型UDF可以不用修改就用編譯編碼直接運行。

解釋型UDF使用的解釋器不需要有標準的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。

當定義了屬性不同的兩個計算域(例如A和B區(qū)域),兩個區(qū)域形成共同的交界面。其中A計算域的面取 以前的名稱,而B計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)合成相連的計算域。

shadow面通常在兩種情況下出現(xiàn):

1. 當一個wall兩面都是流體域時,那么wall的一面被定義為wall.1,wall的另一面就會被軟件自動定義為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,也會出現(xiàn)一個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。此時可以進行流體-同體的耦合計算。

殘差一是cell各個Face的通量之和,當收斂后,理論上當單元體內(nèi)沒有源相時各個面流入的通量也就是對物理量的輸運之和應(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,當然收斂后得到的流場與真實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,對于單精度計算一般應(yīng)該低于初始殘差1e-03以下為好,但還要看具體問題。

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

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,會帶來流場的震蕩。有時流場可能有分離或者回流,這本身是非定常現(xiàn)象,計算時殘差會在一定程度上發(fā)生震蕩,這時如果進出口流量是否達到穩(wěn)定平衡,也可以認為流場收斂了〔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 波長的殘差在細網(wǎng)格上發(fā)生震蕩。

假擴散是由于對流—擴散方程中一階導(dǎo)數(shù)項的離散格式的截斷誤差小于二階而引起較大數(shù)值計算誤差的現(xiàn)象。有的文獻中將人工粘性(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)值計算誤差都歸為假擴散:

1. 非穩(wěn)態(tài)項或?qū)α黜椺娪靡浑A截差的格式;

2. 流動方向與網(wǎng)格線呈傾斜交叉(多維問題);

3. 建立差分格式時沒有考慮到非常數(shù)的源項的影響。

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

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)造格式時考慮到來流方向的影響。

3. 至于非常數(shù)源項的問題,目前文獻中,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械的數(shù)值模擬,對于其他復(fù)雜流動的計算還沒有經(jīng)過驗證。雙方程湍流模型能夠比較準確地模擬各種復(fù)雜流動,而且計算量也在工程可以接受的范圍內(nèi);標準k-e模型解決一般的流動問題,RNG k-e模型主要成用于旋轉(zhuǎn)坐標系下的流動問題(旋轉(zhuǎn)機械),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動的機理研究中,由于計算量非常大,因此目前還很少用于有復(fù)雜幾何形狀的工程問題中,在計算氣動噪聲時,一般要選用大渦模擬模型

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