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果與上一層次結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,可以將松弛因子設為0.8以使得收斂更容易。

14、SIMPLE與SIMPLEC

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果,尤其是可以應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。

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,和雷諾數(shù)Re有關。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。

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、剪應力等等都有關系。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。

17、turbulence viscous rate超過極限值

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(http://geolab.larc.nasa.gov/APPS/YPlus/)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湍流的設置問題。

18、boussinesq假設

流體的密度跟壓強和溫度有關,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。

boussinesq假設主要適用的實際工程情況包括:(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)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。

19、庫郎數(shù)

Courant數(shù)實際上是指時間步長和空間步長的相對關系。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。

20、邊界出現(xiàn)reversed flow

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。

21、幾個壓力的關系

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的概念,它們之間的關系為:

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,當操作壓力設為0時,表壓就等于絕對壓力

22、axisymmetric和axisymmetric swirl的區(qū)別

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

而axisymmetric swirl是軸對稱旋轉的意思,就是一個區(qū)域關于一條坐標軸回轉所產(chǎn)生的區(qū)域,這產(chǎn)生的將是一個回轉體,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,回轉軸必須是X軸。

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