【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,自己對于CFD還只是停留在做了少數(shù)幾個案例的基礎(chǔ)上,可以說是對其一無所知。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。在認真的做完了敲門實例后,小白又認真的做了幾個FLUENT實例文檔中的案例,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這些案例的共同點進行了總結(jié),從而了解CFD解決實際問題的基本流程。

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

1 明確計算目的

從現(xiàn)實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,要研究飛機的飛行,我們提出的問題不能是
“飛機為什么會飛?”,這問題太大而且不方便進一步考慮,如果問題是“這飛機飛行時的升力和阻力多大?”則具體得多,也更方便進行下一步的研究工作。

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

在這一步工作中需要對問題進行簡化,保留重要特征忽略一些不重要的細節(jié),如計算傳熱問題時,當溫差不很大時,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算目標?
這些物理量是否可以直接計算獲取?若不能直接獲取,是否可以用間接物理量進行替代?
當物理模型過于復(fù)雜時,是否可以進行一些簡化,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)?；谀男┪锢砘A(chǔ),進行了哪些假設(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 計算規(guī)劃

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

編制程序計算靈活性更高,可以應(yīng)用最新的研究成果和算法,可能獲得更精確的計算結(jié)果。但是從頭編制程序需要耗費大量的人力物力和時間,在工程上很難滿足產(chǎn)品研發(fā)的周期要求,因此手動編制程序計算多見于研究機構(gòu)。
工程產(chǎn)品研發(fā)多用成品軟件包來進行,CFD商用軟件包大多很貴,但是具有良好的人機界面而且經(jīng)過嚴格的軟件測試,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用,然而開源軟件的人機界面通常不如商用軟件做得好,軟件不一定經(jīng)過了嚴格的測試,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)實際需要進行修改。

4 創(chuàng)建計算模型

在確定計算方式之后,若選用計算軟件進行計算,則下一步工作為創(chuàng)建計算模型。
計算模型包括兩部分: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,對于模型中的一些細節(jié)特征,需要仔細的考量,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)量從而減小計算開銷。
將幾何模型進行網(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,但是對于計算過程中一些重要的特征,則需要盡可能的特近真實幾何。流體計算網(wǎng)格通常需要沿著流線方向劃分,在流動梯度大的區(qū)域需要加密網(wǎng)格。一般需要做多套網(wǎng)格進行計算,以評估網(wǎng)格疏密對計算結(jié)果的影響。

5 確定物理模型

其實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,有些則依賴于實驗。

6 邊界條件及初始條件

邊界條件和初始條件直接影響計算結(jié)果,確保輸入真實的邊界條件。
對于瞬態(tài)計算,還要求輸入真實的初始條件。雖然穩(wěn)態(tài)計算不依賴于初始條件,但是輸入相對真實的初始值有助于幫助收斂。
真實的邊界條件和初始條件通常都需要通過實驗測定獲取。

7 計算結(jié)果評估

在初步計算后,通常需要通過對比實驗結(jié)果進行模型標定。
在這一過程中,往往包括網(wǎng)格獨立性驗證、時間獨立性驗證以及數(shù)值控制參數(shù)調(diào)整等。
通常需要準備多套網(wǎng)格,進行多組計算,比較計算結(jié)果與實驗值來獲取計算結(jié)果與網(wǎng)格、時間步長等的敏感性,從而選擇最合適的網(wǎng)格粒度以及時間步長。