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Fluent基本入门学习手册

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内容提示: TCG 课题组 Fluent 学习手册 使用 Fluent 进行模拟计算需要两大部门, 第一: 建立模型, 画网格 (Gambit);第二: 设置计算模拟(Fluent)。 Fluent 高级版本自带网格绘制工具, 我们现在使用的 6.3, 需要用另外的网格绘制工具, 最常用的是 Gambit, 还可以使用 CAD 等软件。 把网格画好后, 导入 Fluent 中, 进行相关设置, 即可进行模拟。 第一部分 Gambit 使用 一、   Gambit 介绍  网格的划分使用 Gambit 软件, 首先要启动 Gambit, 在 Dos 下输入 Gambit <filemane>, 文件名如果已经存在, 要加上参数-old。 或者直接点击快捷方式打开。 1.1Gambit 的操作界面 如图...

文档格式:DOC| 浏览次数:62| 上传日期:2014-08-21 16:28:53| 文档星级:
TCG 课题组 Fluent 学习手册 使用 Fluent 进行模拟计算需要两大部门, 第一: 建立模型, 画网格 (Gambit);第二: 设置计算模拟(Fluent)。 Fluent 高级版本自带网格绘制工具, 我们现在使用的 6.3, 需要用另外的网格绘制工具, 最常用的是 Gambit, 还可以使用 CAD 等软件。 把网格画好后, 导入 Fluent 中, 进行相关设置, 即可进行模拟。 第一部分 Gambit 使用 一、   Gambit 介绍  网格的划分使用 Gambit 软件, 首先要启动 Gambit, 在 Dos 下输入 Gambit &lt;filemane&gt;, 文件名如果已经存在, 要加上参数-old。 或者直接点击快捷方式打开。 1.1Gambit 的操作界面 如图 1 所示, Gambit 用户界面可分为 7 个部分, 分别为: 菜单栏、 视图、命令面板 图 1 Gambit 操作界面 命令显示窗、 命令输入窗、 命令解释窗、 和视图控制面板。 1、 文件栏 文件栏位于操作界面的上方, 其最常用的功能就是 File 命令下的 New、 Open、Save、 Save as 和 Export 等命令。 这些命令的使用和一般的软件一样。 Gambit 可识别的文件后缀为.dbs, 而要将 Gambit 中建立的网格模型调入 Fluent 使用, 则需要将其输出为.msh 文件(file/export)。 2、 视图和视图控制面板 Gambit 中可显示四个视图, 以便于建立三维模型。 同时我们也可以只显示一个视图。 视图的坐标轴由视图控制面板来决定。 图 2 显示的是视图控制面板。 图 2 视图控制面板 视图控制面板中的命令可分为两个部分, 上面的一排四个图标表示的是四个视图, 当激活视图图标时, 视图控制面板中下方十个命令才会作用于该视图。 视图控制面板中常用的命令有: 全图显示、选择显示视图、选择视图坐标、选择显示项目、渲染方式。 同时, 我们还可以使用鼠标来控制视图中的模型显示。 其中按住左键拖曳鼠标可以旋转视图, 按住中键拖动鼠标则可以在视图中移动物体, 按住右键上下拖动鼠标可以缩放视图中的物体。 3、 命令面板 命令面板是 Gambit 的核心部分, 通过命令面板上的命令图标, 我们可以完成绝大部分网格划分的工作。 图 3 显示的就是 Gambit 的命令面板。 图 3 Gambit 的命令面板 从命令面板中我们就可以看出, 网格划分的工作可分为三个步骤: 一是建立模型, 二是划分网格, 三是定义边界。 这三个部分分别对应着 Operation 区域中的前三个命令按钮 Geometry(几何体)、 mesh(网格) 和 Zones(区域)。 Operation中的第四个命令按钮 Tools 则是用来定义视图中的坐标系统, 一般取默认值。 命令面板中的各个按钮的含义和使用方法将在以后的具体例子中介绍。 4、 命令显示窗和命令输入栏 命令显示窗和命令输入栏位于 Gambit 的左下方(如图 4 所示)。 图 4 命令显示窗和命令输入栏 命令显示窗中记录了每一步操作的命令和结果, 而命令输入栏则可以直接输入命令, 其效果和单击命令按钮一样。 5、 命令解释窗 图 5 显示的是位于命令显示窗左方的命令解释窗 , 当我们将鼠标放在命令面板中任意一个按钮的上面, Description 窗口中将出现对该命令的解释。 图 5 命令解释窗 1.2 二维建模 划分网格的第一步就是要建立模型。 在命令面板中单击 Geometry 按钮, 进入几何体面板。 图 6 显示了几何体面板中的命令按钮。 图 6 图 6 中从左往右依次是创建点、 线、 面、 体和组的命令。 对于二维网格的建立, 一般要遵循从点到线, 再从线到面的原则。 以二维轴对称单孔喷嘴的网格划分为例介绍二维网格的生成。 ] 首先要确定问题的计算域。 计算域的确立(例子) 图 7 是一个二维轴对称单孔喷嘴射流问题的计算区域。 由于 Fulent 的边界提法比较粗糙, 多为一类边界条件, 因此建议在确定计算域时, 可以适当加大计算范围。 从图中我们可以看出, 计算区域为 4D*12D, 其中在喷嘴的左边取了 2D的计算区域, 就是为了减小边界条件对计算的影响。 图 7 计算域的确定 对于上述的计算域, 我们在建立计算模型时按照点、 线、 面的顺序来进行。 创建点(vertex) 1、 建立点 单击命令面板中的 Vertex 按钮, 进入 Vertex 面板(见图 7) 图 7 Vertex 命令面板 单击 Vertex Create 按钮, 在 Create Real Vertex 对话框中输入点的坐标, 再单击 Apply 按钮, 就可以创建点。 计算出计算域的各个顶点的坐标, 依次创建这些顶点(见图 8)。 图 8 点的创建 在 Gambit 中点的创建方式有四种: 根据坐标创建、 在线上创建、 在面上创建和在体上创建。 我们可以根据不同的需要来选择不同的创建方式(见图 9)。 图 9 Vertex 中常用的命令还有: Move/Copy、 Undo 和 Del。  Move/Copy 命令 图 9 显示的是 Move/Copy Vertex 对话框。 图 10 当我们要复制或移动一个点时, 首先要选择需要作用的点。 在命令面板中单击 Vertices 右边的输入栏, 输入栏以高亮黄色显示, 表明可以选择需要的点。 在 Gambit 中选择一个对象的方法有两种: ①按住 Shift 键, 用鼠标左键单击选择的对象, 该对象被选中, 以红色显示。 ②单击输入栏右方的向上箭头, 就会出现一个对话框, 从对话框中可以选择需要的点的名称(见图 11)。 因此为了便于记忆, 建议在创建对象的时候要起一个便于记住的名字。 图 11 同时, Gambit 还为我们提供了三种不同的坐标系, 即直角坐标系、 柱坐标和球坐标。 在命令面板的坐标类型中, 可以选择不同的坐标系。  Undo Undo 命令可以消除上一步操作的内容, 但需要注意的是, 在 Gambit 中只有Undo 命令而没有 Redo 命令。  Del Del 命令用来删除一些误操作或不需要的对象。 单击 Del 按钮, 在视图中选择需要删除的对象, 再单击 Apply 按钮即可。 2、 线的创建(Line)  在命令面板中单击 Edge 按钮, 就可以进行线的创建和编辑(见图 12)。 在 Gambit 中, 最常用的是直线的创建。 在 Edge 命令面板中单击 Create Straight Edge 按钮成线的点, 单击 Apply 按钮即可(见图 13) 。 这时视图中的线段是以黄色显示。当这些线段组成一个面时, 将以蓝色显示。 , 在视图中选择需要连 图 12 图 13 除了创建直线外, Gambit 还可以创建其他的一些线段, 如圆弧、 圆、 倒角、椭圆等(见图 14) : 右键点击 图 14 Edge 命令中常用的还有合并一条, 也可以将一条线段分成两条, 这些可以为面的创建和网格划分提供方便。因为面的创建需要一个封闭的曲面。 、 分离等命令, 即可以把两条线段合成3、 面(Face) 的创建 面的创建工作十分简单, 只须选择组成该面的线, 单击 Apply 按钮即可(见图 15)。 需要注意的是这些线必须是封闭的, 同时我们要创建一个二维的网格模型, 就必须创建一个面, 只有线是不行的。 同样的道理, 在创建三维的网格模型的时候, 就必须创建体。 图 15 在面的创建中, 有一个布尔运算的操作, 可以使我们创建不规则形状的面(见图16) 。 布尔运算包括三种方式: 加、 减、 交。 点击右键() 图 16 1.3 网格的划分 在命令面板中单击 Mesh 按钮, 就可以进入网格划分命令面板。 在Gambit 中, 我们可以分别针对边界层、 边、 面、 体和组划分网格。 图 17 所示的五个按钮分别对应着这五个命令。 Boundary Layer (边界层) Edge (边) Face (面) Volume (体) Group (组) 图 17 1、 边界层网格的创建 由于壁面流体黏性大。 速度变化大, 所以需要单独画边界层。 呈比例变化,由密到疏。 根据具体情况选取边界层厚度。 在命令面板中单击按钮, 即可进入边界层网格创建(见图 18)。 加(类似集合并)减(类似集合 A-B)交(类似与集合交) 图 18 边界层网格的创建需要输入四组参数, 分别是第一个网格点距边界的距离(First Row), 网格的比例因子(Growth Factor), 边界层网格点数(Rows, 垂直边界方向) 以及边界层厚度(Depth)。 这四个参数中只要任意输入三组参数值即可创建边界层网格。 同时, 我们还可以选择边界层网格创建的形式。 在命令面板的 Transition Pattern 区域, 系统给我们提供了四种创建方式(见图 19)。 a) 1:1b) 4:2c) 3:1d) 5:1 图 19 创建一个边界层网格(例子) 以上述二维轴对称圆孔射流的计算模型为例, 介绍边界层网格的生成。 1. 单击 Mesh 按钮, 选择 Boundary layer 选项, 进入边界层网格创建命令面板。 2. 按住 Shift 按钮, 用鼠标左键单击图形中的线段 1, 选择其为创建对象。 3. 输入参数值为: First Row: 0.05, Growth Factor: 1.01, Rows: 10, 选择创建形式为 1:1, 单击 Apply 按钮完成创建工作(见图 20)。 图 2、 创建边上的网格点数  当我们划分的网格需要在局部加密或者划分不均匀网格时, 我们首先要定义边上的网格点的数目和分布情况。 边上的网格点的分布可分为两种情况, 一种是单调递增或单调递减, 一种是中间密(疏) 两边疏(密)。 下面依然结合实例介绍边上网格点的创建。 ①单击命令面板中的按钮, 进入 Edge 网格创建面板(见图 21)。 图 21 ②在图 13 中选择线段 2。 ③在命令面板中单击 Double Side 按钮, 设置 Radio1 和 Radio2 为 1.05。 ④在命令面板中单击 Interval Size 按钮, 选择 Interval Count 选项。 ⑤在 Interval Count 按钮的左边输入参数值为 20。 ⑥单击 Apply 按钮, 观察视图中边上的网格点的生成(见图 22)。 tu ⑦选择视图中的线段 3, 取消对 Double Side 按钮的选择, 设置 Radio 为 1.01,Interval Count 为 80, 观察视图中网格点的分布情况。 视图中选中线段上的红色箭头代表了 Edge 上网格点分布的变化趋势。 如果 Radio 大于 1, 则沿箭头方向网格点的分布变疏, 小于 1, 则沿箭头方向网格点的分布变密。 如果发现网格点的分布情况与预计的相反, 可以采用两种方法解决:(1) 按住 Shift 按钮, 在所选择的线段上单击鼠标中键改变箭头的方向;(2) 在命令面板中单击 Invert 按钮, 将 Radio 值变为其倒数值。 ⑧依次选择视图中的线段 4、 5、 6、 1, 设置合理的网格点分布。 注意: 在设置网格点分布的时候, 一个封闭面的最后一条线段的网格点的分布可以通过系统自动计算得到。 3、 划分面的网格 Gambit 对于二维面的网格的划分提供了三种网格类型: 四边形、 三角形和四边形/三角形混合, 同时还提供了五种网格划分的方法。 表 1、 2 分别列举了五种网格划分的方法以及它们的适用类型。 方法 描述 Map 创建四边形的结构性网格 Submap 将一个不规则的区域划分为几个规则区域并分别划分结构性网格。 方法 描述 Pave 创建非结构性网格 Tri Primitive 将一个三角形区域划分为三个四边形区域并划分规则网格。 Wedge Primitive 在一个楔形的尖端划分三角形网格, 沿着楔形向外辐射, 划分四边形网格。 表 1 适用类型 方法 Quad Tri Quad/Tri Map   Submap  Pave    Tri Primitive  Wedge Primitive  表 2 下面仍然以二维轴对称自由射流的网格划分为例, 来介绍各种网格的生成。 ①单击命令面板中的按钮(Mesh Face), 进入面的网格创建命令面板(见图 25)。 图 25 ②选择视图中的面, 系统中默认的网格点的类型为四边形结构网格。 单击 Apply按钮, 观察网格的生成(见图 26)。 图 26 ③在命令面板的 Type 中选择网格类型为 Pave, 单击 Apply 按钮, 观察网格的生成(见图 27) 。 图 27 ④选择 Element 类型为 Tri, 单击 Apply 按钮, 观察网格的生成(见图 28) 。 图 28 1.4 边界的定义 在 Gambit 中, 我们可以先定义好各个边界条件的类型, 具体的边界条件取值在 Fluent 中确定。 1. 在菜单栏中选择 Fluent/Fluent5。 这个步骤是不可缺少的, 它相当于给Gambit 定义了一个环境变量, 设置完之后, 定义的边界条件类型和 Fluent5中的边界类型相对应。 2. 在命令面板中单击按钮, 进入区域类型(Zone Type) 定义面板。 3. 单击按钮, 出现 Specify Boundary type 对话框(见图 29)。 图 29 4. 选择 Entity类型为 Edge。在视图中选择 Edge1, 在 Name 区域中输入 Wall,选择 Type 为 Wall, 即定义 Edge1 的边界条件为固壁条件, 取名为 Wall。 5. 选择 Edge2, 定义边界条件为压力入流条件(Pressure Inlet), 取名为 Inflow。 6. 选择 Edge4, 定义边界条件为压力出流条件(Pressure Outlet), 取名为Outflow。 7. 选择 Edge5、 6, 定义边界条件为远场压力条件(Pressure Far-field), 取名为 Outflow1。 8. 选择 Edge3, 定义边界条件为轴对称条件(Axis), 取名为 Axis。 1.5 保存和输出 Fluent 需要导入的是 msh 文件, 而 Gambit 如果需要修改则需保存 dbs 文件。 1. 在菜单栏中选择 File/Save as, 在对话框中输入文件的路径和名称。(注意: 在 Gambit 中要往一个文本框中输入文字或数字, 必须先将鼠标在文本框中单击选中文本框) 后缀名: dbs 文件 2. 选择 File/Export/Mesh, 输入文件的路径和名称。 后缀名: msh 文件 第二部分 FLUENT 第 1 章 fluent 序言 FLUENT 是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。 对于大梯度区域, 如自由剪切层和边界层, 为了非常准确的预测流动, 自适应网格是非常有用的。 1.应用领域 FLUENT 解算器有如下模拟能力:  用非结构自适应网格模拟 2D 或者 3D 流场, 它所使用的非结构网格主要有三角形/五边形、 四边形/五边形, 或者混合网格, 其中混合网格有棱柱形和金字塔形。(一致网格和悬挂节点网格都可以)  不可压或可压流动  定常状态或者过渡分析  无粘, 层流和湍流  牛顿流或者非牛顿流  对流热传导, 包括自然对流和强迫对流  耦合热传导和对流  辐射热传导模型  惯性(静止) 坐标系非惯性(旋转) 坐标系模型  多重运动参考框架, 包括滑动网格界面和 rotor/stator interaction modeling 的混合界面  化学组分混合和反应, 包括燃烧子模型和表面沉积反应模型  热, 质量, 动量, 湍流和化学组分的控制体源  粒子, 液滴和气泡的离散相的拉格朗日轨迹的计算, 包括了和连续相的耦合  多孔流动  一维风扇/热交换模型  两相流, 包括气穴现象  复杂外形的自由表面流动 上述各功能使得 FLUENT 具有广泛的应用, 主要有以下几个方面  Process and process equipment applications  油/气能量的产生和环境应用  航天和涡轮机械的应用  汽车工业的应用  热交换应用  电子/HVAC/应用  材料处理应用  建筑设计和火灾研究 总而言之, 对于模拟复杂流场结构的不可压缩/可压缩流动来说, FLUENT 是很理想的软件。 2.  解决问题的步骤 当你决定使 FLUENT 解决某一问题时, 首先要考虑如下几点问题: 定义模型目标: 从 CFD 模型中需要得到什么样的结果? 从模型中需要得到什么样的精度; 选择计算模型: 你将如何隔绝所需要模拟的物理系统, 计算区域的起点和终点是什么? 在模型的边界处使用什么样的边界条件? 二维问题还是三维问题?什么样的网格拓扑结构适合解决问题? 物理模型的选取: 无粘, 层流还湍流? 定常还是非定常? 可压流还是不可压流? 是否需要应用其它的物理模型? 确定解的程序: 问题可否简化? 是否使用缺省的解的格式与参数值? 采用哪种解格式可以加速收敛? 使用多重网格计算机的内存是否够用? 得到收敛解需要多久的时间? 在使用 CFD 分析之前详细考虑这些问题, 对你的模拟来说是很有意义的。 当你计划一个 CFD 工程时, 请利用提供给 FLUENT 使用者的技术支持。 . 解决问题的步骤 确定所解决问题的特征之后, 你需要以下几个基本的步骤来解决问题: 1. 创建网格. Gambit 2. 运行合适的解算器: 2D、 3D、 2DDP、 3DDP。 3. 输入网格 file-read-case 4. 检查网格 grid-check 5. 选择解的格式 define-models-solver 6. 选择需要解的基本方程: 层流还是湍流(无粘)、 化学组分还是化学反应、 热传导模型等 solve-controls 7. 确定所需要的附加模型: 风扇, 热交换, 多孔介质等。 Define-user defined 8. .指定材料物理性质 define-material 8. 指定边界条件 define-boundary conditions 9. 调节解的控制参数 solve-controls 10. 初始化流场 solve-initialize 11. 计算解 sovlve-iterate 12. 检查结果 13. 保存结果 file-write-date&amp;case 14. 必要的话, 细化网格, 改变数值和物理模型。 第 2 章 FLUENT 文件读入 1.  读入新的网格文件 ①读入 gambit 画好的 msh 文件。 File-read-case, 找到 msh 文件路径, 点击确定。之后进行设置, 设置好的 case 需要保存 case 和 data。 ②读入设置过的 case 文件。 用特定网格设定完 case 文件之后, 你可以将新网格与已知边界条件, 材料属性, 解参数等结合。 这一功能一般用于产生比正在使用更好的网格, 此时你不用重新输入所有的边界条件, 材料属性和参数。 只要新网格和原来的网格有相同的区域结构即可 新旧网格应该具有同一区域, 并具有相同的顺序, 否则会有警告出现, 因为相容性可能会造成边界条件的问题。 在文本界面使用 file/reread-grid 命令读入新网格 在进行网格适应的时候必须保存新的 case 文件和 data 文件, 否则新的 data据文件将和 case 文件不符。 如果你不保存一个更新的 case 或 data 文件, FLUENT会给出警告。 2.自动保存 Case 文件和 Data 文件 在计算过程中一般是需要自动保存文件的, 否则因为断电等故障可能造成计算前功尽弃。 FLUENT 允许我们在计算时设定间隔保存文件。 这一功能在时间相关计算时是非常有用的, 因为它使得我们不必中断计算来保存结果。 对于定常问 题也可以使用自动保存功能, 从而可以检验迭代过程中不同状态的解 点击菜单 File/wite/utosave..., 弹出下图: Figure 1:自动保存 Case/Data 面板 在这个面板中必须设定保存频率和文件名, 保存频率的默认值是零, 也就是说默认没有自动保存。 定常流是在迭代中指定保存频率, 非定常流是在时间步中指定保存频率(若使用显式时间步进法也是在迭代中设定保存频率)。 如果保存频率是 10, 那么在定常计算中每迭代 10 步保存一次。 FLUENT 自动保存不同的文件类型, 用后缀来区分.cas、 dat、 gz 或者.Z。 所有自动保存的设置都存在 case 文件中。 第 3 章 网格检查 网格检查是最容易出的问题是网格体积为负数。 如果最小体积是负数你就需要修复网格以减少解域的非物理离散。 3.1 在选择网格的时候, 你应该考虑下列问题:   初始化的时间  计算花费  数值耗散 3.1.1 初始化的时间 很多实际问题是具有复杂几何外形的, 对于这些问题采用结构网格或块结构网格可能要花费大量的时间, 甚至根本无法得到结构网格。 复杂几何外形初始化时间的限制刺激了人们在非结构网格中使用三角形网格和四面体网格。 然而, 如果你的几何外形并不复杂的话, 两种方法所耗费的时间没有明显差别 如果你已经有了结构网格代码如 FLUENT 6 生成的网格, 那么在 FLUENT 中使用该网格会比重新生成网 格节约大量的时间。 这一特点也刺激了 人们在FLUENT 仿真中使用四边形网格和六面体网格。 注意: FLUENT 有一个格式转 换器允许你从其它程序中读入结构网格。 3.1.2 计算花费 当几何外形太复杂或者流动的长度尺度太大时, 三角形网格和四面体网格所生成的单元会比等量的包含四边形网格和六面体网格的单元少得多。 这是因为三角形网格和四面体网格允许单元聚集在流域的所选区域, 而四边形网格和六面体网格会在不需要加密的地方产生单元。 非结构的四边形网格和六面体网格为对于一般复杂外形提供了许多三角形和四面体网格的优点。 四边形和六边形单元的一个特点就是它们在某些情况下可以允许比三角形/四面体单元更大的比率。 三角形/四面体单元的大比率总会影响单元的歪斜。 因此, 如果你有相对简单的几何外形, 而且流动和几何外形很符合, 比如长管, 你就可以使用大比率的四边形和六边形单元。 这种网格可能会比三角形/四面体网格少很多单元。 3.1.3 数值耗散 多维条件下主要的误差来源就是数值耗散又被称为虚假耗散(之所以被称为虚假的, 是因为耗散并不是真实现象, 而是它和真实耗散系数影响流动的方式很类似)。 关于数值耗散有如下几点: 当真实耗散很小时, 即对流占主导地位时, 数值耗散是显而易见的。 所有的解决流体问题的数值格式都会有数值耗散, 这是因为数值耗散来源于截断误差, 截断误差是描述流体流动的离散方程导致的。 FLUENT 中所用的二阶离散格式可以帮助减少解的数值耗散的影响。 数值耗散量的大小与网格的分辨率成反比。 因此解决数值耗散问题的一个方法就是精化网格。 当流动和网格成一条直线时数值耗散最小(所以我们才要使用结构网格来计算啊) 最后一点和网格选择最有关系。 很明显, 使用三角形/四面体网格流动永远不会和网格成一条直线, 而如果几何外形不是很复杂时, 四边形网格和六面体网格可能就会实现流动和网格成一条线。 只有在简单的流动, 如长管流动中, 你才可以使用四边形和六面体网格来减少数值耗散, 而且在这种情况下使用四边形和流面体网格有很多优点, 因为与三角形/四面体网格相比你可以用更少的单元得 到更好的解。 3.2 网格质量 对计算精度和稳定性有很大的影响。 网格质量包括: 节点分布, 光滑性, 以及歪斜的角度(skewness)。 3.2.1 节点密度和聚集度 连续性区域被离散化使得流动的特征解(剪切层, 分离区域, 激波, 边界层和混合区域) 与网格上节点的密度和分布直接相关。 在很多情况下, 关键区域的弱解反倒戏剧化的成了流动的主要特征。 比如: 由逆压梯度造成的分离流强烈的依靠边界层上游分离点的解。 边界层解(即网格近壁面间距) 在计算壁面剪切应力和热传导系数的精度时有重要意义。 这一结论在层流流动中尤其准确, 网格接近壁面需要满足: 1xpvuy 其中 p y =从临近单元中心到壁面的距离;u =自由流速度 ; v =流体的动力学粘性系数 ;X =从边界层起始点开始沿壁面的距离。 上面的方程基于零攻角层流流动的Blasius 解[139]。 网格的分辨率对于湍流也十分重要。 由于平均流动和湍流的强烈作用, 湍流的数值计算结果往往比层流更容易受到网格的影响。 在近壁面区域, 不同的近壁面模型需要不同的网格分辨率。 一般说来, 无流动通道应该用少于 5 个单元来描述。 大多数情况需要更多的单元来完全解决。 大梯度区域如剪切层或者混合区域, 网格必须被精细化以保证相邻单元的变量变化足够小。 不幸的是要提前确定流动特征的位置是很困难的。而且在复杂三维流动中, 网格是要受到 CPU 时间和计算机资源的限制的。 在解运行时和后处理时, 网格精度提高, CPU 和内存的需求量也会随之增加。 自适应网格技术可用于在流场的发展基础上提高和/或减少网格密度, 并因此而提供了网格使用更为经济的方法。 3.2.2 光滑性 临近单元体积的快速变化会导致大的截断误差。 截断误差是指控制方程偏导数和离散估计之间的差值。FLUENT 可以改变单元体积或者网格体积梯度来精化 网格从而提高网格的光滑性 3.2.3 单元的形状 单元的形状(包括单元的歪斜和比率) 明显的影响了数值解的精度。 单元的歪斜可以定义为该单元和具有同等体积的等边单元外形之间的差别。 单元的歪斜太大会降低解的精度和稳定性。 比方说: 四边形网格最好的单元就是顶角为 90度, 三角形网格最好的单元就是顶角为 60 度。 比率是表征单元拉伸的度量。 正如在计算花费一节所讨论的, 对于各向异性流动, 过渡的比率可以用较少的单元产生较为精确的结果。 但是一般说来应该尽量避免比率大于 5:1。 3.2.4 流动流场相关性 分辨率、 光滑性、 单元外形对于解的精度和稳定性的影响强烈的依赖于所模拟的流场。 例如: 在流动开始的区域可以忍受过渡歪斜的网格, 但是在具有大流动梯度的区域这一特点可能会使得整个计算无功而返。 因为大梯度区域是无法预先知道的, 所以我们只能尽量的使整个流域具有高质量的网格。 3.3 检查网格 FLUENT 中的网格检查提供了区域扩展、 体积统计、 网格拓扑结构和周期性边界的信息, 单一计算的确认以及关于 X 轴的节点位置的确认(对于轴对称算例)。 蔡单为: Grid/Check。 注意: 我们推荐读入解算器之后检查网格的正确性,以在设定问题之前检查任何网格错误。 3.3.1 网格检查信息 网格检查信息会出现在控制台窗口。 下面是一个例子。 Grid Check Domain Extents: x-coordinate: min (m) = 0.000000e+00, max (m) = 6.400001e+01 y-coordinate: min (m) = -4.538534e+00, max (m) = 6.400000e+01 Volume statistics: minimum volume (m3): 2.782193e-01 maximum volume (m3): 3.926232e+00 total volume (m3): 1.682930e+03 Face area statistics: minimum face area (m2): 8.015718e-01 maximum face area (m2): 4.118252e+00 Checking number of nodes per cell. Checking number of faces per cell. Checking thread pointers. Checking number of cells per face. Checking face cells. Checking face handedness. Checking element type consistency. Checking boundary types: Checking face pairs. Checking periodic boundaries. Checking node count. Checking nosolve cell count. Checking nosolve face count. Done. 区域范围列出了 X、 Y 和 Z 坐标的最大值最小值, 单位是米。 体积统计包括单元体积的最大值、 最小值以及总体积, 单位是立方米。 体积为负值表示一个或多个单元有不正确的连接。 通常说来我们可以用 Iso-Value Adaption 确定负体积单元, 并在图形窗口中察看它们。 进行下一步之前这些负体积必须消除。 拓扑信息首先是每一单元的面和节点数。 三角形单元应该有三个面和三个节点, 四面体单元应该有四个面和四个节点, 四边形单元应该有四个面和四个节点,六面体单元应该有六个面和八个节点。 下一步, 每一区域的旋转方向将会被检测, 区域应该包含所有的右手旋向的面。 通常有负体积的网格都是左手旋项。 在这些连通性问题没有解决之前是无法获得流动的解的。 最后的拓扑验证是单元类型的相容性。 如果不存在混合单元(三角形和四边形或者四面体和六面体混合), FLUENT 会确定它不需要明了单元类型, 这样做可以消除一些不必要的工作。 对于轴对称算例, 在 x 轴下方的节点数将被列出。 对于轴对称算例来说 x 轴下方是不需有节点的, 这是因为轴对称单元的体积是通过旋转二维单元体积得到的, 如果 x 轴下方有节点, 就会出现负体积。 对于具有旋转周期性边界的解域, FLUENT 会计算周期角的最大值、 最小值、平均值以及规定值。 通常容易犯的错误是没有正确的指定角度。 对于平移性周期 边界, FLUENT 会检测边界信息以保证边界确实是周期性的。 最后, 证实单一计算。 FLUENT 会降解算器所建构的节点、 面和单元的数量与网格文件的相应声明相比较。 任何不符都会被报告出来。 3.3.2 网格统计报告 网格读入到 FLUENT 中之后有几种方法报告它的信息, 你可以报告当前问题的内存使用信息, 网格的尺寸, 网格分割的统计也可以报告一个区域接一个区域的单元和表面的统计数据。 3.3.3 网格尺寸 点击菜单 Grid/Info/Size 你可以输出节点数、 表面数、 单元数以及网格的分区数。 网格的分区是并行处理所需要的功能。 下面是一个输出的结果 Grid Information Level Cells Faces Nodes Partitions 0 48 82 35 1 如 果 你 对 于 不 同 区 域 内 有 多 少 节 点 和 表 面 被 分 开 有 兴 趣, 请点 击 菜 单Grid/Info/Zones 如果你用的是耦合显式解, 将会在每个网格层面的信息。 网格层面的信息源于FAS 多重网格加速方法所产生的粗糙网格层面。 下面是一个输出结果: Grid Information Level Cells Faces Nodes Partitions 0 48 82 35 1 1 18 52 0 1 2 7 37 0 1 3 3 27 0 1 4 1 20 0 1 3.3.4 网格区域信息 点击菜单 Grid/Info/Zones 你可以在控制台窗口输出每一区域的节点、 表面和单元的信息。 网格区域信息包括节点总数, 以及对于每一个表面和单元区域来说 的表面和单元数、 单元的类型, 边界条件类型, 区域标志等。 下面是一个网格区域信息的例子: Zone sizes: 21280 hexahedral cells, zone 4. 532 quadrilateral velocity-inlet faces, zone 1. 532 quadrilateral pressure-outlet faces, zone 2. 1040 quadrilateral symmetry faces, zone 3. 1040 quadrilateral symmetry faces, zone 7. 61708 quadrilateral interior faces, zone 5. 1120 quadrilateral wall faces, zone 6. 23493 nodes. 3.3.5 划分(Partition) 统计 获取划分统计的信息请点击菜单 Grid/Info/Partitions menu item.。 统计包括单元数, 表面数, 界面数和与每一划分相邻的划分数。 注意我们也可以在划分网格面板点击输出划分按钮生成这个报告。 3.4 修改网格 网格被读入之后有几种方法可以修改它。 你可以标度和平移网格, 可以合并和分离区域, 创建或切开周期性边界。 除此之外, 你可以在区域内记录单元以减少带宽。 还可以对网格进行光滑和交换处理。 并行处理时还可以分割网格。 注意: 不论你何时修改网格, 你都应该保存一个新的 case 文件和数据文件(如果有的话)。 如果你还想读入旧的 data 文件, 也要把旧的 case 保留, 因为旧的数据无法在新的 case 中使用。 第 4 章 FLUENT 求解 FLUENT 提供两种数值求解方法: 分离解法(&quot;FLUENT/UNS&quot;)和耦合解法 4.1.  压力入口边界条件 对于压力入口边界条件你需要输入如下信息:  驻点总压  驻点总温  流动方向  静压  湍流参数(对于湍流计算)  辐射参数(对于使用 P-1 模型、 DTRM 模型或者 DO 模型的计算)  化学组分质量百分比(对于组分计算)  混合分数和变化(对于 PDF 燃烧计算)  程序变量(对于预混和燃烧计算)  离散相边界条件(对于离散相的计算)  次要相的体积分数(对于多相计算) 速度入口边界条件需要输入下列信息  速度大小与方向或者速度分量。  旋转速度(对于具有二维轴对称问题的涡流)。  温度(用于能量计算)。  Outflow gauge pressure (for calculations with the coupled solvers)  湍流参数(对于湍流计算)  辐射参数(对于 P-1 模型、 DTRM 或者 DO 模型的计算)  化学组分质量百分数(对于组分计算)。  混合分数和变化(对于 PDE 燃烧计算)。  发展变量(对于预混和燃烧计算)。  离散相边界条件(对于离散相计算)  二级相的体积分数(对于多相流计算) Fluent 的两种解法都可以解守恒型积分方程, 其中包括动量、 能量、 质量以及其他标量如湍流和化学组分的守恒。 在两种情况下都应用了控制体技术, 它包括: 使用计算网格对流体区域进行划分; 离散方程的线化以及获取线性方程结果以更新相关变量的值。 下面是对每步迭代的介绍: 1. 在当前解的基础上, 更新流体属性(如果计算刚刚开始, 流体的属性用初始解来更新) 2. 为了更新流场, u, v 和 w 的动量方程用当前压力和表面质量流量按顺序解出。 3. 因为第一步得到的速度可能在局部不满足连续性方程, 所以从连续性方程和线化动量方程推导出压力校正的泊松方程。 然后解出压力校正方程获取压力和速度场以及表面质量流量的必要校正从而满足连续性方程。 4. 在适当的地方, 用前面更新的其它变量的数值解出湍流、 能量、 组分与及辐射等标量。 5. 当包含相间耦合时, 可以用离散相轨迹计算来更新连续相的源项。 6. 检查设定的方程的收敛性。 隐式:   对于给定变量, 单元内的未知值用邻近单元的已知和未知值计算得出。 因此,每一个未知值会在不止一个方程中出现, 这些方程必须同时解来给出未知量。 显式:   对于给定变量, 每一个单元内的未知量用只包含已知量的关系式计算得到。因此未知量只在一个方程中出现, 而且每一个单元内的未知量的方程只需解一次就可以给出未知量的值。 4.2.动量方程求解精度 4.2.1 一阶迎风格式 当需要一阶精度时, 我们假定描述单元内变量平均值的单元中心变量就是整个单元内各个变量的值, 而且单元表面的量等于单元内的量。 因此, 当选择一阶迎风格式时, 表面值被设定等于迎风单元的单元中心值。 4.2.2 二阶迎风格式 当需要二阶精度时, 使用多维线性重建方法[5]来计算单元表面处的值。 在这种方法中, 通过单元中心解在单元中心处的泰勒展开来实现单元表面的二阶精度值。 因此, 当使用二阶迎风格式时, 用下面的方程来计算表面值 f_f; 4.2.3 QUICK 格式 对于四边形和六面体网格, 我们可以确定它们唯一的上游和下游表面以及单元。 FLUENT 还提供了计算对流变量 在表面处高阶值的 QUICK 格式。 QUICK类型的格式[95]是通过变量的二阶迎风与中心插值加上适当的权因子得到的; 4.2.4 一阶与二阶的比较 当流动和网格成一条线时(如: 矩形网格或者六面体网格模拟矩形导管的层流流动), 可以使用一阶迎风离散格式。 但是, 当流动和网格不在一条线上时 (即:流动斜穿网格线) 一阶对流离散增加了 对流离散的误差(数值耗散)。 对于三角形和四面体网格, 流动从来就不会和网格成一条线, 此时一般要使用二阶离散来获取更高精度的结果。 对于四边形或者六面体网格, 如果使用二阶离散格式, 尤其是对于复杂流动来说, 你可以获取更好的结果。 总而言之, 一阶离散一般会比二阶离散收敛得好, 但是精度要差, 尤其是对于三角形或者四面体网格精度更差。 关于控制收敛性的信息请参阅收敛性和稳定性一节。 对于大多数情况, 你可以在计算的开始使用二阶格式。 对于有些情况, 你应该以一阶离散开始计算, 在进行了初步迭代之后再转到二阶格式。 例如, 如果你解高马赫数流动问题, 初始解科所预期的解相差较大, 你就应该先用一阶格式迭代几步然后打开二阶格式继续计算直至收敛。 对于与网格成一条线的简单流动(如: 划分为矩形网格或者六面体网格的矩形导管的层流流动), 数值耗散自然会很低, 所以一般使用一阶格式替代二阶格式而不损失精度。 最后, 如果你使用二阶格式遇到收敛性问题, 你就应该尝试使用一阶格式。 4.3.选择压力插值格式 如压力插值格式所述, 当使用分离求解器时我们可以采用很多压力插值格 式。 对于大多数情况, 标准格式已经足够了, 但是对于特定的某些模型使用其它格式可能会更好:  对于具有较大体积力的问题, 推荐使用体积力加权格式。  对于具有高涡流数, 高 Rayleigh 数自然对流, 高速旋转流动, 包含多孔介质的流动和高度扭曲区域的流动, 使用 PRESTO!格式。 注意: PRESTO! 只能用于四边形或者六面体网格。  对于可压流动推荐使用二阶格式。 当其它格式不适用时, 使用二阶格式来提高精度(如: 对于流过具有非六面体或者非四边形网格的曲面边界的流动。 4.4.选择压力速度耦合方法 在分离求解器中, FLUENT 提供了 压力速度耦合的三种方法: SIMPLE,SIMPLEC 以及 PISO。 定常状态计算一般使用 SIMPLE 或者 SIMPLEC 方法, 对于过渡计算推荐使用 PISO 方法。PISO 方法还可以用于高度倾斜网格的定常状态计算和过渡计算。 需要注意的是压力速度耦合只用于分离求解器, 对于耦合求解器你不可以使用它。 4.4.1 SIMPLE SIMPLE 算法使用压力和速度之间的相互校正关系来强制质量守恒并获取压力场。 4.4.2 SIMPLE 与 SIMPLEC 比较 在FLUENT中 ,可 以 使 用 标 准SIMPLE算 法 和SIMPLEC(SIMPLE-Consistent) 算法, 默认是 SIMPLE 算法, 但是对于许多问题如果使用 SIMPLEC 可能会得到更好的结果, 尤其是可以应用增加的亚松驰迭代时, 具体介绍如下。 对于相对简单的问题(如: 没有附加模型激活的层流流动), 其收敛性已经被压力速度耦合所限制, 你通常可以用 SIMPLEC 算法很快得到收敛解。 在SIMPLEC 中, 压力校正亚松驰因子通常设为 1.0, 它有助于收敛。 但是, 在有些问题中, 将压力校正松弛因子增加到 1.0 可能会导致不稳定。 对于这种情况, 你需要使用更为保守的亚松驰或者使用 SIMPLE 算法。 对于包含湍流和/或附加物理模型的复杂流动, 只要用压力速度耦合做限制, SIMPLEC 会提高收敛性。 它通常是一种限制收敛性的附加模拟参数, 在这种情况下, SIMPLE 和 SIMPLEC会给出相似的收敛速度。 4.4.3 亚松驰 由于 FLUENT 所解方程组的非线性, 我们有必要控制 的变化。 一般用亚松驰方法来实现控制, 该方法在每一部迭代中减少了 f的变化量。 亚松驰最简单的形式为: 单元内变量 f等于原来的值 f_old 加上亚松驰因子 a 与 f变化的积: old 4.4.4 设定亚松驰因子 如亚松驰一节所述, 分离求解器使用亚松驰来控制每一步迭代中的计算变量 的更新。 这就意味着, 使用分离求解器解的方程, 包括耦合求解器所解的非耦合方程(湍流和其他标量) 都会有一个相关的亚松驰因子。 在 FLUENT 中, 所有变量的默认亚松驰因子都是对大多数问题的最优值。 这个值适合于很多问题, 但是对于一些特殊的非线性问题(如: 某些湍流或者高Rayleigh 数自然对流问题), 在计算开始时要慎重减小亚松驰因子。 使用默认的亚松驰因子开始计算是很好的习惯。 如果经过 4 到 5 步的迭代残差仍然增长, 你就需要减小亚松驰因子。 有时候, 如果发现残差开始增加, 你可以改变亚松驰因子重新计算。 在亚松驰因子过大时通常会出现这种情况。 最为安全的方法就是在对亚松驰因子做任何修改之前先保存数据文件, 并对解的算法做几步迭代以调节到新的参数。 最典型的情况是, 亚松驰因子的增加会使残差有少量的增加, 但是随着解的进行残差的增加又消失了。 如果残差变化有几个量级你就需要考虑停止计算并回到最后保存的较好的数据文件。 对于大多数流动, 不需要修改默认亚松弛因子。 但是, 如果出现不稳定或者发散你就需要减小默认的亚松弛因子了, 其中压力、 动量、 k 和 e 的亚松弛因子默认值分别为 0.2, 0.5, 0.5 和 0.5。 对于 SIMPLEC 格式一般不需要减小压力的亚松弛因子。 在密度和温度强烈耦合的问题中, 如相当高的 Rayleigh 数的自然或混合对流流动, 应该对温度和/或密度(所用的亚松弛因子小于 1.0) 进行亚松弛。 相反, 当温度和动量方程没有耦合或者耦合较弱时, 流动密度是常数, 温度的亚松弛因子可以设为 1.0。 对于其它的标量方程, 如漩涡, 组分, PDF 变量, 对于某些问题默认的亚松弛可能过大, 尤其是对于初始计算。 你可以将松弛因子设为 0.8 以使得收敛更容易。 4.5. 监视解的收敛  在解算过程中, 我们可以通过检查残差、 统计、 力的数值和曲面积分等参数来动态监视收敛性。 我们可以以报告的方式或者图表的方式输出解变量的参数,具体可以处理的参数包括升力、 阻力、 力矩系数、 曲面积分和残差。 对于非定常流动, 我们还可以监视已经过去的时间。 下面具体介绍一下每一个监视的功能。 4.5.1 监视残差 在每一步迭代之后, 求解器就会将每一个守恒变量的残差计算出来并保存,这样就相当于记录了收敛的历史。 求解器会将这些历史记录保存在数据文件中。至于残差是如何定义的, 需要注意哪些问题, 请参阅下面两节: 分离求解器残差的定义、 耦合求解器残差的定义。 如果假定计算机是具有无限精度的, 那么解收敛也就意味着残差是零。 实际的计算机都是具有有限精度的, 所以当残差减小到某些较小值(截断) 就不再变化了(&quot;level out&quot;)。 对于单精度计算(工作站和大多数计算机的默认情况), 在达到截断之前, 残差可以减小六个量级。 双精度残差可以减小十二个量级。 关于判断收敛的原则可以参阅判断收敛性一节。 4.5.2 分离求解器残差的定义 离散之后, 一般变量 f在单元 P 中的守恒方程可以写成: baPaPnbnbnb 其中 a_P 是中心系数, a_nb 是邻近单元的影响系数, b 是源项 S= S_c + S_P f的常数部分 S_c 和边界条件的贡献。 在方程 1 中, SpaaPnbnb 由 FLUENT 分离求解器计算的残差 R^f 是在所有计算单元 P 中方程 1 总和的不平衡。 这是指非标度的残差。 可以写成:  cellsnbnbnbPaPbaR FLUENT 使用代表 f通过区域的流动速度作为标度因子来标度残差。 标度的残差定义为: cells cellsnbnbnbPaPpPaPbapR 对于动量方程, 分母项 a_P f_P 由 a_p v_p 替换, 其中 v_p 是单元 P 上的速度大小。 FLUENT 允许你对残差实行标准化, 标准化的方法就是将残差除以 M 步迭代之后残差的最大值, 其中的 M 你可以在残差监视面板迭代框中的标准化框中设定。 citerationMciterationNRRR 这样的标准化保证了所有方程的初始残差都是 1 的小量 O(1)因此在判断所有的收敛性时有时是很有用的。 在默认的情况下, M = 5。 你也可以在残差监视设定面板中手动设定标准化因子(方程 13 种的分母)。 4.5.3 耦合求解器残差的定义 耦合求解器的残差就是守恒变量(W) 随时间的变化速度。 RMS 残差是区域内每一个单元残差平方的均方根:  W2tWR 第 5 章 FLUENT 图像处理 系统独有的页面设置面板功能: 在图形显示窗口的上端单击鼠标右键显示Page Setup..菜单, 弹出页面设置面板如下: 第一个 Color: 允许你选择是否使用彩色图 第二个 Color: 选择彩色图形 Gray Scale: 选择灰度比例图 Monochrome: 选择黑白图 Color Quality: 允许你指定图形的色彩模式 True Color: 创建一个由 RGB 值定义的图, 这假定了你的打印机或者显示器有至少 65536 个色彩或无限色彩。 Mapped Color: 用色彩图创建图形, 这对于只有 256 色的设备是一个不错的选择 Dithered Color: 用 20 个或更少的色彩创建一个颤动图 Clipboard Formats: 允许你选择所需格式复制到剪贴板。 图形窗口的大小会影响剪贴板图形的尺寸。 要得到最好的结果最好是调节图形窗口的尺寸并用 Windows 剪贴板查看器检查剪贴板图形。 Bitmap: 图形窗口以位图形式复制 DIB Bitmap: 是一个与设备有关的图形窗口位图复制 Metafile: 是一个 Windows 图元文件 Enhanced Metafile: 是一个 Windows 增强图元文件 Picture Format: 允许你指定光栅和矢量图 Vector: 创建矢量图, 这一格式在打印时有很高的清晰度, 但是一些大的 3D图可能会花很长时间来打印 Raster: 创建光栅图, 这一格式在打印时有相对较低的清晰度, 但是一些大的 3D 图可能会花较少时间来打印 Printer Scale %: 控制打印图形覆盖页面的范围, 减少尺度会有效...

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