1、ANSYS FLUENT 培训教材 第一节：CFD简介,安世亚太科技（北京）有限公司,什么是 CFD?,CFD是计算流体动力学（Computational fluid dynamics）的缩写，是预测流体流动、传热传质、化学反应及其他相关物理现象的一门学科。CFD一般要通过数值方法求解以下的控制方程组 质量守恒方程 动量守恒方程 能量守恒方程 组分守恒方程 体积力 等等 CFD 分析一般应用在以下阶段: 概念设计 产品的详细设计 发现问题 改进设计 CFD分析是物理试验的补充，但更节省费用和人力。,CFD如何工作?,ANSYS CFD 求解器是基于有限体积法的 计算域离散化为一系列控制体积 在
2、这些控制体上求解质量、动量、能量、组分等的通用守恒方程偏微分方程组离散化为代数方程组 用数值方法求解代数方程组以获取流场解,Fluid region of pipe flow is discretized into a finite set of control volumes.,Equation VariableContinuity 1X momentum uY momentum vZ momentum wEnergy h,* FLUENT control volumes are cell-centered (i.e. they correspond directly with the me
3、sh) while CFX control volumes are node-centered,Unsteady,Convection,Diffusion,Generation,CFD 模拟概览,问题定义 确定模拟的目的 确定计算域前处理和求解过程 创建代表计算域的几何实体 设计并划分网格 设置物理问题（物理模型、材料属性、域属性、边界条件 ） 定义求解器 （数值格式、收敛控制 ） 求解并监控后处理过程 查看计算结果 修订模型,Problem Identification Define goals Identify domain,Pre-Processing Geometry Mesh Phy
4、sics Solver Settings,Solve Compute solution,Post Processing Examine results,Update Model,1. 定义模拟目的,你希望得到什么样的结果（例如，压降，流量），你如何使用这些结果？ 你的模拟有哪些选择？ 你的分析应该包括哪些物理模型（例如，湍流，压缩性，辐射）？ 你需要做哪些假设和简化？ 你能做哪些假设和简化（如对称、周期性）？ 你需要自己定义模型吗？ FLUENT使用UDF，CFX使用 User FORTRAN计算精度要求到什么级别？你希望多久能拿到结果？CFD是否是合适的工具？,Problem Identif
5、ication Define goals Identify domain,2. 确定计算域,如何把一个完成的物理系统分割出来？计算域的起始和结束位置 在这些位置你能获得边界条件吗？ 这些边界条件类型合适吗？ 你能把边界延伸到有合适数据的位置吗？能简化为二维或者轴对称问题吗？,Problem Identification Define goals Identify domain,Domain of Interest as Part of a Larger System (not modeled),Domain of interest isolated and meshed for CFD sim
6、ulation.,3. 创建几何模型,你如何得到流体域的几何模型？ 使用现有的CAD模型 从固体域中抽取出流体域？ 直接创建流体几何模型 你能简化几何吗？ 去除可能引起复杂网格的不必要特征（倒角、焊点等） 使用对称或周期性？ 流场和边界条件是否都是对称或周期性的？ 你需要切分模型以获得边界条件或者创建域吗？,Solid model of a Headlight Assembly,Pre-Processing Geometry Mesh Physics Solver Settings,4. 设计和划分网格,计算域的各个部分都需要哪种程度的网格密度？ 网格必须能捕捉感兴趣的几何特征，以及关心变量的
7、梯度，如速度梯度、压力梯度、温度梯度等。 你能估计出大梯度的位置吗？ 你需要使用自适应网格来捕捉大梯度吗？ 哪种类型的网格是最合适的？ 几何的复杂度如何？ 你能使用四边形/六面体网格，或者三角形/四面体网格是否足够合适？ 需要使用非一致边界条件吗？ 你有足够的计算机资源吗？ 需要多少个单元/节点？ 需要使用多少个物理模型？,Pyramid,Prism/Wedge,Hexahedron,Pre-Processing Geometry Meshing Physics Solver Settings,Triangle,Quadrilateral,Tetrahedron,四边形/六面体还是三角形/四面
8、体网格,对沿着结构方向的流动，四边形/六面体网格和三角形/四面体网格相比，能用更少的单元/节点获得高精度的结果 当网格和流动方向一致，四边形/六面体网格能减少数值扩散 在创建网格阶段，四边形/六面体网格需要花费更多人力,四边形/六面体还是三角形/四面体网格,Tetrahedral mesh,Wedge (prism) mesh,对复杂几何，四边形/六面体网格没有数值优势，你可以使用三角形/四面体网格或混合网格来节省划分网格的工作量 生成网格快速 流动一般不沿着网格方向 混合网格一般使用三角形/四面体网格，并在特定的域里使用其他类型的单元 例如，用棱柱型网格捕捉边界层 比单独使用三角形/四面体网
9、格更有效,多域（或混合）网格,多域或混合网格在不同的域使用不同的网格类型，例如 在风扇和热源处使用六面体网格 在其他地方使用四面体/棱柱体网格多域网格是求解精度、计算效率和生成网格工作量之间的很好的平衡手段当不同域直接的网格节点不一致时，需要使用非一致网格技术。,Model courtesy of ROI Engineering,非一致网格,对复杂几何体，非一致网格很有用 分别划分每一个域，然后粘接 在其他情况下，也使用非一致网格界面技术 不同坐标系之间 移动网格,Non-conformal interface,3D Film Cooling Coolant is injected into
10、a duct from a plenum. The plenum is meshed with tetrahedral cells while the duct is meshed with hexahedral cells,Compressor and Scroll The compressor and scroll are joined through a non conformal interface. This serves to connect the hex and tet meshes and also allows a change in reference frame,设置物
11、理问题和求解器,对给定的问题，你需要 定义材料属性 流体 固体 混合物 选择合适的物理模型 湍流，燃烧，多相流等。 指定操作条件 指定边界条件 提供初始值 设置求解器控制参数 设置监测收敛参数,For complex problems solving a simplified or 2D problem will provide valuable experience with the models and solver settings for your problem in a short amount of time.,Pre-Processing Geometry Mesh Physi
12、cs Solver Settings,求解,通过迭代求解这些离散的守恒方程直至收敛以下情况达到收敛： 两次迭代的流场结果差异小到可以忽略 监测残差趋势能帮助理解这个差异 达到全局守恒 全局量的平衡 感兴趣的量（如阻力、压降）达到稳定值 监测感兴趣量的变化.收敛解的精度和以下因素有关： 合适的物理模型，模型的精度 网格密度，网格无关性 数值误差,A converged and mesh-independent solution on a well-posed problem will provide useful engineering results!,Solve Compute soluti
13、on,查看结果,查看结果，抽取有用的数据 使用可视化的工具能回答以下问题: 什么是全局的流动类型？ 是否有分离？ 激波、剪切层等在哪儿出现？ 关键的流动特征是否捕捉住了？数值报告工具能给出以下量化结果： 力、动量 平均换热系数 面积分、体积分量 通量平衡,Examine results to ensure property conservation and correct physical behavior. High residuals may be caused by just a few poor quality cells.,修订模型,这些物理模型是否合适？ 流动是湍流的吗？ 流动是非
14、稳态的吗？ 是否有压缩性效应？ 是否有三维效应？ 这些边界条件是否合适？ 计算域是否足够大？ 边界条件是否合适？ 边界值是否是合理的？ 网格是否是足够的？ 加密网格能否提高精度？ 网格是否有无关性？ 是否需要提高网格捕捉几何的细节,FLUENT 中的物理模型,流动和传热 动量、质量、能量方程 辐射 湍流 雷诺平均模型 (Spalart-Allmaras, k, k, 雷诺应力模型) 大涡模拟 (LES) 和分离涡模拟 (DES) 组分输运 体积反应 Arrhenius 有限速率化学反应 湍流快速化学反应 涡耗散, 非预混, 预混，局部预混 湍流有限速率反应 EDC, laminar flame
15、let, composition PDF transport 表面化学反应,Pressure Contours in Near-Ground Flight,Temperature Contours for Kiln Burner Retrofit,FLUENT 中的物理模型,多相流模型 离散相模型 (DPM) VOF Mixtures Eulerian-Eulerian and Eulerian-granular Liquid/Solid and cavitation phase change 动网格 Moving zones Single and multiple reference fra
16、mes (MRF) Mixing plane model Sliding mesh model Moving and deforming (dynamic) mesh (MDM) 用户定义标量输运方程,Pressure Contours in a Squirrel Cage Blower (Courtesy Ford Motor Co.),Workbench 2 中的FLUENT CFD,启动ANSYS Workbench在工具栏中拖动Fluid Flow (FLUENT) 到项目栏里,读入几何,右键点击 Geometry cell A2 然后选择 Import Geometry读入几何文件
17、(CAD 模型或者 DesignModeler .agdb 文件)你也可以把 FLUENT 和已经存在的 DesignModeler 进程连接起来,生成网格,右键点击 Mesh cell 然后选择 Edit. Meshing 工具打开，并读入几何选择Mesh 注意因为网格是从FLUENT中打开的，所以默认优先选择的是 FLUENT,定义边界和域,使用 Named selections定义边界名字 选择你想指定名字的面 右键选择 Create Named Selection. 键入名字然后点击 OK.有时你需要指定流体域和固体域 固体用来计算共轭传热,velocity inlet,设置并运行 F
18、LUENT,编辑 Setup cell 来设置物理问题 边界条件 求解器设置 求解 后处理求解结束后，结果可以在FLUENT中的post里查看，或者输出到 CFD-Post 中查看 等值线、矢量图 分布图 计算力和力矩 非稳态结果的动画,FLUENT 软件演示,启动 FLUENT （假设网格已经生成好了） 设置一个简单的问题 求解流体流动 后处理结果,ANSYS FLUENT 培训教材 第二节：求解器基础,安世亚太科技（北京）有限公司,FLUENT 用户界面导航,FLUENT用户界面设计为项目树从上至下排列在项目树中选择要设置的单元，输入窗口在中心打开 General Models Mater
19、ials Boundary Conditions Solver Settings Initialization and Calculation Postprocessing,缩放网格，选择量纲,FLUENT读入网格文件后，所有的维度默认是以米为单位的 如果你的模型不是以米为单位建立的，你需要缩放 网格缩放后需要确认一下计算域的大小。如果是在 Workbench下读入网格，不需要缩放。然而，量纲默认为 MKS 系统如果需要，可以使用混合的量纲系统。 FLUENT 默认使用国际单位 SI 在 Set Units 面板中，可以使用任意的量纲。,文本用户界面TUI,大多数GUI命令都有对应的 TUI
20、命令 许多高级的命令只能通过 TUI获得 按回车键能显示当前级的命令 q 键进入上一级FLUENT 可以在后台运行或通过历史记录文件journal运行,鼠标功能,鼠标功能和二维/三维求解器的选择有关，可以在求解器中设定。 缺省设置 2D 求解器 左键平移 中键缩放 右键选择 3D 求解器 左键旋转 中键缩放 中键点击确定中心点 右键选择流场探针功能 右键点击屏幕视图.在 Workbench中可以设置另外的鼠标功能,Display,Mouse Buttons,材料属性,FLUENT 提供标准的材料库，也允许用户创建自己的材料。所选择的物理模型决定了哪些材料可用，以及必须设定这些材料的哪些属性。
21、多相流（多种材料） 燃烧（多种组分） 传热（导热系数） 辐射（发射率以及吸收率）材料属性可以直接设定为温度、压力的函数 和其他变量相关需要用UDF设定。,材料库,FLUENT 中的材料库 提供一系列预先定义的流体、固体和混合物 如需要，可以拷贝材料并修改其属性客户定义的材料库 在现有的case中创建的新材料和反应机理，可以在以后的case中重复使用 在 FLUENT中的材料面板里可以创建、使用、修改材料属性。,操作条件,在参考压力位置设定的操作压力，是FLUENT在计算表压时的参考值当计算浮力流时，操作温度设定了参考温度操作密度是计算密度大范围变化流动问题的参考值,并行计算,FLUENT 中的
22、并行计算用来运行多个处理器，以减少计算时间，增加仿真效率 对大规模网格或者复杂物理问题尤其有效 FLUENT 是全并行的，能在大多数硬件和软件平台上运行，如clusters 或者多核机器上并行FLUENT 可以使用命令启动，也可以在启动面板中选择 例如，启动一个 n-CPU 并行进程，用下面的命令 fluent 3d tn网格可以手工分区，或者用下面不同的方法自动分区 非一致网格，滑移网格和壳导热区域需要逐个来分区,总结,本节课程介绍了CFD仿真中经常用到的许多基础功能并行计算能减少计算时间，但只针对大规模网格时有效后续课程会涉及到非稳态问题的求解设置其他未涉及到的议题（见附录） 网格构形的关
23、系 在求解器中重新排序网格和编辑网格 多面体网格转换 基于求解器的网格自适应,附录,FLUENT Journals,FLUENT 可以使用journal 文件以批处理方式运行journal 是包括TUI命令的文本文件FLUENT TUI 允许命令的缩写，如 ls 列表工作目录下的文件 rcd 读入 case 和data 文件 wcd 写 case 和 data 文件 rc/wc 读/写 case 文件 rd/wd 读/写 data 文件 it 迭代批处理文件中的TUI 命令可以在非交互模式下自动运行 TUI 命令 file/read-bc 和 file/write-bc 可以用来读写FLUEN
24、T 中的设置到一个文件中,; Read case file rc example.cas.gz ; Initialize the solution /solve/initialize/initialize-flow ; Calculate 50 iterations it 50 ; Write data file wd example50.dat.gz ; Calculate another 50 iterations it 50 ; Write another data file wd example100.dat.gz ; Exit FLUENT exit yes,Sample Journ
25、al File,读入网格 Zones,本例中，有两个域 (fluid-upstream and fluid-downstream). 因此， FLUENT 把外壁面劈分为两个面 (wall and wall:001). FLUENT 也把中间的孔劈分为两个面 (plate and plate-shadow).,inlet,outlet,wall,plate plate-shadow,fluid (cell zone),Default-interior zone(s) can always be ignored.,网格构造信息,网格文件中存储了所有的网格信息。 节点坐标 连接关系 域的定义 和几
26、何定义类似，网格定义如下： Node 边的交叉点 / 网格顶点 Edge 面的边（由两个节点定义） Face 单元的边界，由一组边定义 Cell 域离散的控制体 Zone 一系列节点、边、面或单元的集合 计算域由以上所有的信息组成 对纯流动问题，域只包括流体域 对共轭换热问题，或流固耦合问题，域还会包含固体域 边界条件设置在面上 材料属性和源项设置在单元上,Simple 3D mesh,Simple 2D Mesh,网格的重新排序和编辑,网格的重新排序能使得邻近的单元排在一起 提高内存读取效率，减少计算带宽 可以对整个域或者指定的域进行排序网格每个分区的带宽可以打印出来供参考在网格菜单中，也可
27、以对面/体做如下编辑： 分割域、合并域 通过合并重合的面或节点来融合域 平移、旋转、镜像面或体域 拉伸面形成体域 替换体域或删除体域 激活体域或冻结体域,多面体网格转换,FLUENT GUI 中可以把四面体或混合网格转换为多面体网格 生成四面体网格然后在 FLUENT中转换为多面体网格 优势 提高网格质量 减少单元数量 用户可以控制转换过程 劣势 不支持自适应，不能再次转换 不支持光顺、交换、合并和拉伸等网格编辑工具在网格菜单中有两种选择 转换除了六面体外所有的网格为多面体网格 不能转换有悬挂节点的网格 六面体核心的网格可以通过单独程序转换 只转换高度扭曲的网格为多面体网格,Grid,Poly
28、hedra,Convert Skewed Cells,Grid,Polyhedra,Convert Domain,Tet/Hybrid Mesh,Polyhedral Mesh,分布文件和求解结果插值,FLUENT允许通过分布文件和数据插值对选择的变量在面或体上插值。 例如，试验数据或者其他FLUENT计算结果里的入口速度分布，或者粗网格的计算结果插值到密网格上。分布文件是包含选择变量的点数据文件，可以通过FLUENT进程读/写类似的，插值数据文件包括选择变量的离散数据，可以在FLUETN中读入和写出。,网格自适应,网格自适应是求解过程中根据需要加密或粗化网格的技术。 把满足条件的网格标注并存
29、储起来。 如需要，可以显示或更改这些网格 点击 Adapt 对这些网格进行自适应 注册这些网格的过程为： 所有变量的梯度或等值线 边界上的所有单元 指定形状里的所有单元 网格体积变化率 近壁面网格的y+下面这些技巧可以帮助实现自适应 合并注册的适应区 显示适应函数的等值线 显示标注的适应网格 给出基于网格尺寸和数量的适应限制,Refine Threshold should be set to 10% of the value reported in the Max field.,自适应案例-超音速流场,对压力梯度大的区域自适应网格以更好的捕捉通过激波的压力突变,Initial Mesh (Ge
30、nerated by Preprocessor),Pressure Contours on Initial Mesh,Large pressure gradient indicating a shock (poor resolution on coarse mesh),自适应案例-超音速流场,基于求解结果的网格自适应允许更好的解析弓形激波和膨胀波,Mesh adaption yields much better resolution of the bow shock.,Adapted cells in locations of large pressure gradients,Adapted
31、Mesh (Multiple Adaptions Based on Gradients of Pressure),Pressure Contours on Adapted Mesh,ANSYS FLUENT 培训教材 第三节：边界条件,安世亚太科技（北京）有限公司,定义边界条件,要确定一个有唯一解的物理问题，必须指定边界上的流场变量 指定进入流体域的质量流量、动量、能量等定义边界条件包括: 确定边界位置 提供边界上的信息边界条件类型和所采用的物理模型决定了边界上需要的数据你需要注意边界上的流体变量应该是已知的或可以合理预估的 不好的边界条件对计算结果影响很大,流体域,流体域是一系列单元的集合，
32、在其上求解所有激活的方程需要选择流体材料 对多组分或多相流，流体域包含这些相的混合物输入的选择项 多孔介质域 源项 层流域 固定值域 辐射域,多孔介质,多孔介质是一种特殊的流体域 在 Fluid 面板中激活多孔介质域 通过用户输入的集总阻力系数来确定流动方向的压降用来模拟通过多孔介质的流动，或者流过其他均匀阻力的物体 堆积床 过滤纸 多孔板 流量分配器 管束输入各方向的粘性系数和惯性阻力系数,固体域,固体域是一组只求解导热问题而不求解流动方程的单元集合只需要输入材料名称选择项允许输入体积热源如果临近固体域的单元是旋转周期边界，需要指定旋转轴可以定义固体域的运动,Fuel,Air,Combust
33、or Wall,Manifold box,Nozzle,确定边界位置-例子,在本例中，入口条件有三个可能的位置: 进气管的上游 可以用均匀分布条件 考虑混合效应 非预混反应模型 需要更多单元 喷嘴进口平面 非预混反应模型 需要精确的入口分布 流动仍然是非预混的 3. 喷嘴出口平面 预混反应模型 需要精确的分布 由于进口边界对流场的影响很大，不建议使用,一般的建议,如果可能，边界的位置和形状能保证流体或者进入流体域，或者流出流体域 不是必须的，但这样能更好的收敛垂直边界的方向不应该有大的梯度 不正确的设置减少近边界的网格扭曲度 否则在计算早期会带来误差,Upper pressure bounda
34、ry modified to ensure that flow always enters domain.,边界条件类型,外部边界 通用 Pressure Inlet Pressure Outlet 不可压缩流 Velocity Inlet Outflow (不建议用) 压缩流 Mass Flow Inlet Pressure Far Field 其他 Wall Symmetry Axis Periodic 特定 Inlet / Outlet Vent Intake / Exhaust Fan,内部边界 Fan Interior Porous Jump Radiator Wall 域 Flui
35、d Solid Porous media,改变边界条件类型,域和域的类型在前处理阶段定义要改变边界条件类型： 在 Zone 列表中选择域名。 在 Type 下拉列表中选择希望的类型,设定边界条件数据,在 BC 面板中设置 设定指定边界的条件: 在项目树中选择边界条件 在 Zone 列表中选择边界名称 点击 Edit 边界条件数据可以从一个面拷贝到其他面边界条件也可以通过 UDF和分布文件定义.分布文件这样生成: 从其他CFD模拟写一个分布文件 创建一个有格式的文本文件,速度进口,指定速度 速度大小，垂直入口 方向分量 大小和方向指定入口均匀速度分布。如用UDF或者分布文件，可以指定分布入口条件
36、速度入口用于不可压流动，不建议用于压缩流速度大小可以是负值，意味着出口。,压力进口,压力入口适用于压缩和不可压缩流 压力入口被处理为从滞止点到入口的无损失过渡 FLUENT 计算静压和入口的速度 通过边界的流量随内部求解和指定的流动方向而改变需要的输入 表总压 超音速 / 初始表压 入口流动方向 湍流量（如是湍流的话） 总温 (如果有传热和/或压缩）,流量入口,流量入口是为可压缩流设计的，但也可以用于不可压流动 调整总压以适合流量入口 比压力入口更难收敛要求的信息 质量流量或流率 超音速/初始表压 如果当地为超音速，取静压，如果是亚音速，忽略此项。 如果初场由此边界设定的化，用于初场计算 总温
37、 （在 Thermal 面板） 对不可压缩流取静温 指定方向,压力出口,适用于压缩和不可压流动 如果流动在出口是超音速的，指定的压力被忽略 在外流或非封闭区域流动，作为自由边界条件要求输入 表压 流体流入环境的静压。 回流量 当有回流发生时，起到进口的作用 对理想气体（可压缩）流动，可以使用无反射出口边界条件,壁面边界条件,粘性流动中，壁面采用无滑移边界条件 可以指定剪切应力.热边界条件 有几种类型的热边界条件。 对一维或薄壳导热计算，可以指定壁面材料和厚度（细节会在传热课程介绍）。对湍流可以指定壁面粗糙度 基于局部流场的壁面剪切应力和传热壁面可以设置平移或旋转速度,对称面和轴,对称面 不需要
38、输入 流场和几何都需要是对称的: 对称面法向速度为零 对称面所有变量法向梯度为零 必须仔细确定正确的对称面位置轴 轴对称问题的中心线 不需要输入 必须和X轴正向重合,Symmetry Planes,Axis,周期边界条件,用来减少全局网格量流场和几何必须是旋转周期对称或平移周期对称 旋转周期对称 通过周期面的P = 0 在流体域中必须指定旋转轴 平移周期对称 通过周期面的P必须有限 模型是充分发展条件. 指定每个周期的平均 P 或质量流量如果没有在网格阶段定义周期条件，可以在 FLUENT TUI中用下面命令指定 /mesh/modify-zones/make-periodic,内部边界面,只
39、在单元的面上定义: 内部边界面的厚度为零 内部边界面上的变量可以突变用来实现下面一些物理模型: 风扇 散热器 多孔突变区域 相比多孔介质模型更易收敛 内部面,Case 设置的复制,要复制一个 case 设置: 通过TUI命令读写边界条件 /file/write-bc 创建一个边界条件文件 /file/read-bc 读入一个边界条件文件 可以把二维case 的设置读入到三维 case中,inlet-1,inlet-2,outlet-2,outlet-1,fluid,inlet-1,inlet-2,outlet-2,outlet-1,2D Flow Domain (approximation),
40、Actual 3D Flow Domain,总结,边界域用来控制求解时的外部和内部边界，有许多边界类型用来定义不同的边界信息实体域用来赋予流体或固体材料 选择项包括多孔介质域、层流域、固定值域等使用对称面和周期边界条件能减少计算量未介绍的其他边界条件类型见附录 远场压力 排气扇 / 出风口 进风口 / 抽气扇 出口,附录,其他边界条件,压力远场条件 用来模拟无穷远处的可压缩自由流，输入静压和自由流马赫数 只有密度是用理想气体计算时可以使用压力远场条件 压力出口的目标质量流量选项（不能用于多相流） 固定压力出口的流量（常数或UDF） 用 TUI可以设置迭代方法 排气扇 / 出风口 用指定的压升/
41、压降系数以及环境压力和温度模拟排气扇或出风口的条件 进风口 / 抽气扇 用指定的压降/压升系数以及环境压力和温度模拟进风口或进气扇的条件 对LES/DES模拟的进口边界，在湍流模型一节中介绍,Outflow,不需要压力或速度信息 出口平面的数据由内部数据外插得到 边界上加入质量流量平衡 所有变量的法向梯度为零 流体在边界为充分发展 outflow 边界针对不可压缩流动 不能和压力进口同时使用（必须和速度进口一起使用） 不能用于变密度的非稳态流动 有回流时收敛性很差. 最终解如有回流，不能使用此条件,多出口模拟,多出口流动可以使用压力出口或outflow 压力出口 要求知道下游压力，FLUENT
42、计算每个出口的流量比例Outflow: 流量比例由 Flow Rate Weighting (FRW) 计算：出口间的静压变化，以匹配设定的流量分配,Velocity inlet (V, T0),Outflow (FRW2),Outflow (FRW1),ANSYS FLUENT 培训教材 第四节：求解器设置,安世亚太科技（北京）有限公司,概要,使用求解器（求解过程概览） 设置求解器参数 收敛 定义 监测 稳定性 加速收敛 精度 网格无关性 网格自适应 非稳态流模拟（后续章节中介绍） 非稳态流问题设置 非稳态流模型选择 总结 附录,求解过程概览,求解参数 选择求解器 离散格式 初始条件 收敛
43、监测收敛过程 稳定性 设置松弛因子 设置 Courant number 加速收敛 精度 网格无关性 自适应网格,求解器选择,FLUENT中有两种求解器 压力基和密度基。压力基求解器以动量和压力为基本变量 通过连续性方程导出压力和速度的耦合算法压力基求解器有两种算法 分离求解器 压力修正和动量方程顺序求解。 耦合求解器 (PBCS) 压力和动量方程同时求解,求解器选择,密度基耦合求解器 以矢量方式求解连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程 通过状态方程得到压力 其他标量方程按照分离方式求解DBCS 可以显式或隐式方式求解 隐式 使用高斯赛德尔方法求解所有变量 显式: 用多步龙格库塔显式时间积分
44、法。,Enabling pressure-based coupled solver (PBCS),如何选择求解器,压力基求解器应用范围覆盖从低压不可压缩流到高速压缩流 需要的内存少 求解过程灵活 压力基耦合求解器 (PBCS) 适用于大多数单相流，比分离求解器性能更好 不能用于多相流（欧拉）、周期质量流和 NITA 比分离求解器多用1.52倍内存 密度基耦合求解器 (DBCS)适用于密度、能量、动量、组分间强耦合的现象 例如: 伴有燃烧的高速可压缩流动，超高音速流动、激波干扰 隐式方法一般优于显式，因为其对时间步有严格的限制 显式方法一般用于流动时间尺度和声学时间尺度相当的情况（如高马赫激波的
45、传播）,离散化（插值方法）,存储在单元中心的流场变量必须插值到控制体面上对流项的插值方法有: First-Order Upwind 易收敛，一阶精度。 Power Law 对低雷诺数流动 （ Recell 5 ）比一阶格式更精确 Second-Order Upwind 尤其适用流动和网格方向不一致的四面体/三角形网格，二阶精度，收敛慢 Monotone Upstream-Centered Schemes for Conservation Laws (MUSCL) 对非结构网格，局部三阶精度，对二次流、旋转涡、力等预测的更精确 Quadratic Upwind Interpolation (QU
46、ICK) 适用于四边形/六面体以及混合网格，对旋转流动有用，在均匀网格上能达到三阶精度,插值方法（梯度）,为了得到扩散通量、速度导数，以及高阶离散格式，都需要求解变量的梯度单元中心的变量梯度由以下三种方法得到: Green-Gauss Cell-Based 可能会引起伪扩散 Green-Gauss Node-Based 更精确，更少伪扩散，建议对三角形/四面体网格采用 Least-Squares Cell-Based 建议对多面体网格采用，精度和属性同Node-based 面上的梯度用多级泰勒级数展开求得,压力的插值方法,使用分离算法时，计算面上压力的插值方法有: Standard 默认格式，
47、对于近边界的沿面法向存在大压力梯度流动，精度下降（如果存在压力突变，建议改用 PRESTO! ） PRESTO! 用于高度旋流，包括压力梯度突变（多孔介质，风扇模型等）或者计算域存在大曲率的面 Linear 当其他格式导致收敛问题或非物理解时使用 Second-Order 用于压缩流，不适用多孔介质、风扇、压力突变以及VOF/Mixture 多相流 Body Force Weighted 用于大体积力的情况，如高瑞利数自然对流或高旋流,压力速度耦合,压力基求解器通过连续性方程和动量方程导出压力方程或压力修正方程FLUENT中有四种耦合方式 Semi-Implicit Method for Pr
48、essure-Linked Equations (SIMPLE) 默认算法，稳健性好 SIMPLE-Consistent (SIMPLEC) 对简单问题，收敛更快，如层流 Pressure-Implicit with Splitting of Operators (PISO) 对非稳态流动或者高扭曲度网格有用 Fractional Step Method (FSM) 对非稳态问题 和 NITA 合用，类似 PISO.,初始化,FLUENT 要求所有的求解变量有初始值 更真实的初值能提高收敛稳定性，加速收敛过程. 有些情况需要一个好的初值在特定区域对特定变量单独赋值 自由射流（喷射区高速） 燃烧
49、问题 （高温激活反应） 单元标注（自适应）,FMG 初始化,Full MultiGrid (FMG) 能用来创建更好的初场。 FMG 初始化对包括大的压力梯度和速度梯度的复杂流动有用 在粗级别网格上求解一阶欧拉方程 可用于压力基或密度基求解器，但限于稳态问题启动 FMG 初始化 压力基求解器: /solve/init/fmg-initialization 密度基求解器: 当选择密度基求解器后在 GUI里可见 FMG 在粗网格上用多重网格求解 通过 TUI 命令来设置 /solve/init/set-fmg-initialization,检查Case,Case Check 功能发现一些常见的错误设置和不一致性 提供选择参数和模型的指导用于可以直接应用或忽略这些建议,收敛性,计算收敛时应该满足: 所有离散的守恒方程（动量、能量等）在所有的单元中满足指定的误差或者结果随计算不再改变 全局的质量、动量、能量和标量达到平衡 使用残差历史曲线来监测收敛： 一般地，残差下降三个量级表示至少达到定性的收敛，流场的主要特征已经形成。 压力基求解器的能量残差应下降到10-6 组分残差应下降到10-5 监测定量的收敛: 监测其他关键的物理量 确保全局的质量、能量、组分守恒。,
