CFX培訓(xùn)教材瞬態(tài)模擬分享課件

1、A Pera Global Company PERA China1ANSYS CFX 培訓(xùn)教材第六節(jié)：瞬態(tài)模擬安世亞太科技（北京）有限公司A Pera Global Company PERA China2原因n自然界幾乎所有流動(dòng)都是瞬態(tài)流動(dòng)!在以下假設(shè)下，可以認(rèn)為流動(dòng)是穩(wěn)態(tài)的: 忽略非穩(wěn)態(tài)波動(dòng) 采用總/時(shí)均方法，忽略流動(dòng)的波動(dòng)性 (這也是為什么采用湍流模型?；牧鞯脑?n在CFD,首選穩(wěn)態(tài)的計(jì)算方法更小的計(jì)算代價(jià)更易處理和分析n很多情況下，要求瞬態(tài)求解:空氣動(dòng)力學(xué)(Aerodynamics), 如飛行器、汽車等 渦脫落(vortex shedding)旋轉(zhuǎn)機(jī)械Rotating Machine

2、ry 轉(zhuǎn)子/靜子相互作用, 停車, 飛逸多相流Multiphase Flows 自由液面, 空泡動(dòng)力學(xué)變形計(jì)算域Deforming Domains 缸內(nèi)燃燒非穩(wěn)態(tài)熱傳遞Unsteady Heat Transfer 瞬態(tài)加熱和冷卻更多A Pera Global Company PERA China3瞬態(tài)流動(dòng)的起源n自然的非穩(wěn)定性流動(dòng)的不穩(wěn)定性或非穩(wěn)定的初始流動(dòng)狀態(tài)導(dǎo)致非穩(wěn)定流動(dòng)例如: 自然對(duì)流, 所有尺度的湍流渦, 流動(dòng)波(重力波, 沖擊波)n強(qiáng)迫非穩(wěn)定性時(shí)間相關(guān)的邊界條件, 源項(xiàng)驅(qū)動(dòng)的非穩(wěn)定流場(chǎng)例如: 噴嘴處的脈沖流, 轉(zhuǎn)子-靜子節(jié)間的相互影響Kelvin-Helmholtz Cloud In

3、stabilityRotor-Stator Interaction in an Axial CompressorA Pera Global Company PERA China4瞬態(tài)CFD 模擬n瞬態(tài)流域的模擬都是基于一個(gè)指定的時(shí)間周期 可能的求解方法: 穩(wěn)態(tài)求解 流動(dòng)變量不隨時(shí)間改變 時(shí)間周期求解 流動(dòng)變量以某種反復(fù)的模式波動(dòng) 也可以通過指定時(shí)間間隔的方法簡(jiǎn)單的進(jìn)行流動(dòng)分析. 自由面流動(dòng) 沖擊波的運(yùn)動(dòng) 等.n詳細(xì)分析關(guān)心的量 固有頻率 ，如.斯特勞哈爾數(shù)(Strouhal Number) 時(shí)均(Time-averaged)和/或 均方根(RMS)值 與時(shí)間相關(guān)的參數(shù) (如. 冷卻一個(gè)熱的固體

4、的時(shí)間要求, 污染物的擴(kuò)散時(shí)間) 譜數(shù)據(jù) 快速傅里葉變換(FFT)A Pera Global Company PERA China520Timestep = 2 sInitial Time = 0 sTotal Time = 20 sCoefficient Loops = 52468 10 12 14 16 18Time (seconds)5 coefficient Loopsn通過計(jì)算不同離散時(shí)間點(diǎn)的方法完成瞬態(tài)模擬n在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)，都需要進(jìn)行計(jì)算迭代如何求解瞬態(tài)問題A Pera Global Company PERA China6n 對(duì)穩(wěn)態(tài)計(jì)算也有相似的設(shè)置n 通常的工作流程：設(shè)置分析類型為

5、Transient指定瞬態(tài)求解時(shí)間和時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置物理模型和邊界條件 邊界條件可以隨時(shí)間變化指定初始條件 最好采用符合實(shí)際的物理?xiàng)l件, 比如穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果指定求解器設(shè)置設(shè)定瞬態(tài)結(jié)果文件(results files), 瞬態(tài)統(tǒng)計(jì)(transient statistics), 監(jiān)測(cè)點(diǎn)(monitors points)1. 運(yùn)行求解器如何求解瞬態(tài)問題A Pera Global Company PERA China71. 分析類型 在目錄樹上編輯在目錄樹上編輯Analysis Type，設(shè)置，設(shè)置option為為TransientA Pera Global Company PERA China8 設(shè)置設(shè)置

6、Time Duration 控制求解結(jié)束時(shí)間控制求解結(jié)束時(shí)間 選項(xiàng)選項(xiàng): Total Time 求解的總時(shí)間求解的總時(shí)間 Time Per Run 不計(jì)以前計(jì)算的所有時(shí)間不計(jì)以前計(jì)算的所有時(shí)間 Maximum Number of Timesteps 包括以前所完成的計(jì)算時(shí)間步包括以前所完成的計(jì)算時(shí)間步 Number of Timesteps per Run 對(duì)本次求解有效對(duì)本次求解有效. 不計(jì)以前完成的時(shí)間步不計(jì)以前完成的時(shí)間步2. 時(shí)間長(zhǎng)度和步長(zhǎng)A Pera Global Company PERA China92.時(shí)間長(zhǎng)度和步長(zhǎng) 設(shè)置設(shè)置Time Step size 控制兩計(jì)算時(shí)間點(diǎn)之間的間

7、隔控制兩計(jì)算時(shí)間點(diǎn)之間的間隔 選項(xiàng)選項(xiàng): Timesteps / Timesteps for the Run 可采用不同的方式可采用不同的方式, 例如例如 0.001 0.001, 0.002, 0.002, 0.003 5*0.001, 10*0.05, 20*0.06 Adaptive 通過設(shè)定收斂標(biāo)準(zhǔn)或通過設(shè)定收斂標(biāo)準(zhǔn)或Courant數(shù)的方法，在規(guī)定的數(shù)的方法，在規(guī)定的范圍內(nèi)，時(shí)間步可以動(dòng)態(tài)的改變范圍內(nèi)，時(shí)間步可以動(dòng)態(tài)的改變A Pera Global Company PERA China102.時(shí)間長(zhǎng)度和步長(zhǎng)n在瞬態(tài)模擬中，時(shí)間步尺寸是一個(gè)很重要的參數(shù) 求解與時(shí)間相關(guān)的特征的時(shí)候，需要時(shí)

8、間步較小 實(shí)際值實(shí)際值時(shí)間時(shí)間關(guān)心的變量關(guān)心的變量D Dt時(shí)間時(shí)間關(guān)心的變量關(guān)心的變量D Dt時(shí)間步較大，時(shí)間步較大， 求解點(diǎn)通常不能反映真實(shí)的現(xiàn)象求解點(diǎn)通常不能反映真實(shí)的現(xiàn)象小的時(shí)間步，小的時(shí)間步， 求解點(diǎn)可以反映真實(shí)的現(xiàn)象求解點(diǎn)可以反映真實(shí)的現(xiàn)象A Pera Global Company PERA China112.時(shí)間長(zhǎng)度和步長(zhǎng) 為了維持求解器的穩(wěn)定性，也需要較小的時(shí)間步 關(guān)心的量可能變化緩慢 (例如. 固體內(nèi)的穩(wěn)定變化), 如果其它量(如, 速度)具有較小的時(shí)間尺度，就不能采用較大的時(shí)間步nCourant數(shù)常用于評(píng)估時(shí)間步: 在一個(gè)時(shí)間步內(nèi)，流體通過的網(wǎng)格的數(shù)目 Courant數(shù)通常介

9、于2 10之間, 但在一些情況下該值稍高也可以接受 平均的Courant數(shù)和最大Courant數(shù)在每個(gè)時(shí)間步求解器.out文件中會(huì)顯示出來n小的時(shí)間步會(huì)加速收斂SizeElement VelocityNumber Courant tDA Pera Global Company PERA China12 必要的情況下必要的情況下, 邊界條件可以是時(shí)間的函數(shù)邊界條件可以是時(shí)間的函數(shù) 速度, 質(zhì)量流, 壓力條件, 溫度, 等. 都能作為函數(shù)表達(dá)式 在CEL表達(dá)式中使用 “t”或者“Time”3. 邊界條件A Pera Global Company PERA China13 最好采用與物理實(shí)際符合的初

10、值條件最好采用與物理實(shí)際符合的初值條件 經(jīng)常采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算的收斂解作為初值經(jīng)常采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算的收斂解作為初值 瞬態(tài)模擬的初值越準(zhǔn)確，瞬態(tài)計(jì)算得到的初瞬態(tài)模擬的初值越準(zhǔn)確，瞬態(tài)計(jì)算得到的初值就越精確值就越精確 前面幾個(gè)時(shí)間步可能不收斂前面幾個(gè)時(shí)間步可能不收斂 為了保證求解器的穩(wěn)定性，瞬態(tài)計(jì)算的最初為了保證求解器的穩(wěn)定性，瞬態(tài)計(jì)算的最初階段需要較小的時(shí)間步階段需要較小的時(shí)間步 計(jì)算獲得穩(wěn)定計(jì)算獲得穩(wěn)定(周期模式周期模式)后，可以忽略開始后，可以忽略開始的幾個(gè)循環(huán)的幾個(gè)循環(huán)2468 10 12 14 16Time (seconds)4. 初始化ResidualsA Pera Global Company

11、 PERA China14nTransient scheme定義瞬態(tài)項(xiàng)的數(shù)值算法n兩個(gè)隱式時(shí)間步格式可選:First Order Backward Euler (更穩(wěn)定)Second Order Backward Euler (更精確)n對(duì)大多數(shù)瞬態(tài)模擬，推薦采用默認(rèn)的Second Order Backward Euler格式nTimestep Initialisation控制前一時(shí)間步作為后一時(shí)間步計(jì)算起點(diǎn)的方式可以與前一求解的時(shí)間步初值(Previous Timestep)保持一致或求解器可以通過對(duì)前一求解的外推(extrapolate ), 以獲得一更好的計(jì)算起點(diǎn) 在高Courant數(shù)的

12、情況下，不推薦使用Automatic (默認(rèn))模式 ，根據(jù)Courant數(shù)的大小在兩種模式之間進(jìn)行切換5. 求解控制A Pera Global Company PERA China15 Min. 和和 Max. Coeff. Loops設(shè)置每個(gè)時(shí)間步設(shè)置每個(gè)時(shí)間步內(nèi)的迭代次數(shù)的上下限內(nèi)的迭代次數(shù)的上下限 爭(zhēng)取每個(gè)時(shí)間步可以在爭(zhēng)取每個(gè)時(shí)間步可以在3-5個(gè)循環(huán)內(nèi)達(dá)到收斂個(gè)循環(huán)內(nèi)達(dá)到收斂 Complex physics may need more loops 如果在最大循環(huán)內(nèi)沒有達(dá)到收斂，通常來說如果在最大循環(huán)內(nèi)沒有達(dá)到收斂，通常來說減小時(shí)間步是較好的選擇，而不是增加循環(huán)減小時(shí)間步是較好的選擇，而不

13、是增加循環(huán)次數(shù)次數(shù) 不管收斂與否，求解將轉(zhuǎn)到下一個(gè)時(shí)間步不管收斂與否，求解將轉(zhuǎn)到下一個(gè)時(shí)間步 監(jiān)測(cè)求解很重要監(jiān)測(cè)求解很重要5.求解控制A Pera Global Company PERA China16 瞬態(tài)結(jié)果瞬態(tài)結(jié)果(Transient Results) 默認(rèn)只寫出最后的默認(rèn)只寫出最后的res文件文件 不包含瞬態(tài)求解信息不包含瞬態(tài)求解信息 需要在需要在Output控制下定義控制下定義Transient Results Transient Results選項(xiàng)選項(xiàng) Standard 寫出包括全部結(jié)果的文件寫出包括全部結(jié)果的文件 將占據(jù)大量的磁盤空間將占據(jù)大量的磁盤空間 Smallest 寫出最

14、小文件，該文件依然可以作為重新計(jì)算寫出最小文件，該文件依然可以作為重新計(jì)算的初值文件的初值文件 (文件依然較大文件依然較大) Selected Variables 寫出選取的關(guān)心的變量，文件將較小寫出選取的關(guān)心的變量，文件將較小 Output Frequency 控制結(jié)果文件寫出的頻率控制結(jié)果文件寫出的頻率6. 輸出控制A Pera Global Company PERA China17 瞬態(tài)統(tǒng)計(jì)瞬態(tài)統(tǒng)計(jì)(Transient Statistics) 對(duì)求解變量生成求解統(tǒng)計(jì)對(duì)求解變量生成求解統(tǒng)計(jì) Option：算法平均：算法平均(Arithmetic Average), RMS, Minimum, Maximum, Standard Deviation和和Full (everything) 拾取關(guān)心的變量拾取關(guān)心的變量 Start和和Stop Iteration List：定義收集統(tǒng)計(jì)：定義收集統(tǒng)計(jì)開始和結(jié)束的時(shí)間開始和結(jié)束的時(shí)間6.輸出控制A Pera Global Company PERA China186.輸出控制nMonitor Points通常用于穩(wěn)態(tài)模擬nMonitor Coefficient Loop Convergence在時(shí)間步內(nèi)為每個(gè)迭代創(chuàng)建監(jiān)測(cè)記錄 用于觀察關(guān)心量在時(shí)間步內(nèi)是否在收