ANSYS流體分析

1、第一章 FLOTRA"算流體動力學(xué)（CFD分析概述FLOTRAN CF防析的概念A(yù)NSYS?序中的FLOTRAN CFD析功能是一個(gè)用于分析二維及三維流體流動 場 的先進(jìn)的工具，使用 ANSYSP用于FLOTRAN CFD析的FLUID 141BFLUID 142單元，可 解決如下問題：作用于氣動翼（葉）型上的升力和阻力超音速噴管中的流場彎管中流體的復(fù)雜的三維流動同時(shí)，F(xiàn)LOTRAN5具有如下功能：計(jì)算發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)中氣體的壓力及溫度分布研究管路系統(tǒng)中熱的層化及分離使用混合流研究來估計(jì)熱沖擊的可能性用自然對流分析來估計(jì)電子封裝芯片的熱性能對含有多種流體的（由固體隔開）熱交換器進(jìn)行研究

2、FLOTRAN分析的種類FLOTRANT執(zhí)行如下分析：層流或紊流傳熱或絕熱可壓縮或不可壓縮牛頓流或非牛頓流多組份傳輸這些分析類型并不相互排斥，例如，一個(gè)層流分析可以是傳熱的或者是絕熱的，一個(gè) 紊流分析可以是可壓縮的或者是不可壓縮的。層流分析層流中的速度場都是平滑而有序的，高粘性流體（如石油等）的低速流動就通常是層流。紊流分析紊流分析用于處理那些由于流速足夠高和粘性足夠低從而引起紊流波動的流體流動情況,ANSY舟的二方程紊流模型可計(jì)及在平均流動下的紊流速度波動的影響。如果流體的密度在流動過程中保持不變或者當(dāng)流體壓縮時(shí)只消耗很少的能量，該流體就可認(rèn)為是不可壓縮的，不可壓縮流的溫度方程將忽略流體動能

3、的變化和粘性耗散。熱分析流體分析中通常還會求解流場中的溫度分布情況。如果流體性質(zhì)不隨溫度而變，就可不解溫度方程。在共軛傳熱問題中，要在同時(shí)包含流體區(qū)域和非流體區(qū)域（即固體區(qū)域）的整個(gè)區(qū)域上求解溫度方程。在自然對流傳熱問題中，流體由于溫度分布的不均勻性而導(dǎo)致流體密度分布的不均勻性，從而引起流體的流動，與強(qiáng)迫對流問題不同的是，自然對流通常都沒有外部的流動源。可壓縮流分析對于高速氣流，由很強(qiáng)的壓力梯度引起的流體密度的變化將顯著地影響流場的性質(zhì)，ANSYSt于這種流動情況會使用不同的解算方法。非牛頓流分析應(yīng)力與應(yīng)變率之間成線性關(guān)系的這種理論并不能足以解釋很多流體的流動，對于這種非牛頓流體，ANSYSS

4、序提供了三中粘性模式和一個(gè)用戶自定義子程序。多組份傳輸分析這種分析通常是用于研究有毒流體物質(zhì)的稀釋或大氣中污染氣體的傳播情況，同時(shí)，它也可用于研究有多種流體同時(shí)存在（但被固體相互隔開）的熱交換分析。第二章 FLOTRANb析基礎(chǔ)FLOTRANI元的特點(diǎn)ANSY中的FLOTRAM元，即FLUID141BFLUID142,用于解算單相粘性流體的二維和三維流動、壓力和溫度分布。對于這些單元，ANSY通過質(zhì)量、動量和能量三個(gè)守恒性質(zhì)來計(jì)算流體的速度分量、壓力、以及溫度。FLUID14憚元FLUID14件元具有下列特征：維數(shù)：二維形狀：四節(jié)點(diǎn)四邊形或三節(jié)點(diǎn)三角形自由度：速度、壓力、溫度、紊流動能、紊流能

5、量耗散、多達(dá)六種流體的各自質(zhì)量所占的份額FLUID14彈元FLUID142I元具有下列特征：維數(shù)：三維形狀：四節(jié)點(diǎn)四面體或八節(jié)點(diǎn)六面體自由度：速度、壓力、溫度、紊流動能、紊流能量耗散、多達(dá)六種流體的各自質(zhì)量所占的份額 回FLUID14 件元FLUID142I 元FLUIDS元的其他特征FLUIDS元的其他特征包括:用于模擬紊流的二方程紊流模式有很多推導(dǎo)結(jié)果，諸如：流場分析中的馬赫數(shù)、壓力系數(shù)、總壓、剪應(yīng)力、壁面處的y-plus、以及流線函數(shù)；熱分析中的熱流、熱交換（膜）系數(shù)等。流體邊界條件，包括：速度、壓力、紊流動能以及紊流能量耗散率。用戶無需提供流場進(jìn)口處紊流項(xiàng)的邊界條件，因FLOTRANt

6、此提供的缺省值適用 于 絕大多數(shù)分析。熱邊界條件，包括：溫度、熱流、體積熱源、熱交換（膜）系數(shù)。用戶可使用的坐標(biāo)系有：的卡爾坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系和軸對稱坐標(biāo)系。如果所計(jì)算的問題是軸對稱的，激活旋轉(zhuǎn)（swirl）選項(xiàng)即可算出垂直于對稱平面的速 度分量。使用FLOTRANI元的一些限制及注意事項(xiàng)FLOTRA單元的一些局限性：在同一次分析中不能改變求解的區(qū)域單元不支持自由流面邊界條件ANSYS?序的某些特征不能同F(xiàn)LOTRA單元一起使用使用FLOTRAIN1元時(shí)不能使用某些命令或菜單當(dāng)使用ANSYS勺圖形用戶界面時(shí)，程序?qū)⒅荒茱@示那些在菜單和對話框中的FLOTRAN SetUp分要求了的特征和

7、選項(xiàng)。FLOTRAI#元使用中的一些限制當(dāng)使用FLOTRANt元時(shí)，要避免使用ANSYS勺某些特征和命令，至少，要注意到 在使用FLOTRANI元時(shí)與別的分析稍微有些不同，當(dāng)使用了無效的命令時(shí)，程序會給 出相應(yīng)的警告或錯誤信息。使用FLOTRANI元要注意如下幾點(diǎn)（下面所列命令相應(yīng)的 菜單路徑請參見ANSYS令手冊或聯(lián)機(jī)幫助中的“ Commands and Their Location in the GUI”FLOTRANI元不能和其他單元聯(lián)合使用。節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系必須與總體坐標(biāo)系一致。/CLEA限令并不破壞業(yè)已存在的FLOTRAN6果文件（），這有助于防止用戶 不小心破壞那些花了很多時(shí)間和精力才求

8、得的結(jié)果，用戶必須在操作系統(tǒng)里才能刪除那些無用的結(jié)果文件。C限令通過對自由度進(jìn)行耦合來形成周期邊界條件，ANSYST令手冊對CP命令的描述是可以只對某些自由度進(jìn)行耦合，但作 FLOTRAI析時(shí)，周期 邊界的 所有自由度都將被耦合。用戶不能對同一個(gè)單元中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合，相鄰單元間節(jié)點(diǎn)耦合也很困難。ADAP怖令不適用于FLOTRANb析。不能用ANTYPE令來引入FLOTRANfi瞬態(tài)分析。FLOTRAN析不支持自動時(shí)間步長功能，詳見 “ FLOTRANS分析”。如果用戶通過BFCUM BFDEL或BFUNI既定義節(jié)點(diǎn)熱源，則ANSY琮在內(nèi)部 用BFm令來代替。不能使用LDREADFOR階令來電磁

9、載荷轉(zhuǎn)換到FLOTRA附析中，而必須使用相 應(yīng)的宏來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。FLOTRA附析不能使用 CE CECMOD CEDELEDEINT命令。FLOTRA附析不能使用CNVTO命令來設(shè)置收斂容差。不能用DSYMT令來定義FLOTRAU對稱和反對稱邊界條件。FLOTRANP支持旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的角加速度向量。在FLOTRA附析中，使用FLDATA4TIME命令而不是DELTIM命令來定義 一個(gè)載 荷步的時(shí)間。對于FLOTRA附析，不能使用DESO命令或PRESOL令來修改節(jié)點(diǎn)的熱（HEAT、流（FLOW、或流密（FLUX結(jié)果。FLOTRA附析不允許將積分點(diǎn)結(jié)果外推到節(jié)點(diǎn)上（ERESX令）。FLOTRA附析

10、不允許通過鏡象操作來形成單元。FLOTRA附析不能用KBg令來施加漸變載荷，而必須用多個(gè)載荷步來逐 漸改 變載荷。FLOTRA附析不允許用LCCALC LCDEF LCFA LCF等命令來作不同載荷狀況 之間的運(yùn)算操作。NCNV令中的收斂工具不能用于FLOTRA版相互獨(dú)立的求解器。FLOTRA附析不允許用NEQUI偷令來定義非線性分析的平衡迭代數(shù)。FLOTRA附析要求節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系必須是總體的卡爾坐標(biāo)系,故不能用N命令、NMODIFT令、和 NROTA偷令的旋轉(zhuǎn)(rotational)域。FLOTRA附析中，F(xiàn)LDATA2ITE限令和FLDATA4TIME命令用來控制一個(gè)載荷步 中的總體迭代數(shù)。F

11、LOTRA附析不允許用戶自定義單元。FLOTRA附析中，F(xiàn)LDATA2ITE限令和FLDATA4TIME命令用來對寫入數(shù)據(jù)庫中 的結(jié)果進(jìn)行控制。PRNL就令不能用于FLOTRA附析中，因其不能將邊界條件作為可打印的單元 節(jié)點(diǎn)載荷來保存。FLOTRA附析中沒有節(jié)點(diǎn)反力解。部分和預(yù)定義求解選項(xiàng)(PSOLV命令定義)不適用于FLOTRA咯自獨(dú)立的求 解器。TIM%r令不能用在FLOTRANh析中。FLOTRAWFLDATA1SOLUT令而不是TIMINT命令來定義瞬態(tài)載荷步。FLOTRANBFLDATA4TIME令而非TRNOP命令來定義瞬態(tài)分析選項(xiàng)。FLOTRAN析的主要步驟一個(gè)典型的FLOTRA

12、附析有如下七個(gè)主要步驟：1 .確定問題的區(qū)域。2 .確定流體的狀態(tài)。3 .生成有限元網(wǎng)格。4 .施加邊界條件。5 .設(shè)置FLOTRA附析參數(shù)。6 .求解。7 .檢查結(jié)果。第一步：確定問題的區(qū)域用戶必須確定所分析問題的明確的范圍，將問題的邊界設(shè)置在條件已知的地方，如果并不知道精確的邊界條件而必須作假定時(shí)，就不要將分析的邊界設(shè)在靠近感興趣區(qū)域的地方，也不要將邊界設(shè)在求解變量變化梯度大的地方。有時(shí)，也許用戶并不知道自己的問題中哪個(gè)地方梯度變化最大，這就要先作一個(gè)試探性的分析，然后再根據(jù)結(jié)果來修改分析區(qū)域。這些在后面章節(jié)中都有詳述。第二步：確定流體的狀態(tài)用戶在此需要估計(jì)流體的特征，流體的特征是流體性質(zhì)

13、、幾何邊界以及流場的速度幅值的函數(shù)。FLOTRA儺求解的流體包括氣流和液流，其性質(zhì)可隨溫度而發(fā)生顯著 變化，F(xiàn)LOTRA沖的氣流只能是理想氣體。用戶須自己確定溫度對流體的密度、粘 性、和熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響是否是很重要，在大多數(shù)情況下，近似認(rèn)為流體性質(zhì)是常數(shù)，即不隨溫度而變化，都可以得到足夠精確的解。通常用雷諾數(shù)來判別流體是層流或紊流，雷諾數(shù)反映了慣性力和粘性力的相對強(qiáng)度，詳見第四章。通常用馬赫數(shù)來判別流體是否可壓縮，詳見第七章。流場中任意一點(diǎn)的馬赫數(shù)是該點(diǎn)流體速度與該點(diǎn)音速之比值，當(dāng)馬赫數(shù)大于時(shí)，就應(yīng)考慮用可壓縮算法來進(jìn)行求解；當(dāng)馬赫數(shù)大于時(shí)，可壓縮算法與不可壓縮算法之間就會有極其明顯的差 異。

14、第三步： 生成有限元網(wǎng)格用戶必須事先確定流場中哪個(gè)地方流體的梯度變化較大，在這些地方，網(wǎng)格必須作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。例如：如果用了紊流模型，靠近壁面的區(qū)域的網(wǎng)格密度必須比層流模型密得多，如果太粗，該網(wǎng)格就不能在求解中捕捉到由于巨大的變化梯度對流動造成的顯著影響，相反，那些長邊與低梯度方向一致的單元可以有很大的長寬比。為了得到精確的結(jié)果，應(yīng)使用映射網(wǎng)格劃分，因其能在邊界上更好地保持恒定的網(wǎng)格特性，映射網(wǎng)格劃分可由命令MSHKEY,1 或其相應(yīng)的菜單Main Menu>Preprocessor > -Meshing-Mesh>-entity-Mapped 來實(shí)現(xiàn)。第四步：施加邊界條件可在

15、劃分網(wǎng)格之前或之后對模型施加邊界條件，此時(shí)要將模型所有的邊界條件都 考慮進(jìn)去，如果與某個(gè)相關(guān)變量的條件沒有加上去，則該變量沿邊界的法向值的梯度 將被假定為零。求解中，可在重啟動之間改變邊界條件的值，如果需改變邊界條件的 值或不小心忽略了某邊界條件，可無須作重啟動，除非該改變引起了分析的不穩(wěn)定。第五步：設(shè)置FLOTRA附析參數(shù)為了使用諸如紊流模型或求解溫度方程等選項(xiàng)，用戶必須激活它們。諸如流體性 質(zhì)等特定項(xiàng)目的設(shè)置，是與所求解的流體問題的類型相關(guān)的，該手冊的其他部分詳細(xì) 描述了各種流體類型的所建議的參數(shù)設(shè)置。第六步：求解通過在觀察求解過程中相關(guān)變量的改變率，可以監(jiān)視求解的收斂性及穩(wěn)定性。這 些變

16、量包括速度、壓力、溫度、動能（ENK國由度）和動能耗散率（END瀘由度）等紊 流量以及有效粘性（EVIS o 一個(gè)分析通常需要多次重啟動。第七步：檢查結(jié)果可對輸出結(jié)果進(jìn)行后處理，也可在打印輸出文件里對結(jié)果進(jìn)行檢查，此時(shí)用戶應(yīng) 使用自己的工程經(jīng)驗(yàn)來估計(jì)所用的求解手段、所定義的流體性質(zhì)、以及所加的邊界條 件的可信程度。FLOTRAN析中產(chǎn)生的一些文件在ANSY中進(jìn)行的大多數(shù)流體分析都是通過多次中斷和重啟動來完成的,通常,分析人員需要在各個(gè)重啟動之間改變諸如松弛系數(shù)等參數(shù)或開關(guān)某些項(xiàng)（如求解溫度 方程的開關(guān)）。每當(dāng)用戶繼續(xù)一個(gè)分析時(shí)，ANSY軸序會自動將數(shù)據(jù)附加在所有的 由FLOTRANL元產(chǎn)生的文

17、件中。下面將對FLOTRANL元產(chǎn)生的所有文件進(jìn)行說明：結(jié)果文件，Jobname. RFL包含節(jié)點(diǎn)結(jié)果 打印文件，包含各量的收斂記錄及進(jìn)/出口狀態(tài)（如流量等）。壁面文件，包含壁面剪切應(yīng)力以及Y-PluS言息。殘差文件，包含節(jié)點(diǎn)殘差。調(diào)試文件，包含數(shù)學(xué)求解器的有關(guān)信息。結(jié)果備份文件，包含結(jié)果文件數(shù)據(jù)的一個(gè)拷貝。重啟動文件，包含F(xiàn)LOTRANJ數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。結(jié)果文件FLOTRA附析的結(jié)果并不自動保存在 ANSYS勺數(shù)據(jù)庫中，在每次求解之后，程序 會將一個(gè)結(jié)果集附加在結(jié)果文件中。用戶可對結(jié)果文件的內(nèi)容及程序?qū)Y(jié)果文件的更新頻率進(jìn)行控制，ANSYST令手冊中對FLDATA5OUTP令的介紹就詳細(xì)說明了結(jié)果

18、 文件會基于用戶的選擇而保存些什么內(nèi)容。在一個(gè)穩(wěn)態(tài)FLOTRA附析中，結(jié)果文件能保存多少個(gè)結(jié)果集是沒有限制的，在求 解的初期多保存幾個(gè)結(jié)果有很多好處：可以比較各結(jié)果集之間的變化、可以使用不同 的選項(xiàng)或松弛系數(shù)來從一個(gè)分析的較早狀態(tài)重新開始分析。當(dāng)開始一個(gè)新分析時(shí)（在其第一次迭代之前），ANSYSS序會保存一個(gè)結(jié)果，然后在當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)保存再保存結(jié)果，在這些事件之間，用戶還可通過設(shè)置將一些中間 結(jié)果附在結(jié)果文件里，這樣就可以從較早的分析狀態(tài)開時(shí)，通過激活一些不同的選項(xiàng) 和特征來重新分析，例如，可以通過這種方式來提高分析的穩(wěn)定性。使用ANSYS的覆蓋頻率選項(xiàng)是一個(gè)明智的方法，它就可以周期性地保存和更

19、新 一個(gè)臨時(shí)的結(jié)果集，這樣，當(dāng)由于斷電或其他系統(tǒng)原因而發(fā)生求解中斷時(shí)，總可以有 一個(gè)可用的結(jié)果集用于重新開始分析。設(shè)置覆蓋頻率的方式如下：命令：FLDATA2ITER,OVER,value菜單：Main Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Execution Ctrl 設(shè)置附加頻率的方式如下：命令：FLDATA2ITER,APPE,value菜單：Main Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Execution Ctrl打印文件（）文件包含了所有FLOTRA輸入?yún)?shù)的完整記錄，該信息每在發(fā)出一個(gè)求解命令時(shí)就保存一次

20、以完整地記錄整個(gè)分析歷程。同時(shí)，所有激活了的變量的收斂過程也記錄了下來，還有一個(gè)對結(jié)果的總結(jié)，即每個(gè)性質(zhì)和自由度的最大最小值，這些記錄的頻率都由用戶自己設(shè)定。所記錄的其他量還有：各記錄量的平均值、質(zhì)量流的邊界、質(zhì)量平衡的計(jì)算、所有熱傳導(dǎo)和熱源的相關(guān)信息。節(jié)點(diǎn)殘差文件節(jié)點(diǎn)殘差文件，即，顯示了當(dāng)前解的收斂好壞程度。在求解過程的每一個(gè)階段，流場、性質(zhì)場、溫度場都用于對每個(gè)自由度計(jì)算系數(shù)矩陣和強(qiáng)迫函數(shù)，如果解完全收斂，這些矩陣和強(qiáng)迫函數(shù)將會生成一個(gè)與產(chǎn)生它們的速度場一樣的速度場，同時(shí)，矩陣方程的殘差也會變得很小。要得到一個(gè)殘差文件，必須至少執(zhí)行一次迭代。當(dāng)求解過程發(fā)生振蕩時(shí)，殘差的幅值將顯示分析的錯誤

21、所在。（矩陣的主對角元素對殘差作歸一化處理）這種歸一化使用戶可對自由度的值及其殘差作比較。對每一個(gè)激活了的自由度計(jì)算殘差并將其存入殘差文件的方式如下：命令：FLDATA5,OUTP,RESI,TRUE菜單：Main Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Additional Out>Residual File要讀取殘差文件，可通過菜單 Main Menu>General Postproc>FLOTRAN或命令FLREAD 來實(shí)現(xiàn)。重啟動文件通常，F(xiàn)LOTRANE一個(gè)重啟動的起始處計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對于一個(gè)大模型，這種計(jì)算將消耗大量的時(shí)間，為了

22、避免這種重新計(jì)算，可要求FLOTRAIW數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存在重啟動文件中，F(xiàn)LOTRAN;ANSY的數(shù)據(jù)庫中產(chǎn)生該文件。對 文件的讀和寫的方式如下：命令：FLDATA32,REST,RFIL,T菜單：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Restart Options>CFDRestart File可將RFIL犬態(tài)設(shè)置為開(ON)或關(guān)(OFF)若設(shè)為開，則FLOTRAN1始執(zhí)行分析 時(shí)將 讀入重啟動文件，若此時(shí)重啟動文件不存在，則將產(chǎn)生一個(gè)重啟動文件。如果在改變了邊界條件之后再進(jìn)行重啟動分析，則必須覆蓋掉業(yè)已存在的 .CFD 文件以使得A

23、NSYSg用新的邊界條件進(jìn)行重新分析，覆蓋.CFDC件的方式如下：命令：FLDATA32,REST, WFIL,T菜單：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Restart Options>CFDRestart File這就使FLOTRAINE下一載荷步產(chǎn)生一個(gè)新的重啟動文件，并自動將RFIIB態(tài)設(shè)置為關(guān)閉。當(dāng)新的重啟動文件產(chǎn)生之后，用FLDATA32REST,RFIL命令使隨后的重啟動能使用新的重啟動文件。FLOTRA通啟動分析(續(xù)算)用戶可在結(jié)果文件 中任意一個(gè)解集的基礎(chǔ)上開始一個(gè)重啟動分析， 重啟動位置的設(shè)置可基于解集號(NS

24、ET)迭代數(shù)(ITER)載荷步/子步號(LSTP)£瞬態(tài)分析的時(shí)間 (TIME),方式如下：命令： FLDATA32,REST,lable,value其中，lable為上面的 NSET ITER LSTP TIMEl亨菜單： Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Restart Options> Restart/Iteratio (或 Restart/Load step, Restart/Set, 等)當(dāng)重啟動一個(gè)分析時(shí)，ANSY夠原始的結(jié)果文件拷貝到中并將重啟動點(diǎn)、所有在 重啟動點(diǎn)之前的結(jié)果集、所有的后續(xù)結(jié)果集放在新的結(jié)

25、果文件中。如果在 FLDATA32RES命令中的value值是一個(gè)負(fù)值，則將不產(chǎn)生文件，而重啟動的點(diǎn)將由value的絕對值來指定。提高收斂性和穩(wěn)定性的常用的工具ANSY航序提供幾個(gè)有助于收斂和求解穩(wěn)定的工具，理論手冊對其機(jī)理有詳述松弛系數(shù)松弛系數(shù)是一個(gè)其值介于0和1之間的小數(shù)，它表示舊結(jié)果與附加在舊結(jié)果上以形成新結(jié)果的最近一次計(jì)算量之間的變化量。設(shè)置松弛系數(shù)的方式如下：命令：FLDATA25,RELX,lable,value菜單：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>DOF RelaxationMain

26、Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Prop RelaxationMain Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>DOF RelaxationMain Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Prop Relaxation注：命令手冊中對該命令的自由度和性質(zhì)量有詳述。慣性松弛對某個(gè)自由度的方程組的慣性松弛就是使其矩陣的主對角占優(yōu)以保持求解的穩(wěn)定性。如果當(dāng)一個(gè)解在收斂過程中沒

27、有發(fā)生舍入誤差，則慣性釋放的值不會影響到求解的最終結(jié)果。但是通常的求解過程都會發(fā)生舍入誤差，故慣性松弛可能對結(jié)果產(chǎn)生影響。用戶可對動量方程（MOME）、紊流方程（TURB 。壓力方程（PRES和溫度方程（TEMP）施加慣性松弛，具方式如下：命令：FLDATA26,STAB,lable,value菜單：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Stability ParmsMain Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Stability

28、Parms慣性松弛系數(shù)是以所加項(xiàng)的分母的形式出現(xiàn)的，故其值越小，所起作用越大，其典型值介于（作用中等）到X107 （作用很大）之間。人工粘性人工粘性用于在梯度較大的區(qū)域平抑速度解。它有助于可壓縮問題的收斂，也有助于對有分布阻力的不可壓縮問題的速度解進(jìn)行平抑。對于不可壓縮問題，應(yīng)使人工粘性的幅值與有效粘性的幅值處于相同的數(shù)量級。施加人工粘性的方式如下：命令：FLDATA26,STAB,VISC,value菜單：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Stability ParmsMain Menu>So

29、lution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Stability Parms速度限值速度限值使所求解量不能超出用戶所定義的值，可對速度、壓力和溫度自由度進(jìn)行限制(VX、" VZ、PRES TEMP),方式如下：命令：FLDATA31,CAPP菜單：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp> Relax/Stab/Cap>Results CappingMain Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Results C

30、apping速度限值可消除速度尖峰的不利影響，這種速度尖峰通常發(fā)生在收斂過程中的較早階段。它還特別適合用于可壓縮流分析，因這類分析中速度尖峰通常使動能項(xiàng)大到產(chǎn)生負(fù)的靜溫。當(dāng)對壓力進(jìn)行限值時(shí)，所限的值是由壓力方程解算出來的壓力而不是松弛后的壓力，故當(dāng)限值后作重啟動時(shí)，壓力值仍有可能超出限值。注意 ：當(dāng)有速度限值時(shí)，質(zhì)量有可能不守恒。面積積分階次( Quadrature Order )缺省的用于計(jì)算單元面積積分的階次是單點(diǎn)積分，用戶可對其進(jìn)行控制。對于軸對稱問題，求解時(shí)，該值自動設(shè)為 2，因?yàn)楫?dāng)面積積分階次為2時(shí)，可使含有異常形狀單元的問題收斂到更精確的解。用下面的方式改變動量、壓力、熱或紊流項(xiàng)的

31、面積積分階次：命令：FLDATA30,QUAD,lable,value其中，lable為要改變的單元積分，value為積分點(diǎn)的數(shù)目。菜單：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp> Mod Res/Quad Ord> CFDQuad OrdersMain Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Mod Res/Quad Ord>CFDQuad OrdersFLOTRAN析過程中應(yīng)處理的問題 確定總體迭代的數(shù)目FLOTRA附析是一個(gè)非線性的序列求解過程，故每次分析首先得確定要讓程序執(zhí) 行多少次迭代。一

32、次總體迭代就是對所有相關(guān)的控制方程按序列進(jìn)行求解，并且在求 解過程中流體性質(zhì)會隨時(shí)更新。在瞬態(tài)分析中，時(shí)間步循包含了總體迭代循環(huán)。在一 個(gè)總體迭代中，程序首先獲得動量方程的近似解，再在質(zhì)量守恒的基礎(chǔ)上將動量方程 的解作為強(qiáng)迫函數(shù)來求解壓力方程，然后用壓力解來更新速度，以使速度場保持質(zhì)量 守恒。如果要求了程序求解溫度，則程序會同時(shí)求解溫度方程并更新與溫度相關(guān)的流 體性質(zhì)。最后，如果激活了紊流模型，則程序?qū)⑶蠼馕闪鞣匠滩⒂梦闪鲃幽芗捌浜纳?率來計(jì)算有效粘性和熱傳導(dǎo)系數(shù)，有效粘性和熱傳導(dǎo)系數(shù)將分別代替層流粘性和熱傳 導(dǎo)系數(shù)以在平均流上模擬紊流的影響。用下面的方式定義總體迭代的數(shù)目：命令：FLDATA

33、2,ITER,EXEC,valU（value即為迭代數(shù)）菜單：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp> Execution CtrlMain Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Execution Ctrl收斂監(jiān)測在FLOTRAlNt解過程中，程序在每一個(gè)總體迭代里對每一個(gè)自由度計(jì)算出一個(gè)收 斂監(jiān)測量，這些自由度包括：速度 （VX、VY、VZ）、壓力（PRES）溫度（TEMP卜紊流 動能（ENKE）、動能耗散率（ENDS、以及激活了的多組份傳輸方程（ SP01 SP06。收斂監(jiān)測量就是兩次迭代之間結(jié)果改變

34、量的歸一化值，若以表示任一自由度，則該自由度的收斂監(jiān)測量可由下式表示：NX片-甲收斂監(jiān)測量;巴一£ %i= 1收斂監(jiān)測量表示變量在當(dāng)前迭代（kth）的結(jié)果和前一次迭代（k-1）th）的結(jié)果之間差 值的總和除以當(dāng)前值的總和，這種求和是在所有節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行的，并且使用的是差值的 絕對值。在批處理或交互式運(yùn)行過程中，當(dāng)求解進(jìn)行時(shí)程序的 圖形求解跟蹤（GST功能將實(shí)時(shí)顯示出所計(jì)算的收斂監(jiān)測量，GST勺缺省值在交互運(yùn)行時(shí)是開（ON）,而在批處理運(yùn)行時(shí)是關(guān)（OFF）。用戶可用下面的方式定義其開關(guān)：命令：/GST菜單：Main Menu>Solution>Output Ctrls>G

35、rph Solu Track圖21是兩個(gè)典型的GSTS形。圖2 1（b）是一個(gè)FLOTRANJ瞬態(tài)分析過程，圖中 的每一個(gè)尖峰表示了一個(gè)新時(shí)間步的開始。在初始階段可能出現(xiàn)的一些振蕩之后，收斂監(jiān)測量的大小將隨著分析過程的收斂而逐漸減小，但其減小的程度將依賴于幾個(gè)因素，諸如：幾何邊界的復(fù)雜程度高梯度區(qū)域有限元網(wǎng)格的精度紊流的嚴(yán)重程度（由雷諾數(shù)確定）出口邊界處流場的發(fā)展是否充分當(dāng)使用圖形求解跟蹤（GST功能時(shí)，還應(yīng)注意：不單是FLOTRA附析有GS頊能,非線性的結(jié)構(gòu)分析、非線性的熱分析和非線性的電磁場分析都有GS初能。詳見各自的分析指導(dǎo)手冊。GSTT同時(shí)顯示多達(dá)10條的跟蹤曲線，如果用戶的模型有多于

36、10個(gè)的自由度，則GST等只顯示前10個(gè)自由度的收斂跟蹤曲線。當(dāng)GSTT始顯示時(shí)，程序會彈出一個(gè)帶 STOPS鈕的對話框，用戶可在任意時(shí)刻 通過點(diǎn)取該STOPS鈕來中斷求解過程，而后要進(jìn)行重啟動分析時(shí)，可通過執(zhí) 行命令SOLV或其相應(yīng)的菜單Main Menu>Solution>Run Flotran來實(shí)現(xiàn)。Cu mu Inti v & 工 t 0 戶 cut lan Nu mb g r*8)圖21由GST®示的收斂監(jiān)測量(a) 穩(wěn)態(tài)求解(b) 瞬態(tài)求解中斷一個(gè)FLOTRA的析用戶可以定義一個(gè)基于壓力和溫度收斂監(jiān)測量的目標(biāo)值來中斷一個(gè)FLOTRA附析，定義方式如下：

37、命令：FLDATA3,TERM,PRES,valueFLDATA3,TERM,TEMP,value菜單：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp> Execution CtrlMain Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Execution Ctrl壓力和溫度的收斂缺省值都是 X1-8,如果沒有激活溫度方程的求解，則程序只檢測壓力的收斂值是否滿足要求，而若同時(shí)激活了流體方程和溫度方程的求解，則二者的收斂標(biāo)準(zhǔn)都必須同時(shí)滿足。在滿足了壓力和溫度的收斂條件或總體平衡迭代數(shù)達(dá)到了所要求的值后，F(xiàn)LOTRANR解過程

38、就自動中斷。要中斷一個(gè)正在以批處理方式或后臺方式執(zhí)行的FLOTRA隘析，則需在當(dāng)前工作目錄下生成一個(gè)文件，該文件的第一行應(yīng)含有terminate字樣，且該字樣的起始位置 應(yīng)是第一行的第一列。在每一次總體迭代之前，F(xiàn)LOTRA腓會在當(dāng)前目錄下搜尋文件，如果程序找到該文件并發(fā)現(xiàn)其含有terminate字樣，則立即完成該次總體迭代并正常中斷程序的執(zhí)行，而且將結(jié)果寫入結(jié)果文件中。對一個(gè)FLOTRA附析進(jìn)行評價(jià)分析員必須回答的兩個(gè)問題是：1. 所作的分析是何時(shí)結(jié)束的2. 所 作的分析是否是正確的這兩個(gè)問題是相互關(guān)聯(lián)的，因?yàn)椋绻麤]有正確地設(shè)置和正確地分析一個(gè)流體問題，它一般都是不會收斂的。如果所輸入的初

39、始參數(shù)和所有的邊界條件都是正確的，則當(dāng)所有變量的收斂監(jiān)測量都停止增長，以及所有求解量的平均、最大、最小值都不再升降時(shí)，求解過程就算是完成了。然而，這并不能保證所求解的結(jié)果是唯一正確的，因?yàn)樽匀唤绫旧聿⒉槐?證存在唯一解。振蕩問題（例如：柱體繞流的旋渦脫落問題）用穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)求解技術(shù) 都不能得到一個(gè)穩(wěn)定的解。要驗(yàn)證一個(gè)分析是穩(wěn)定的或是振蕩的，可以通過對它執(zhí)行 大量的迭代求解來實(shí)現(xiàn)。ANSY略求解變量的平均、最小、最大值保存在文件中，該文件同時(shí)還保存了 FLOTRANJ輸入數(shù)據(jù)和計(jì)算出的收斂監(jiān)測量、所有自由度的結(jié)果總結(jié)、層流特性和有 效特性?？捎孟旅娴姆绞絹硪?guī)定ANSYSJ行結(jié)果總結(jié)的頻率：命令：F

40、LDATA5OUTP,SUMF,value菜單：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp>Additional Out>RFL Out Derived Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Additional Out>RFL Out Derived驗(yàn)證結(jié)果驗(yàn)證求解結(jié)果的可靠性是所有分析人員的責(zé)任，如果一個(gè)FLOTRA附析得到了非預(yù)期的結(jié)果，則應(yīng)進(jìn)行下列所示的一些操作，這些操作的大部分都可以在開始一個(gè)分 析前完成。即使只進(jìn)行了零次迭代，ANSYS1會生成一個(gè)文件并檢查所有的輸入數(shù)據(jù)。1

41、.檢查作為結(jié)果總結(jié)的一部分而打印出來的質(zhì)量平衡情況。內(nèi)部檢查將確定是 否有任何的可能會通過模型的質(zhì)量流，允許質(zhì)量流的邊界條件是：確定的速度邊界條件確定的壓力邊界條件未確定的邊界（這有可能是由于用戶忘了施加邊界條件而致）ANSYS將進(jìn)口和出口邊界編號列表，而這些應(yīng)與所希望的條件相對應(yīng)。2 .在ANSYS1檢查邊界條件，以保證其正確性。3 .檢查所定義的流體性質(zhì)及其隨溫度的可變動性正確與否，這可在.RF墳:件中方便地檢查。4 .檢查用以建立模型的單位制與用以定義流體性質(zhì)的單位制是否一致。5 .有時(shí)，還需確認(rèn)與所選選項(xiàng)相聯(lián)系的方程的求解是否正確（例如：可壓縮流 中的壓力方程）。6. 如 果求解發(fā)散，

42、可能的原因還有：有限元網(wǎng)格不夠精細(xì)、或者鄰近出口處流場梯度太大，要解決這些問題，可以使用一些諸如慣性松弛等有助于收斂的 手段，本手冊的后面將詳述各種松弛技術(shù)。7. 如 果僅僅只有某個(gè)特定的量產(chǎn)生發(fā)散，則可將該量重新初始化到一個(gè)單值，并作重啟動分析，方式如下：命令：FLDATA29,MODV菜單：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp> Mod Res/QuadOrd>Modify ResultsMain Menu>Solution>FLOTRAN SetUp> Mod Res/Quad Ord>Modify Re

43、sults第三章FLOTRANg置命令1234567891011121314151617181920本章有如下設(shè)置FLOTRA求解控制命令 15FLOTRANft行及輸出控制命令穩(wěn)態(tài)控制參數(shù)設(shè)置 16FLOTRANft行及輸出控制命令瞬態(tài)控制參數(shù)設(shè)置 17FLOTRA輸出及保存文件控制 21FLOTRA輸出收斂監(jiān)測量的才5制 24FLOTRA流體類型及其特性的可變性控制 25FLOTRA流體性質(zhì)參數(shù)設(shè)定 27FLOTRA附析的坐標(biāo)系統(tǒng)的指定 29FLOTRA附析參考條件的設(shè)置 30指定FLOTRA附析的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng) 31指定FLOTRA附析的重力加速度 32設(shè)置有助于FLOTRA求解穩(wěn)定的參數(shù)

44、 33設(shè)定FLOTRAN!由度松弛系數(shù) 34設(shè)定FLOTRA流體性質(zhì)松弛因子 35設(shè)置FLOTRA附析的自由度限值 36選擇FLOTRA胳自由度相應(yīng)的求解器 38又tFLOTRA胳求解器的控制 39設(shè)置FLOTRA湍流模型的一些常數(shù) 42重新設(shè)定FLOTRA胳分析參數(shù)的值 45控制FLOTRAI®積積分的階次 4821 FLOTRA底組份疏運(yùn)分析的設(shè)置及控制 4922 定義FLOTRAI®重啟動（續(xù)算）控制 5523設(shè)置并執(zhí)行一個(gè)零迭代FLOTRA附析 581 FLOTRA求解控制命令命令：FLDATA1, SOLU, Lable, Value功能：設(shè)定求解控制菜單：Mai

45、n Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Solution OptionsMain Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Solution Option其中，Lable的選項(xiàng)及其各自含義如下：TRAN求解穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)選項(xiàng)，缺省為穩(wěn)態(tài)FLOW是否求解流動方程選項(xiàng)，缺省為求解流動方程TEMP： 是否求解溫度方程選項(xiàng)，缺省為絕熱（不求解溫度方程）TURB： 層流或湍流選項(xiàng)，缺省為層流COMP:不可壓縮或可壓縮選項(xiàng)，缺省為不可壓縮流SWRL： 求解軸對稱旋流選項(xiàng)，缺省為否SPEC： 求解多組份疏運(yùn)選項(xiàng)，缺省為否Valu

46、e的值為 是“或 否"二者之一。該命令的菜單形式如下：:FLO TRAN Solution OptionsFLDATAD.SOLUTRAN Steady state or transient?FLOW Solue flow equations?TEMP Adiabatic or themal?TURB Laminar or turbulent?COMP Inconpress or compress?SWRLwithSPEC Multiple species transportSteady State|7 Yes|Adiabat icI Laminar11ncompress ible

47、|Nor NoOK I Apply ICancelHelp I# FLOTRANM亍及輸出控制命令穩(wěn)態(tài)控制參數(shù)設(shè)置命令：FLDATA2,ITER, Lable, Value功能：設(shè)置穩(wěn)態(tài)流的迭代及輸出控制其中，Labe勺選項(xiàng)及其各自含義如下：EXEC總體迭代次數(shù)，缺省為10次OVER結(jié)果文件覆蓋頻率（每隔Valu敵迭代），缺省為0APPE結(jié)果文件附加頻率（每隔Value次迭代），缺省為0Value的值以上Lable#自的迭代次數(shù)命令：FLDATA3,TERM, Lable, Value功能：設(shè)置壓力和溫度的收斂準(zhǔn)則其中，Lablel勺選項(xiàng)及其各自含義如下：PRES設(shè)置壓力收斂準(zhǔn)則，缺省為10-

48、8TERM設(shè)置溫度收斂準(zhǔn)則，缺省為10-8Value為以上兩項(xiàng)各自的收斂值命令：FLDATA5 OUTP, Lable, Value功能：設(shè)置輸出控制其中，Lablel勺選項(xiàng)及其各自含義如下：SUMF:輸出總2的頻率（每隔Valu敵迭代），缺省為10Value為上面SUMFB勺迭代數(shù)以上三條命令的菜單路徑如下：菜單：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Execution CtrlMain Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Execution Ctrl以上三條命令的菜單形式如下：Steady St

49、ate Control SettingsFLDATA2ITER Iteration ControlEXEC Global iterationsOUER .rf1 file overwrite freqAPPE.rf1 File append freqFLDATA3 LTERM Termination CriteriaPRES Pressure termination critele-008TEMP Energy termination critle-008FLDATA5 .OUTP Output OptionsSUMF Output summary frequencyCancelHelp3 F

50、LOTRANM亍及輸出控制命令瞬態(tài)控制參數(shù)設(shè)置命令：FLDATA4 TIME, Lable, Value功能：基于瞬態(tài)時(shí)間來設(shè)置瞬態(tài)分析的求解及輸出控制命令：FLDATA4A STEP, Lable, Value功能：基于時(shí)間步來設(shè)置瞬態(tài)分析的輸出控制 菜單：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up> Execution CtrlMain Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Execution Ctrl在點(diǎn)取上面的菜單路徑時(shí)，首先會彈出一個(gè)下圖所示的對話框，該對話框的第二項(xiàng)即 是激活上面的第二條命令，即

51、用戶需要選擇到底是基于瞬態(tài)分析的時(shí)間值、或是時(shí)間 步、或是二者兼顧來對求解及輸出進(jìn)行控制。同時(shí)，該對話框的第一項(xiàng)是用以定義到 底是由程序還是由用戶自己來對瞬態(tài)分析的時(shí)間步長進(jìn)行控制，也就是下面將要講到 的STEPK。這兩個(gè)選項(xiàng)的值直接影響了隨后的彈出菜單的內(nèi)容，本手冊在此是合起 來講的，謹(jǐn)請注意。第一條命令的Labl遜項(xiàng)及其各自含義如下：STEP定義時(shí)間步長，當(dāng)在上面的對話框中設(shè)置為用戶自定義時(shí)，該選項(xiàng)的Value值應(yīng)為一正值，表示真正的時(shí)間步長，命令輸入就在 Valu故t輸一真正時(shí)間即可；當(dāng)在上面的對話框中設(shè)置為Advection時(shí)，即為由程序定義時(shí)間步長，命令輸入時(shí)可在 Value#輸-1

52、、-2、-3或-4四值之一，其含義分別如下：- 1：時(shí)間步長會小到在單一的任何一個(gè)時(shí)間步長內(nèi)，流場中任意一點(diǎn)的運(yùn)動距離都不會大于一個(gè)單元的長度- 2：只用于可壓縮流分析，它使時(shí)間步長會小到在單一的任何一個(gè)時(shí)間步長內(nèi)，流場中壓力信號的傳輸距離都不會大于一個(gè)單元的長度- 3：只用于可壓縮流分析，它使時(shí)間步長取上面-1和-2項(xiàng)中的最小值- 4：只用于純傳熱分析（不計(jì)算流場方程），它使時(shí)間步長會小到在單一的任何一個(gè)時(shí)間步長內(nèi)，任何一個(gè) “熱點(diǎn) ”的傳導(dǎo)或?qū)α骶嚯x都不會大于一個(gè)單元的長度ISTEP： 指定初始時(shí)間步長，僅在時(shí)間步長由程序定義時(shí)有效，缺省為 0NUMB:指定時(shí)間步的數(shù)目，缺省為10TEND

53、指定瞬態(tài)分析的終止時(shí)間，缺省為1X10GLOB： 指定每一時(shí)間步的總體迭代數(shù)，缺省為 20PRES指定每一時(shí)間步的壓力收斂準(zhǔn)則，缺省為 1X10TEMP:指定每一時(shí)間步的溫度收斂準(zhǔn)則，缺省為 1X18OVER指定結(jié)果文件的覆蓋頻率（每隔Value時(shí)間覆蓋一次），缺省為0,即不覆蓋APPE指定結(jié)果的輸出頻率（每隔Value時(shí)間輸出一次結(jié)果到結(jié)果文件中），缺省為1 x 10SUMF:指定結(jié)果總2的輸出頻率（每隔Value時(shí)間輸出一次結(jié)果總結(jié)），缺省為1 X610BC：指定瞬態(tài)邊界條件的變化形式，缺省為階躍變化其Value的含義如上面各項(xiàng)所述第二條命令的Labl越項(xiàng)及其各自含義如下:OVER指定結(jié)果

54、文彳的覆蓋頻率（每隔Valued時(shí)間步覆蓋一次），缺省為0,即不覆蓋APPE指定結(jié)果的輸出頻率（每隔Valued時(shí)間步 輸出一次 結(jié)果到結(jié)果文件中 ），缺省為10SUMF:指定結(jié)果總2的輸出頻率（每隔Valued時(shí)間步輸出一次結(jié)果總結(jié)），缺省為 10下頁所示為該二命令的菜單形式，第一幅圖為用戶自定義時(shí)間步長，第二幅圖為程序定義時(shí)間步長（上述對話框的第一項(xiàng)設(shè)定），同時(shí)，該二圖所顯示的都是設(shè)定由時(shí)間值和時(shí)間步同時(shí)控制求解及輸出選項(xiàng)時(shí)（上述對話框的第二項(xiàng)設(shè)為“both）'的菜單情況：:Transient ControlsOK ICancel IHelpFLDATA4J.TIMESTEP Us

55、er-defined tine stepLength of Transient ExecutionNUMBNumber of time steps|10TENDStop tine|1000000Time Step TerminationGLOB Global iter per tine stepPRESPressure ternination|le-006TEMPTemperature ternination|le-006FLDATA4A JSTEP - Transient control by step FLDATA4J/.TIME - Transient control by timeOu

56、erwrite frequency to results fileSTEP.OUERNumber of tinestepsI0 1TIME.OUERTine interualI0Append Frequency to results FileSTEP.APPENumber of tinestepsTIME.APPETine interual1000000Summary frequency to output fileSTEP.SUMFNunber of tinestepsTIME.SUMFTime interual|1000000tFLDATA4-Transient Boundary Condition ApplicationTIME.BC Apply Uarying B.C. asG Step ChangeO Linear RampCancelFLDATA4,TIMESTEP Time step control set to aduection constraintI STEP Initial tine step value|0Length of Transien