流體動力學(xué)(CFD)分析

1、Page 1GuidelinesPage 2 第一章第一章FLOTRAN 計算流體動力學(xué)(CFD)分析概述 一、FLOTRAN CFD 分析的概念 二、 FLOTRAN 分析的種類 1、層流分析 2、紊流分析 3、熱分析 4、可壓縮流分析 5、非牛頓流分析 6、多組份傳輸分析 GuidelinesPage 3 第二章第二章FLOTRAN分析基礎(chǔ) 一、FLOTRAN單元的特點 1、FLUID141單元 2、FLUID142單元 3、FLUID單元的其他特征 二、使用FLOTRAN單元的一些限制及注意事項 三三、 FLOTRAN分析的主要步驟 四、 FLOTRAN分析中產(chǎn)生的一些文件 五、提高收斂

2、性和穩(wěn)定性的常用的工具 六、 FLOTRAN分析過程中應(yīng)處理的問題 七、對一個FLOTRAN分析進行評價 八、驗證結(jié)果 GuidelinesPage 4Intro-4 第三章第三章FLOTRAN設(shè)置命令 一、FLOTRAN求解控制命令 二、FLOTRAN執(zhí)行及輸出控制命令 穩(wěn)態(tài)控制參數(shù)設(shè)置 三、三、FLOTRAN執(zhí)行及輸出控制命令 瞬態(tài)控制參數(shù)設(shè)置 四、FLOTRAN輸出及保存文件控制 五、FLOTRAN輸出收斂監(jiān)測量的控制 六、FLOTRAN流體類型及其特性的可變性控制 七、FLOTRAN流體性質(zhì)參數(shù)設(shè)定 八、FLOTRAN分析的坐標系統(tǒng)的指定 九、FLOTRAN分析參考條件的設(shè)置 十、指定

3、FLOTRAN分析的旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng) 十一、指定FLOTRAN分析的重力加速度 十二、設(shè)置有助于FLOTRAN求解穩(wěn)定的參數(shù) GuidelinesPage 5Intro-5 第三章第三章FLOTRAN設(shè)置命令（續(xù)） 十三、三、設(shè)定FLOTRAN自由度松弛系數(shù) 十四、設(shè)定FLOTRAN流體性質(zhì)松弛因子 十五、設(shè)置FLOTRAN分析的自由度限值 十六、選擇FLOTRAN各自由度相應(yīng)的求解器 十七、對FLOTRAN各求解器的控制 十八、設(shè)置FLOTRAN湍流模型的一些常數(shù) 十九、重新設(shè)定FLOTRAN各分析參數(shù)的值 二十、控制FLOTRAN面積積分的階次 二十一、FLOTRAN多組份疏運分析的設(shè)置及控制

4、 二十二、定義FLOTRAN的重啟動（續(xù)算）控制 二十三、設(shè)置并執(zhí)行一個零迭代FLOTRAN分析 GuidelinesPage 6Intro-6 第四章第四章FLOTRAN邊界條件 一、邊界條件的類型 二、進口/出口邊界條件 三、三、對稱邊界條件 四、固定壁面 五、移動壁面 六、內(nèi)流 七、外流 八、周期邊界 九、熱邊界條件 十、邊界條件總結(jié) 十一、邊界條件的菜單形式 GuidelinesPage 7Intro-7 第五章第五章FLOTRAN層流和湍流分析算例 一、問題描述 二、分析方法及假定 三、三、幾何尺寸及流體性質(zhì) 四、分析過程 第1步：進入ANSYS 第2步：設(shè)置分析選擇 第3步：定義單

5、元類型 第4步：生成分析區(qū)域的幾何面 第5步：定義單元形狀 第6步：劃分有限元網(wǎng)格 第7步：生成并應(yīng)用新的工具欄按鈕 第8步：施加邊界條件 第9步：求解層流 GuidelinesPage 8Intro-8 第五章第五章FLOTRAN層流和湍流分析算例（續(xù)） 四、分析過程 第10步：觀察層流分析的結(jié)果 第11步：確定流體粘性如何影響流場特性 第12步：進行湍流分析 第13步：對新的出口區(qū)劃分網(wǎng)格 第14步：施加湍流分析的載荷 第15步：改變FLOTRAN分析選項和流體性 第16步：進行求解 第17步：將流體速度結(jié)果以向量圖和路徑圖的方式進行顯示 第18步：繪制壓力等值線圖 GuidelinesP

6、age 9Intro-9Page 10Intro-10在完成本章學(xué)習(xí)后，我們應(yīng)該對流體動力學(xué)分析的基本概念有所了解，并知道它的基本分類。ModuleObjective第第一一講講、FLOTRAN CFD 分析的概念分析的概念 第第二二講講、 FLOTRAN 分析的種類分析的種類 第第三三講講、層流分析層流分析第第四四講講、紊流分析、紊流分析 第第五五講講、熱分析、熱分析 第第六六講講、可壓縮流分析、可壓縮流分析 第第七七講講、非牛頓流分析、非牛頓流分析 第第八八講講、多組份傳輸分析、多組份傳輸分析 LessonObjectives Page 11Intro-11 T-1. FLOTRAN CF

7、D 分析的概念 ANSYS程序中的FLOTRAN CFD分析功能是一個用于分析二維及三維流體流動 場的先進的工具，使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID 141和FLUID 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，F(xiàn)LOTRAN還具有如下功能： 計算發(fā)動機排氣系統(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熱沖擊的可能性 用自然對流分析來估計電子封裝芯片的熱性能 對含有多種流體的(由固體隔開)熱交換器進行研究ObjectivePage 12Intro-12 T-2.

8、 FLOTRAN 分析的種類 FLOTRAN可執(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，一個層流分析可以是傳熱的或者是絕熱的，一個紊流分析可以是可壓縮的或者是不可壓縮的。ObjectivePage 13Intro-13 T-2. FLOTRAN 分析的種類 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。ObjectivePage 14Intro-14 T-2. FLOTRAN 分析的種類 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，ANSYS中的二方程紊

9、流模型可計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)流體壓縮時只消耗很少的能量，該流體 就可認為是不可壓縮的，不可壓縮流的溫度方程將忽略流體動能的變化和粘性耗散。ObjectivePage 15Intro-15 T-2. FLOTRAN 分析的種類 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，要在同時包含流體區(qū)域和非流體區(qū)域（即固體區(qū)域）的整個區(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，與強迫對流問題不同的是，自然對流通常都

10、沒有外部的流動源。ObjectivePage 16Intro-16 T-2. FLOTRAN 分析的種類 對于高速氣流，由很強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)，ANSYS對于這種流動情況會使用不同的解算方法。ObjectivePage 17Intro-17 T-2. FLOTRAN 分析的種類 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，ANSYS程序提供了三中粘性模式和一個用戶自定義子程序。ObjectivePage 18Intro-18 T-2. FLOTRAN 分析的種類 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

11、體的傳播情況，同時，它也可用于研究有多種流體同時存在（但被固體相互隔開）的熱交換分析。 ObjectivePage 19Intro-19Page 20Intro-20本章學(xué)習(xí)，我們簡單介紹FLOTRAN分析的基礎(chǔ)知識，以助于大家對以后的FLOTRAN分析有個大體的概念。ModuleObjective第第一一講講、FLOTRAN單元的特點單元的特點 第第二二講講、FLUID141單元單元 第第三三講講、FLUID142單元單元 第第四四講講、FLUID單元的其他特征單元的其他特征 第第五五講講、使用、使用FLOTRAN單元的一些限制及注意事項單元的一些限制及注意事項 第第六六講講、FLOTRAN

12、單元使用中的一些限制單元使用中的一些限制 第第七七講講、FLOTRAN分析的主要步驟分析的主要步驟 第第八八講講、FLOTRAN分析中產(chǎn)生的一些文件分析中產(chǎn)生的一些文件 第第九九講講、提高收斂性和穩(wěn)定性的常用的工具、提高收斂性和穩(wěn)定性的常用的工具第第十十講講、 FLOTRAN分析過程中應(yīng)處理的問題分析過程中應(yīng)處理的問題 LessonObjectives Page 21Intro-21 T2-1. FLOTRAN單元的特點 ANSYS中的FLOTRAN單元，即FLUID141和FLUID142，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，ANSYS通過質(zhì)量、動量和能量三個

13、守恒性質(zhì)來計算流體的速度分量、壓力、以及溫度。ObjectivePage 22Intro-22 T2-1. FLOTRAN單元的特點 FLUID141單元具有下列特征：維數(shù)：二維 形狀：四節(jié)點四邊形或三節(jié)點三角形 自由度：速度、壓力、溫度、紊流動能、紊流能量耗散、多達六種流體的各自質(zhì)量所占的份額ObjectiveFLUID141單元單元 Page 232001年10月1日ANSYS培訓(xùn)教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)Intro-23 T2-1. FLOTRAN單元的特點 FLUID142單元具有下列特征：維數(shù)：三維形狀：四節(jié)點四面體或八節(jié)點六

14、面體自由度：速度、壓力、溫度、紊流動能、紊流能量耗散、多達六種流體的各自質(zhì)量所占的份額ObjectiveFLUID142單元單元 Page 24Intro-24 T2-1. FLOTRAN單元的特點 FLUID單元的其他特征包括： 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 需提供流場進口處紊流項的邊界條件，因FLOTRAN對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

15、換（膜）系數(shù)。用戶可使用的坐標系有：的卡爾坐標系、柱坐標系、極坐標系和軸對稱坐標系。如果所計算的問題是軸對稱的，激活旋轉(zhuǎn)（swirl）選項即可算出垂直于對稱平面的速度分量。ObjectivePage 25Intro-25 T2-2. FLOTRAN單元的特點 FLOTRAN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程序的某些特征不能同F(xiàn)LOTRAN單元一起使用 使用FLOTRAN單元時不能使用某些命令或菜單 當(dāng)使用ANSYS的圖形用戶界面時，程序?qū)⒅荒茱@示那些在菜單和對話框中的 FLOTRAN SetUp部分要求了的特征和選項。Objectiv

16、ePage 26Intro-26 T2-2. FLOTRAN單元的特點 當(dāng)使用FLOTRAN單元時，要避免使用ANSYS的某些特征和命令，至少，要注意到在使用FLOTRAN單元時與別的分析稍微有些不同，當(dāng)使用了無效的命令時，程序會給出相應(yīng)的警告或錯誤信息。使用FLOTRAN單元要注意如下幾點（下面所列命令相應(yīng)的菜單路徑請參見ANSYS命令手冊或聯(lián)機幫助中的“Commands and Their Location in the GUI” FLOTRAN單元不能和其他單元聯(lián)合使用。 節(jié)點坐標系必須與總體坐標系一致。 /CLEAR命令并不破壞業(yè)已存在的FLOTRAN結(jié)果文件（Jobname.RFL）

17、，這 有助于防止用戶不小心破壞那些花了很多時間和精力才求得的結(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。ObjectivePage 27Intro-27 T2-2. FLOTRAN單元的特點 CP命令通過對自由度進行耦合來形成周期邊界條件，ANSYS命令手冊對CP 命令的描述是可以只對某些自由度進行耦合，但作FLOTRAN分析時，周期 邊界的所有自由度都將被耦合。用戶不能對同一個單元中的節(jié)點進行耦合，相鄰單元間節(jié)點耦合也很困難。 ADAPT命令不適用于FLOTRAN分析。 不能用ANTYPE命令來引入FLOTRAN的瞬態(tài)分析。 FLOTRAN分析不支持自動時間步長功能，詳見“FLO

18、TRAN瞬態(tài)分析”。 如果用戶通過BFCUM、BFDELE或BFUNIF來定義節(jié)點熱源，則ANSYS會 在內(nèi)部用BFE命令來代替。 不能使用LDREAD,FORC命令來電磁載荷轉(zhuǎn)換到FLOTRAN分析中，而必須 使用相應(yīng)的宏來進行轉(zhuǎn)換。ObjectivePage 28Intro-28 T2-2. FLOTRAN單元的特點 FLOTRAN分析不能使用CE、CECMOD、CEDELE和DEINTF命令。n FLOTRAN分析不能使用CNVTOL命令來設(shè)置收斂容差。n 不能用DSYM命令來定義FLOTRAN的對稱和反對稱邊界條件。n FLOTRAN不支持旋轉(zhuǎn)坐標系中的角加速度向量。n 在FLOTRA

19、N分析中，使用FLDATA4,TIME命令而不是DELTIM命令來定義 一個載荷步的時間。n 對于FLOTRAN分析，不能使用DESOL命令或PRESOL命令來修改節(jié)點的熱 （HEAT）、流（FLOW）、或流密（FLUX）結(jié)果。n FLOTRAN分析不允許將積分點結(jié)果外推到節(jié)點上（ERESX命令）。n FLOTRAN分析不允許通過鏡象操作來形成單元。n FLOTRAN分析不能用KBC命令來施加漸變載荷，而必須用多個載荷步來逐 漸改變載荷。ObjectivePage 292001年10月1日ANSYS培訓(xùn)教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)Intr

20、o-29 T2-2. FLOTRAN單元的特點 FLOTRAN分析不允許用LCCALC、LCDEF、LCFA、LCFI等命令來作不同載荷狀況之間的運算操作。 NCNV命令中的收斂工具不能用于FLOTRAN中相互獨立的求解器。 FLOTRAN分析不允許用NEQUIT命令來定義非線性分析的平衡迭代數(shù)。 FLOTRAN分析要求節(jié)點坐標系必須是總體的卡爾坐標系，故不能用N命令、NMODIF命令、和NROTAT命令的旋轉(zhuǎn)（rotational）域。 FLOTRAN分析中，F(xiàn)LDATA2,ITER命令和FLDATA4,TIME命令用來控制一 個載荷步中的總體迭代數(shù)。 FLOTRAN分析不允許用戶自定義單元

21、。 FLOTRAN分析中，F(xiàn)LDATA2,ITER命令和FLDATA4,TIME命令用來對寫入 數(shù)據(jù)庫中的結(jié)果進行控制。ObjectivePage 30Intro-30 T2-2. FLOTRAN單元的特點 PRNLD命令不能用于FLOTRAN分析中，因其不能將邊界條件作為可打印的 單元節(jié)點載荷來保存。 FLOTRAN分析中沒有節(jié)點反力解。 部分和預(yù)定義求解選項（PSOLVE命令定義）不適用于FLOTRAN各自獨立 的求解器。 TIME命令不能用在FLOTRAN分析中。 FLOTRAN用FLDATA1,SOLU命令而不是TIMINT命令來定義瞬態(tài)載荷 步。 FLOTRAN用FLDATA4,TI

22、ME命令而非TRNOPT命令來定義瞬態(tài)分析選項。ObjectivePage 31Intro-31 T2-3. FLOTRAN分析的主要步驟 一個典型的FLOTRAN分析有如下七個主要步驟：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FLOTRAN分析參數(shù)。6. 求解。7. 檢查結(jié)果。ObjectivePage 32Intro-32 T2-3. FLOTRAN分析的主要步驟 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，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

23、求解變量變化梯度大的地方。有時，也許用戶并不知道自己的問題中哪個地方梯度變化最大，這就要先作一個試探性的分析，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。ObjectivePage 33Intro-33 T2-3. FLOTRAN分析的主要步驟 用戶在此需要估計流體的特征，流體的特征是流體性質(zhì)、幾何邊界以及流場的速度幅值的函數(shù)。FLOTRAN能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)LOTRAN中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

24、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度。通常用馬赫數(shù)來判別流體是否可壓縮。流場中任意一點的馬赫數(shù)是該點流體速度與該點音速之比值，當(dāng)馬赫數(shù)大于0.3時，就應(yīng)考慮用可壓縮算法來進行求解；當(dāng)馬赫數(shù)大于0.7時，可壓縮算法與不可壓縮算法之間就會有極其明顯的差 異。ObjectivePage 34Intro-34 T2-3. FLOTRAN分析的主要步驟 用戶必須事先確定流場中哪個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

25、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 MenuPreprocessor -Meshing-Mesh-entity-Mapped來實現(xiàn)。ObjectivePage 35Intro-35 T2-3. FLOTRAN分析的主要步驟 可在劃分網(wǎng)格之前或之后對模型施加邊界條件，此時要將模型所有的邊界條件都考慮進去，如果與某個相關(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

26、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。 ObjectivePage 36Intro-36 T2-3. FLOTRAN分析的主要步驟 為了使用諸如紊流模型或求解溫度方程等選項，用戶必須激活它們。諸如流體性質(zhì)等特定項目的設(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描述了各種流體類型的所建議的參數(shù)設(shè)置。ObjectivePage 37Intro-37 T2-3. FLOTRAN分析的主要步驟 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。這些變量包括速度、壓力、溫度、動能 (ENKE自由度) 和動能耗散率 (

27、ENDS自由度) 等 紊流量以及有效粘性（EVIS）。一個分析通常需要多次重啟動。ObjectivePage 38Intro-38 T2-3. FLOTRAN分析的主要步驟 可對輸出結(jié)果進行后處理，也可在打印輸出文件里對結(jié)果進行檢查，此時用戶應(yīng)使用自己的工程經(jīng)驗來估計所用的求解手段、所定義的流體性質(zhì)、以及所加的邊界條件的可信程度。ObjectivePage 39Intro-39 T2-4. FLOTRAN分析中產(chǎn)生的文件 在ANSYS中進行的大多數(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（如求解溫度方程的開關(guān)）。每當(dāng)用戶繼續(xù)

28、一個分析時，ANSYS程序會自動將數(shù)據(jù)附加在所有的 由FLOTRAN單元產(chǎn)生的文件中。下面將對FLOTRAN單元產(chǎn)生的所有文件進行說明: 結(jié)果文件， Jobname. RFL，包含節(jié)點結(jié)果。 打印文件， Jobname.PFL，包含各量的收斂記錄及進/出口狀態(tài)(如流量等)。 壁面文件， Jobname.RSW，包含壁面剪切應(yīng)力以及Y-Plus信息。 殘差文件， Jobname.RDF，包含節(jié)點殘差。 調(diào)試文件， Jobname.DBG，包含數(shù)學(xué)求解器的有關(guān)信息。 結(jié)果備份文件， Jobname.RFO，包含結(jié)果文件數(shù)據(jù)的一個拷貝。 重啟動文件， Jobname.CFD，包含F(xiàn)LOTRAN的數(shù)據(jù)

29、結(jié)構(gòu)。ObjectivePage 40Intro-40 T2-4. FLOTRAN分析中產(chǎn)生的文件 FLOTRAN分析的結(jié)果不自動保存，在每次求解之后，程序會將一個結(jié)果集附加在結(jié)果文件Jobname.RLF中。用戶可對結(jié)果文件的更新頻率進行控制，ANSYS命令手冊中對FLDATA5,OUTP命令的介紹就詳細說明了結(jié)果文件會基于用戶的選擇而保存些什么內(nèi)容。在穩(wěn)態(tài)分析中，在求解的初期多保存幾個結(jié)果可以比較各結(jié)果集之間的變化、可以使用不同的選項或松弛系數(shù)來從一個分析的較早狀態(tài)重新開始分析。當(dāng)開始一個新分析時（第一次迭代之前），ANSYS程序會保存一個結(jié)果, 然 后在當(dāng)中斷發(fā)生時保存再保存結(jié)果，在這些

30、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，通過激活一些不同的選項和特征來重新分析。設(shè)置覆蓋頻率的方式如下：命令：FLDATA2,ITER,OVER,value菜單： Main MenuSolutionFLOTRAN Set UpExecution Ctrl設(shè)置附加頻率的方式如下：命令：FLDATA2,ITER,APPE,value菜單： Main MenuSolutionFLOTRAN Set UpExecution CtrlObjectivePage 41Intro-41 T2-4. FLOTRAN分析中產(chǎn)生的文件 打印文件Jobname.PFL

31、文件包含了所有FLOTRAN輸入?yún)?shù)的完整記錄，該信息每在發(fā)出一個求解命令時就保存一次以完整地記錄整個分析歷程。同時，所有激活了的變量的收斂過程也記錄了下來，還有一個對結(jié)果的總結(jié)，即每個性質(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)量平衡的計算、所有熱傳導(dǎo)和熱源的相關(guān)信息。ObjectivePage 42Intro-42 T2-4. FLOTRAN分析中產(chǎn)生的文件 節(jié)點殘差文件Jobname.RDF，顯示了當(dāng)前解的收斂好壞程度。在求解過程的每一個階段，流場、性質(zhì)場、溫度場都用于對每個自由度計算系數(shù)矩陣和強迫函數(shù)，如果解完全收斂，

32、這些矩陣和強迫函數(shù)將會生成一個與產(chǎn)生它們的速度場一樣的速度場，同時，矩陣方程的殘差也會變得很小。要得到一個殘差文件，必須至少執(zhí)行一次迭代。當(dāng)求解過程發(fā)生振蕩時，殘差的幅值將顯示分析的錯誤所在。（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。對每一個激活了的自由度計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 MenuSolutionFLOTRAN Set UpAdditional OutResidual File要 讀 取 殘 差 文 件 ， 可 通 過 菜 單 M a i n M e n u G e

33、n e r a l PostprocFLOTRAN 2.1A 或命令 FLREAD來實現(xiàn)。ObjectivePage 43Intro-43 T2-4. FLOTRAN分析中產(chǎn)生的文件 通常，F(xiàn)LOTRAN在一個重啟動的起始處計算數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對于大模型，這種計算將消耗大量的時間。為了避免它，可要求FLOTRAN將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存在重啟動文件 Jobname.CFD中，F(xiàn)LOTRAN從ANSYS的數(shù)據(jù)庫中產(chǎn)生該文件。對 Jobname.CFD文件的讀和寫的方式如下：命令： FLDATA32,REST,RFIL,T菜單： Main MenuPreprocessorFLOTRAN Set UpRestart

34、 Options CFD Restart File可將RFIL狀態(tài)設(shè)置為ON或OFF，若設(shè)為ON ，則FLOTRAN開始執(zhí)行分析時將讀入重啟動文件，若文件不存在，將產(chǎn)生一個重啟動文件。ObjectivePage 44Intro-44 T2-4. FLOTRAN分析中產(chǎn)生的文件 如果在改變了邊界條件之后再進行重啟動分析，則必須覆蓋掉已存在的.CFD 文件，以使得ANSYS能用新的邊界條件進行重新分析，覆蓋.CFD文件的方式如下：命令： FLDATA32,REST, WFIL,T菜單： Main MenuPreprocessorFLOTRAN Set UpRestart Options CFD R

35、estart File這就使FLOTRAN在下一載荷步產(chǎn)生一個新的重啟動文件，并自動將RFIL狀態(tài)設(shè)置為關(guān)閉。當(dāng)新的重啟動文件產(chǎn)生之后，用FLDATA32,REST,RFIL,T命令使隨后的重啟動能使用新的重啟動文件。ObjectivePage 45Intro-45 T2-4. FLOTRAN分析中產(chǎn)生的文件 用戶可在結(jié)果文件 Jobname.RFL中任意一個解集的基礎(chǔ)上開始一個重啟動分析， 重啟動位置的設(shè)置可基于解集號(NSET)、迭代數(shù)(ITER)、載荷步/子步號(LSTP)或瞬 態(tài)分析的時間(TIME)，方式如下：命令： FLDATA32,REST,lable,value 其中，labl

36、e為上面的NSET、ITER、LSTP、TIME等菜單：Main MenuPreprocessorFLOTRAN Set UpRestart OptionsRestart/Iteratio（或Restart/Load step, Restart/Set, 等）當(dāng) 重 啟 動 一 個 分 析 時 ， A N S Y S 將 原 始 的 結(jié) 果 文 件 拷 貝 到Jobname.RSO中并將重啟動點、所有在重啟動點之前的結(jié)果集、所 有 的 后 續(xù) 結(jié) 果 集 放 在 新 的 結(jié) 果 文 件 中 。 如 果 在 FLDATA32,REST命令中的value值是一個負值，則將不產(chǎn)生Jobname.RS

37、O文件，而 重啟動的點將由value的絕對值來指定。ObjectivePage 46Intro-46 T2-5.提高收斂和穩(wěn)定性的常用工具 ANSYS程序提供幾個有助于收斂和求解穩(wěn)定的工具，理論手冊對其機理有詳述。n 松弛系數(shù)n 慣性松弛n 人工粘性n 速度限值n 面積積分階次 ObjectivePage 47Intro-47 T2-5.提高收斂和穩(wěn)定性的常用工具 松弛系數(shù)是一個其值介于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 MenuPreproces

38、sorFLOTRAN SetUp Relax/Stab/Cap DOF RelaxationMain MenuPreprocessorFLOTRAN SetUp Relax/Stab/Cap Prop Relaxation Main MenuSolutionFLOTRAN SetUp Relax/Stab/Cap DOF Relaxation Main MenuSolutionFLOTRAN 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。ObjectivePage 48Intro-48 T2-5.提高收斂和穩(wěn)定性的常用工具

39、 對某個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)一個解在收斂過程中沒有發(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，其方式如下：命令：FLDATA26,STAB,lable,value菜單：Main MenuPreprocessorFLOTRAN SetUp Relax/Stab/Cap Stability ParmsMain MenuSolutionFLOTRAN SetUp

40、 Relax/Stab/Cap Stability Parms慣性松弛系數(shù)是以所加項的分母的形式出現(xiàn)的，故其值越小，所起作用越大，其典型值介于1.0（作用中等）到1.0107（作用很大）之間。ObjectivePage 49Intro-49 T2-5.提高收斂和穩(wěn)定性的常用工具 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 MenuPreprocessorFLO

41、TRAN SetUp Relax/Stab/Cap Stability ParmsMain MenuSolutionFLOTRAN SetUp Relax/Stab/Cap Stability ParmsObjectivePage 50Intro-50 T2-5.提高收斂和穩(wěn)定性的常用工具 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行限制（VX、VY、VZ、PRES、TEMP），方式如下：命令：FLDATA31,CAPP菜單：Main MenuPreprocessorFLOTRAN SetUp Relax/Stab/Cap Results CappingMain M

42、enuSolutionFLOTRAN SetUp Relax/Stab/Cap Results Capping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大到產(chǎn)生負的靜溫。當(dāng)對壓力進行限值時，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，壓力值仍有可能超出限值。注意：當(dāng)有速度限值時，質(zhì)量有可能不守恒。ObjectivePage 51Intro-51 T2-5.提高收斂和穩(wěn)定性的常用工具 面積積分階次（Quadrature Order）缺省的用于計算單元面積積分的階次是單

43、點積分，用戶可對其進行控制。對于軸對稱問題，求解時，該值自動設(shè)為2，因為當(dāng)面積積分階次為2時，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、熱或紊流項的面積積分階次：命令：FLDATA30,QUAD,lable,value其中，lable為要改變的單元積分，value為積分點的數(shù)目。菜單：Main MenuPreprocessorFLOTRAN SetUp Mod Res/Quad Ord CFD Quad OrdersMain MenuSolutionFLOTRAN SetUpMod Res/Quad Ord CFD Quad OrdersObjectivePage

44、 52Intro-52 T2-6. FLOTRAN分析過程中應(yīng)處理的問題 ANSYS程序的FLOTRAN分析過程中應(yīng)處理的問題主要有以下幾個選項，理論手冊對其機理有詳述。n 確定總體迭代的數(shù)目 n 收斂監(jiān)測 n 中斷一個FLOTRAN分析 ObjectivePage 53Intro-53 T2-6. FLOTRAN分析過程中應(yīng)處理的問題 FLOTRAN分析是一個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。一次總體迭代就是對所有相關(guān)的控制方程按序列進行求解，并且在求解過程中流體性質(zhì)會隨時更新。在瞬態(tài)分析中，時間步循包含了總體迭代循環(huán)。在一個總體迭代中，程序首先獲得動量方程的

45、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⒙蕘碛嬎阌行д承院蜔醾鲗?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：FLDATA2,ITER,EXEC,value（value即為迭代數(shù)）菜單：Main MenuPreprocessorFLOTRAN SetUp Execution Ctrl Main Menu

46、SolutionFLOTRAN SetUpExecution CtrlObjectivePage 54Intro-54 T2-6. FLOTRAN分析過程中應(yīng)處理的問題 在FLOTRAN求解過程中，程序在每一個總體迭代里對每一個自由度計算出一個收斂監(jiān)測量，這些自由度包括：速度(VX、VY、VZ)、壓力(PRES)、溫度（TEMP)、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：ObjectivePage 55Intro-55 T2-6. F

47、LOTRAN分析過程中應(yīng)處理的問題 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)點上進行的，并且使用的是差值的絕對值。在批處理或交互式運行過程中，當(dāng)求解進行時, 程序的“圖形求解跟蹤（GST）” 功能將實時顯示出所計算的收斂監(jiān)測量，GST的缺省值在交互運行時是開（ON）, 而 在批處理運行時是關(guān)（OFF）。用戶可用下面的方式定義其開關(guān)：命令：/GST菜單：Main MenuSolutionOutput CtrlsGrph Solu Track圖21是兩個典型的GST圖形。圖21(b)是一個FLOTRAN的瞬

48、態(tài)分析過程，圖中的每一個尖峰表示了一個新時間步的開始。ObjectivePage 56Intro-56 T2-6. FLOTRAN分析過程中應(yīng)處理的問題 Objective由由GST顯顯示的收斂示的收斂監(jiān)測量監(jiān)測量 （a）穩(wěn)態(tài)）穩(wěn)態(tài)求解求解 Page 57Intro-57 T2-6. FLOTRAN分析過程中應(yīng)處理的問題 Objective由由GST顯顯示的收斂示的收斂監(jiān)測量監(jiān)測量 （a）瞬態(tài)）瞬態(tài)求解求解 Page 58Intro-58 T2-6. FLOTRAN分析過程中應(yīng)處理的問題 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

49、個因素，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，還應(yīng)注意： 不單是FLOTRAN分析有GST功能，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GST功能。詳見各自的分析指導(dǎo)手冊。 GST可同時顯示多達10條的跟蹤曲線，如果用戶的模型有多于10個的自由度, 則GST將只顯示前10個自由度的收斂跟蹤曲線。 當(dāng)GST開始顯示時，程序會彈出一個帶STOP按鈕的對話框，用戶可在任意時刻通過點取該STOP按鈕來中斷求解過程，而后要進行重啟動分 析 時 ， 可 通 過 執(zhí) 行 命 令

50、 S O L V E 或 其 相 應(yīng) 的 菜 單 M a i n MenuSolutionRun Flotran來實現(xiàn)。ObjectivePage 59Intro-59 T2-6. FLOTRAN分析過程中應(yīng)處理的問題 用戶可以定義一個基于壓力和溫度收斂監(jiān)測量的目標值來中斷一個FLOTRAN分析，定義方式如下：命令：FLDATA3,TERM,PRES,valueFLDATA3,TERM,TEMP,value菜單：Main MenuPreprocessorFLOTRAN SetUp Execution CtrlMain MenuSolutionFLOTRAN SetUpExecution Ctr

51、l壓力和溫度的收斂缺省值都是1.010-8，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。若同時激活了流體和溫度方程的求解，則二者的收斂標準都必須同時滿足。在滿足了壓力和溫度的收斂條件或總體平衡迭代數(shù)達到了所要求的值后，F(xiàn)LOTRAN求解過程就自動中斷。要中斷一個FLOTRAN分析，需在當(dāng)前工作目錄下生成一個Jobname.ABT文件 ，該文件的第一行應(yīng)含有terminate字樣。在每一次總體迭代之前，F(xiàn)LOTRAN都會在當(dāng)前目錄下搜尋Jobname.ABT文件，如果程序找到該文件并發(fā)現(xiàn)含有terminate,則立即完成該次總體迭代并正常中斷程序的執(zhí)行，且將結(jié)果寫入結(jié)果文件

52、。ObjectivePage 60Intro-60 T2-7.對一個FLOTRAN分析進行評價分析員必須回答的兩個問題是：n 1. 所作的分析是何時結(jié)束的？n 2. 所作的分析是否是正確的？這兩個問題是相互關(guān)聯(lián)的，因為，如果沒有正確地設(shè)置和正確地分析一個流體問題，它一般都是不會收斂的。如果所輸入的初始參數(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，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，因為自然界本身并不保證存在唯一解。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)都不能得到一個穩(wěn)定的解

53、。要驗證一個分析是穩(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現(xiàn)。ObjectivePage 612001年10月1日Intro-61 T2-7.對一個FLOTRAN分析進行評價A N S Y S 將 求 解 變 量 的 平 均 、 最 小 、 最 大 值 保 存 在 文 件Jobname.RFL中，該文件同時還保存了FLOTRAN的輸入數(shù)據(jù)和計算出的收斂監(jiān)測量、所有自由度的結(jié)果總結(jié)、層流特性和有效特性。可用下面的方式來規(guī)定ANSYS進行結(jié)果總結(jié)的頻率：命令：FLDATA5,OUTP,SUMF,value菜 單 ： M a i n M e n u P r e p r o c e s s

54、 o r F L O T R A N SetUpAdditional Out RFL Out DerivedMain MenuSolutionFLOTRAN SetUpAdditional Out RFL Out DerivedObjectivePage 622001年10月1日ANSYS培訓(xùn)教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)Intro-62 T2-7.驗證結(jié)果 驗證求解結(jié)果的可靠性是所有分析人員的責(zé)任，如果一個FLOTRAN分析得到了非預(yù)期的結(jié)果，則應(yīng)進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分析前完成。即使只進行了零次迭代，A

55、NSYS也會生成一個Jobname.RFL文件并檢查所有的輸入數(shù)據(jù)。1. 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會將進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)。ObjectivePage 632001年10月1日ANSYS培訓(xùn)教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)Intro-63 T2-7.驗證結(jié)果 2. 在ANSYS里檢查邊界條件，以保證其正確性

56、。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.RFL文件中方便地檢查。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，還需確認與所選選項相聯(lián)系的方程的求解是否正確（例如：可壓縮流 中的壓力方程）。ObjectivePage 642001年10月1日ANSYS培訓(xùn)教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)Intro-64 T2-7.驗證結(jié)果 6. 如果求解發(fā)散，可能的原因還有：有限元網(wǎng)格不夠精細、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

57、各種松弛技術(shù)。7. 如果僅僅只有某個特定的量產(chǎn)生發(fā)散，則可將該量重新初始化到一個單值， 并作重啟動分析，方式如下： 命令：FLDATA29,MODV 菜單：Main MenuPreprocessorFLOTRAN SetUp Mod Res/Quad Ord Modify Results Main MenuSolutionFLOTRAN SetUp Mod Res/Quad Ord Modify ResultsObjectivePage 652001年10月1日ANSYS培訓(xùn)教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)Intro-65Page 66200

58、1年10月1日ANSYS培訓(xùn)教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)Intro-66本章學(xué)習(xí)，我們簡單介紹FLOTRAN分析的邊界條件知識，以助于大家對以后的FLOTRAN分析有所了解。ModuleObjective第第一一講講、邊界條件的類型、邊界條件的類型 第第二二講講、進口、進口/出口邊界條件出口邊界條件 第第三三講講、對稱邊界條件、對稱邊界條件 第第四四講講、固定壁面、固定壁面 第第五五講講、移動壁面、移動壁面 第第六六講講、內(nèi)流、內(nèi)流 第第七七講講、外流、外流 第第八八講講、周期邊界、周期邊界 第第九九講講、熱邊界條件、熱邊界條件 第第十十

59、講講、邊界條件總結(jié)、邊界條件總結(jié) 第第十一十一講講、邊界條件的菜單形式、邊界條件的菜單形式 LessonObjectives Page 672001年10月1日ANSYS培訓(xùn)教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)Intro-67 進口邊界/出口邊界對稱條件固定壁面和移動壁面周期邊界恒定溫度熱流體積熱源傳熱系數(shù)輻射ObjectivePage 682001年10月1日ANSYS培訓(xùn)教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)Intro-68可以指定分析區(qū)域的進口和出口速度 恒值速度用宏定義的非恒值速度可以沿邊界指

60、定壓力條件流體或進或出局部壓力邊界條件通常來自于顯著的幾何變化湍流邊界條件指定所需選項若無定義，F(xiàn)LOTRAN將使用缺省值ObjectivePage 692001年10月1日ANSYS培訓(xùn)教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)Intro-69表示對稱面或軸對稱的中心軸假定流場特性為對稱對稱邊界法向上的速度分量為零防止通過邊界的質(zhì)量或熱傳輸對稱邊界必須以總體坐標軸來進行指定ObjectivePage 702001年10月1日ANSYS培訓(xùn)教程 版本 5.5 XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)Intro-70施加無滑移邊界