FLUENT基本概念与常见问题汇总（二）

2016-12-09 by:CAE仿真在线来源:互联网

13、松弛因子

由于流体力学中要求解非线性的方程,在求解过程中,控制变量的变化是很必要的,这就通过松弛因子来实现的。它控制变量在每次迭代中的变化。也就是说,变量的新值为原值加上变化量乘以松弛因子。

所谓亚松弛就是将本层次计算结果与上一层次结果的差值作适当缩减,以避免由于差值过大而引起非线性迭代过程的发散。用通用变量来写出时,为松弛因子。

由于FLUENT所解方程组的非线性,我们有必要控制变量的变化。一般用亚松弛方法来实现控制,该方法在每一步迭代中减少了变量的变化量。亚松弛最简单的形式为单元内变量等于原来的值加上亚松弛因子与变化量的积,分离解算器使用亚松弛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解算器解的方程,包括耦合解算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弛因子。

在FLUENT中,所有变量的默认亚松弛因子都是对大多数问题的最优值,一般不需要修改。但是对于一些特殊问题的计算,如果出现不稳定或者发散就需要减小默认的亚松弛因子,其中压力、动量、k和e的亚松弛因子默认值分别为0.3,0.7,0.8和0.8。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(所用的亚松弛因于小于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,可以将松弛因子设为0.8以使得收敛更容易。

14、SIMPLE与SIMPLEC

在FLUENT中,可以使用标准SIMPLE算法和SIMPLEC(SIMPLE-Cinsistent)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,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,将压力校正松弛因于增加到1.0可能会导致不稳定。对于所有的过渡流动计算,强烈推荐使用PISO算法进行邻近校正,它允许你使用大的时间步,而且对于动量和压力部可以使用亚松驰因于1.0。对于定常状态问题,具有邻近校正的PISO并不会比具有较好的亚松驰因子的SIMPLE或SIMPLEC好。对于具有较大扭曲网格上的定常状态和过渡计算推荐使用PISO倾斜校正。当你使用PISO邻近校正时,对所有方程都推荐使用亚松驰因子为1.0或者接近1.0。如果你只对高度扭曲的网格使用朽PISO倾斜校正,请设定动量和压力的亚松驰因子之和为1.0。如果你同时使用PISO的两种校正方法,推荐参阅PISO邻近校正中所用的方法。

注:过渡流是流体的一种流动状态。当流速很小时,流体分层流动,互不混合,称为层流,或称为片流;逐渐增加流速,流体的流线开始出现波浪状的摆动,摆动的频率及振幅随流速的增加而增加,此种流况称为过渡流;当流速增加到很大时,流线不再清楚可辨,流场中有许多小漩涡,称为湍流,又称为乱流、扰流或紊流。

15、边界层

边界层又称附面层,表示流体中紧接着管壁或其他固定表面的部份。边界层是由黏滞力产生的效应,和雷诺数Re有关。一般提到的边界层是指速度的边界层。在边界层外,流体的速度接近定值,不随位置而变化。在边界层内,在固定表面上流速为0,距固定表面越远,速度会趋近一定值。边界层内从物面 (当地速度为零)开始,沿法线方向至速度与当地自由流速度U相等(严格地说是等于0.990或0.995U)的位置之间的距离,记为δ。

16、Y+

y+就是第一层网格质心到壁面的无量纲距离,与速度、粘度、剪应力等等都有关系。y+的值合理,意味着你的第一层边界网格布置比较合理,如果y+不合理,就要调整你的边界层网格。

y+普遍存在于湍流问题中,y+是由solver解出來的結果,网格划分时,底层网格一般布置到对数分布律成立的范围内,即11.5~30<=y+<=200~400。在计算开始时,y+并不知道,这些值需要在计算过程中加以调整。数值计算实践表明,y+对传热特性的影响比较大,往往存在一个合适的取值范围,在该范围内数值计算结果与实验数据的符合较好。算每个模型都要先大概算一下,然后得到y+,然后再算第一层高度,重新画网格。

17、turbulence viscous rate超过极限值

一般出现这个警告的主要原因是网格质量的问题,尤其是y+值的问题。在划分网格的时候要注意,第一层网格高度非常重要,可以使用NASA的Viscous Grid Space Calculator(http://geolab.larc.nasa.gov/APPS/YPlus/)来计算第一层网格髙度。如果这方面已经注意了,那就可能是边界条件中有关湍流的设置问题。

18、boussinesq假设

流体的密度跟压强和温度有关,在低速流动中,流体压强变化不大,主要是由于温度的变化引起密度变化,因此忽略压强变化引起的密度变化,只考虑温度变化引起的密度变化叫做Boussinesq假设。

boussinesq假设主要适用的实际工程情况包括:(1)空气的自然对流。这时,速度较低,动量产生的压力变化导致的密度变化(绝热)远小于温度变化引起的密度变化,或者是弱强制对流mach数大大小于1也是可以的;(2)不可压液体。这时,密度变化主要是由于温度变化,有限压力变化不太可能引起密度变化。

19、库郎数

Courant数实际上是指时间步长和空间步长的相对关系。在Fluent中,用Courant数来调节计算的稳定性和收敛性。一般来说,随着Courant数的从小到大的变化,收敛速度逐渐加快,但是稳定性逐渐降低。所以,在计算的过程中,最好是把Courant数从小开始设置,看看迭代残差的收敛情况,如果收敛速度较慢而且比较稳定的话,可以适当的增加Courant数的大小,根裾具体的问题,找出一个比较合适的Courant数,让收敛速度能够足够的快,而且能够保持它的稳定性。

20、边界出现reversed flow

这个问题的意思是出现了回流,这个问题相对于湍流粘性比的警告要宽松一些,有些case可能只在计算的开始阶段出现这个警告,随着不断的迭代计算,可能会消失,如果计算一段时间之后,警告消失了,那么对计算结果是没有什么影响的,如果这个警告一直存在,可能需要作以下处理:

1、如果是模拟外部绕流,出现这个警告的原因可能是边界条件取得距离物体不够远,如果是边界条件取的足够远,那么可能是该处在计算的过程中的确存在回流现象。对于可压缩流动,边界最好取在10倍的物体特征长度之处;对于不可压缩流动,边界最好取在4倍的物体特征长度之处。

2、如果出现了这个警告,无论对于外部绕流还是内部流动,可以使用压力出口边界条代替outflow边界条件改善这个问题。

21、几个压力的关系

在fluent中会出现这么几个压力:

Static pressure(静压)Dynamic pressure(动压)Total pressure(总压)

这几个压力是流体力学的概念,它们之间的关系为:

Total pressure(总压)= Static pressure(静压)+ Dynamic pressure(动压)

滞止压力等于总压(因为滞止压力就足速度为0时的压力,此时动压为0)

Static pressure(静压)就是测量的压力值,比如测量空气压力是一个大气压

而在fluent中,又定义了四个压力: