FLUENT基本概念与常见问题汇总（三）

2017-01-11 by:CAE仿真在线来源:互联网

23、单、双精度解算器

Fluent的单双精度求解器适合于所有的计算平台,在大多数情况下,单精度求解器就能很好地满足计算精度要求,且计算量小。但在有些情况下推荐使用双精度求解器:

1)如果几何体包含完全不同的尺度特征(如一个长而壁薄的管),用双精度的;

2)如果模型中存在通过小直径管道相连的多个封闭区域,不同区域之间存在很大的压差,用双精度;

3)对于有较高的热传导率的问题或对于有较大的长宽比的网格,用双精度。

24、离散格式的选择

控制方程的扩散项一般采用中心差分格式离散,而对流项则可釆用多种不同的格式进行离散。Fluent允许用户为对流项选择不同的离散格式(注意:粘性项总是自动地使用二阶精度的离散格式)。默认情况下,当使用分离式求解器时,所有方程中的对流项均用一阶迎风格式离散;当使用耦合式求解器时,流动方程使用二阶精度格式,其他方程使用一阶精度格式进行离散。此外,当选择分离式求解器时,用户还可为压力选择插值方式。

当流动与网格对齐时,如使用四边形或六面体网格模拟层流流动,使用一阶精度离散格式是可以接受的,但当流动斜穿网格线时,一阶精度格式将产生明显的离散误差(数值扩散)。因此,对于2D三角形及3D四面体网格,注意使用二阶精度格式,特别是对复杂流动更是如此。一般来讲,在一阶精度格式下容易收敛,但精度较差。有时,为了加快计算速度,可先在一阶精度格式下计算,然后再转到二阶精度格式下计算。如果使用二阶精度格式遇到难于收敛的情况,则可考虑改换一阶精度格式。

对于转动及有旋流的计算,在使用四边形及六面体网格式,具有三阶精度的QUICK格式可能产生比二阶精度更好的结果。但是,一般情况下,用二阶精度就已足够,即使使用QUICK格式,结果也不一定好。乘方格式(Power-law Scheme)一般产生与一阶精度格式相同精度的结果。中心差分格式一般只用于大涡模拟,而且要求网格很细的情况。

25、在UDF编译中,compiled(编译型)与interpreted(解释型)的不同

(1)compiled采用与Fluent本身执行命令相同的方式构建的。釆用一个称为Makefile的脚本来引导C编译器构造一个当地目标编码库(目标编码库包含有将高级C语言源代码转换为机器语言),这个共享库在运行时通过“动态加载”过程载入到中。目标库特指那些使用的计算机体系结构,和运行的特殊Fluent版本。因此,Fluent版本升级,计算机操作系统改变以及在另一台不同类型的计算机上运行时,这个库必须进行重构。

编译型UDF通过用户界面将原代码进行编译,分为两个过程。这两个过程是:访问编译UDF面板,从源文件第一次构建共享库的目标文件屮,然后加载共享库到Fluent中。

(2)interpreted同样也是通过图形用户界面解释原代码,却只有单一过程。这一过程伴随着运行, 包含对解释型UDF面板的访问,这一面板位于源文件中的解释函数。

在Fluent内部,源代码通过C编译器被编译为即时的、体系结构独立的机器语言。UDF调用时,机器编码通过内部模拟器或者解释器执行。额外层次的代码导致操作不利,但是允许解释型UDF在不同计算结构,操作系统和Fluent版本上很容易实现共享。如果迭代速度成为焦点时,解释型UDF可以不用修改就用编译编码直接运行。

解释型UDF使用的解释器不需要有标准的C编译器的所有功能。特别是解释型UDF不含有下列C程序语言部分:

goto语句声明;
无ANSI-C语法原形;
没有直接数据结构引用;
局部结构的声明;
联合函数指针;
函数阵列。

26、关于wall-shadow

当定义了属性不同的两个计算域(例如A和B区域),两个区域形成共同的交界面。其中A计算域的面取以前的名称,而B计算域的面则取该名称.shadow的名字。在边界条件中将该表面定义为intreior,则可以将该两区域结合成相连的计算域。

shadow面通常在两种情况下出现:

(1)当一个wall两面都是流体域时,那么wall的一面被定义为wall.1,wall的另一面就会被软件自动定义为wall.1_shadow,它的特性和wall是一样的,有关它的处理和wall面没有什么区别;

(2)另外一种愔况就是在软件中把周期性面的周期特性除去时,也会出现一个shadow面,这种情况比较好理解,shadow面和原来的面分别构成周期性的两个面。

shadow也出现在wall的一面是流体,而另一面是固体的情况。此时可以进行流体-同体的耦合计算。

27、残差

残差一是cell各个Face的通量之和,当收敛后,理论上当单元体内没有源相时各个面流入的通量也就是对物理量的输运之和应该为0。最大残差或者RSM残差反映流场与所要模拟流场(指收敛后应该得到的流场,当然收敛后得到的流场与真实流场之间还是存在一定的差距)的差距,残差越小越好,由于存在数位精度问题,不可能得到0残差,对于单精度计算一般应该低于初始残差1e-03以下为好,但还要看具体问题。

一般在Fluent里可以添加进出口流量监控,当残差收敛到一定程度后,还要看进出口流量是否达到稳定平衡,才可以确认收敛与否。

残差在较高位震荡,需要检查边界条件是否合理,其次检査初始条件是否合适,比如在有激波的流场,初始条件不合适,会带来流场的震荡。有时流场可能有分离或者回流,这本身是非定常现象,计算时残差会在一定程度上发生震荡,这时如果进出口流量是否达到稳定平衡,也可以认为流场收敛了〔前提是要消除其他不合理因数)。另外Fluent缺损地釆用多重网格,在计算后期,将多重网格设置为零可以避免一些波长的残差在细网格上发生震荡。

28、假扩散(false diffusion)

假扩散是由于对流—扩散方程中一阶导数项的离散格式的截断误差小于二阶而引起较大数值计算误差的现象。有的文献中将人工粘性(artificial viscosity)或数值粘性〔numerical viscosity)视为它的同义词。

现在通常把以下三种原因引起的数值计算误差都归为假扩散:

(1)非稳态项或对流项釆用一阶截差的格式;

(2)流动方向与网格线呈倾斜交叉(多维问题);

(3)建立差分格式时没有考虑到非常数的源项的影响。

为克服或减轻数值计算中的假扩散(包括流向扩散及交叉扩散)误差,应当:

(1)釆用截差阶数较高的格式;

(2)减轻流线与网格线之间的倾斜交叉现象或在构造格式时考虑到来流方向的影响。

(3)至于非常数源项的问题,目前文献中,还没有为克服这种影响而专门构造的格式,但是高阶格式显然对减轻其影响是有利的。

29、湍流模型

Fluent里常用的湍流模型包括:

Spart-Alpla单方程模型
k-e双方程模型
雷诺应力模型
大涡模拟模型

单方程模型在这儿种模型的中的计算量最小,它是一种刚刚发展起来的湍流模型, 主要针对于航空流体机械的数值模拟,对于其他复杂流动的计算还没有经过验证。双方程湍流模型能够比较准确地模拟各种复杂流动,而且计算量也在工程可以接受的范围内;标准k-e模型解决一般的流动问题,RNG k-e模型主要成用于旋转坐标系下的流动问题(旋转机械),Realizable k-e模型主要用于射流、大分离、回流等问题。雷诺应力模型和大涡模拟模型主要用于湍流运动的机理研究中,由于计算量非常大,因此目前还很少用于有复杂几何形状的工程问题中,在计算气动噪声时,一般要选用大涡模拟模型。

30、常用流动入口和出口边界类型

(1)速度入口边界条件:定义进口边界的速度和标量性质。

(2)压力入口边界条件:定义进口边界的总压和其他的标量值。

(3)质量流动入口边界条件:用于在可压缩流中表示进口的质量流量。在不可压流中不需要,因为密度一定时,速度边界就确定了该值。

(4)压力出口边界条件用于表示流动出口处的静压和其他标量(当存在回流时),此时用它代替流出物边界条件能够提高迭代的收敛性。

(5)压力远场边界条件:用于模拟一个具有自由流线的可压缩流动在无穷远处的指定了马赫数和静力条件的情况。

(6)流出物边界条件用于模拟流动出口处的速度和压力边界条件都不知道时的情况。这种情况在出口处的流动接近完全发展的流动状态是比较合适,该条件假设在出口的法向方向除了压力外其他的流动变量的梯度都是0。不适用于压缩流的计算。

(7)进口泄口的边界条件用于模拟在进口处有指定的流动损失系数,流动方向,周围总压和温度的有泄口的进口条件。

(8)进气风扇边界条件:用于模拟一个外部的进气风扇,有指定的压力上升,流动方向和周围的总压和温度。

(9)出口泄口边界条件:出口处的泄口边界条件,但是要求指定静压和温度。

(10)排气风扇边界条件:出口处的风扇边界,要求指定静压。

31、Fluent_软件专业英语词汇表