FLUENT基本概念與常見問題匯總（一）

2016-09-05 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1、理想流體和粘性流體

流體在靜止時雖不能承受切應(yīng)力,但在運動時,對相鄰的兩層流體間的相對運動,即相對滑動速度卻是有抵抗的,這種抵抗力稱為粘性應(yīng)力。流體所具備的這種抵抗兩層流體相對滑動速度,或普遍說來抵抗變形的性質(zhì)稱為粘性。粘性的大小依賴于流體的性質(zhì),并顯著地隨溫度變化。實驗表明,粘性應(yīng)力的大小與粘性及相對速度成正比。當流體的粘性較小(實際上最重要的流體如空氣、水等的粘性都是很小的),運動的相對速度也不大時,所產(chǎn)生的粘性應(yīng)力比起其他類型的力如慣性力可忽咯小計。此時我們可以近似地把流體看成無粘性的, 這樣的流體稱為理想流體。十分明顯,埋想流體對于切向變形沒有任何抗拒能力。這樣對于粘性而言,我們可以將流體分為理想流體和粘性流體兩大類。應(yīng)該強調(diào)指出,真正的理想流體在客觀實際中是不存在的,它只是實際流體在某些條件下的一種近似模型。

2、牛頓流體和非牛頓流體

日常生活和工程實踐中最常遇到的流體其切應(yīng)力與剪切變形速率符合線性關(guān)系, 稱為牛頓流體。而切應(yīng)力與變形速率不成線性關(guān)系者稱為非牛頓流體。非牛頓流體中又因其切應(yīng)力與變形速率關(guān)系特點分為膨脹性流體,擬塑性流體,具有屈服應(yīng)力的理想賓厄流體和塑性流體等。通常油脂、油漆、牛奶、牙音、血液、泥漿等均為非牛頓流體。非牛頓流體的研究在化纖、塑料、石油、化工、食品及很多輕工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。對于有些非牛頓流體,其粘滯特性具有時間效應(yīng),即剪切應(yīng)力不僅與變形速率有關(guān)而且與作用時間有關(guān)。當變形速率保持常量,切應(yīng)力隨時間增大,這種非牛頓流體稱為震凝性流體。當變形速率保持常量而切應(yīng)力隨時間減小的非牛頓流體則稱為觸變性流體。

3、可壓縮流體和不可壓縮流體

在流體的運動過程中,由于壓力、溫度等因素的改變,流體質(zhì)點的體積(或密度,因質(zhì)點的質(zhì)量一定),或多或少有所改變。流體質(zhì)點的體積或密度在受到一定壓力差或溫度差的條件下可以改變的這個性質(zhì)稱為壓縮性。真實流體都是可以壓縮的。它的壓縮程度依賴于流體的性質(zhì)及外界的條件。例如水在100個大氣壓下,容積縮小0.5%,溫度從20℃變化到100℃,容積降低4%。因此在一股情況下液體可以近似地看成不可壓的。但是在某些特姝問題屮,例如水中爆炸或水擊等問題,則必須把液體看作是可壓縮的。氣體的壓縮性比液體大得多,所以在一般情形下應(yīng)該當作可壓縮流體處理。但是如果壓力差較小,運動速度較小,并且沒有很大的溫度差,則實際上氣體所產(chǎn)生的體積變化也不大。此時,也可以近似地將氣體視為不可積縮的。

在可壓縮流體的連續(xù)方程中含密度,因而可把密度視為連續(xù)方程中的獨立變量進行求解, 再根據(jù)氣體的狀態(tài)方程求出壓力。不可壓流體的壓力場是通過連續(xù)方程間接規(guī)定的。由干沒有直接求解壓力的方程,不可壓流體的流動方程的求解具有其特殊的困難。

4、層流和湍流

實驗表明,粘性流體運動有兩種形態(tài),即層流和湍流。這兩種形態(tài)的性質(zhì)截然不同。層流的流體運動規(guī)則,各部分分層流動互不摻混,質(zhì)點的軌線是光滑的,而且流動穩(wěn)定。湍流的特征則完全相反,流體運動極不規(guī)則,各部分激烈摻混,質(zhì)點的軌線雜亂無章,而且流場極不穩(wěn)定。這兩種截然不同的運動形態(tài)在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。

5、定常流動和非定常流動

以時間為標準,根據(jù)流體流動的物理量(如速度、壓力、溫度等)是否隨時間變化,將流動分為定常與非定常兩大類。當流動的物理量不隨時間變化,為定常流動;反之稱為非定常流動。定常流動也稱為恒定流動,或者穩(wěn)態(tài)流動:非定常流動也稱為非恒定流動、非穩(wěn)態(tài)流動。許多流體機械在起動或關(guān)機時的流體流動一般是非定常流動,而正常運轉(zhuǎn)時可看作是定常流動。

6、亞音速流動與超音速流動

當氣流速度很大或者流場壓力變化很大時,流體就受到了壓速性的影響。馬赫數(shù)定義為當?shù)厮俣扰c當?shù)匾羲僦取．旕R赫數(shù)小于1時,流動為亞音速流動;當馬赫數(shù)遠遠小于1 (如M<0.1)時,流體的可壓速性及壓力脈動對密度變化影響都可以忽略。當馬赫數(shù)接近1時候(跨音速),可壓速性影響就顯得十分重要了。如果馬赫數(shù)大于1,流體就變?yōu)槌羲倭鲃印?

7、熱傳導及擴散

除了粘性外,流體還有熱傳導及擴散等性質(zhì)。當流體中存在溫度差時,溫度高的地方將向溫度低的地方傳送熱量,這種現(xiàn)象稱為熱傳導。同樣地,當流體混合物中存在組元的濃度差時,濃度高的地方將向濃度低的地方輸送該組元的物質(zhì),這種現(xiàn)象稱為擴散。

流體的宏觀性質(zhì),如擴散、粘性和熱傳導等,是分子輸運性質(zhì)的統(tǒng)計平均。由于分子的不規(guī)則運動,在各層流體間交換著質(zhì)量、動量和能量,使不同流體層內(nèi)的平均物理量均勻化, 這種性質(zhì)稱為分于運動的輸運性質(zhì)。質(zhì)量輸運宏觀上表現(xiàn)為擴散現(xiàn)象,動量輸運表現(xiàn)為粘性現(xiàn)象,能量輸運表象為熱傳導現(xiàn)象。

理想流體忽略了粘性,即忽略了分子運動的動量輸運性質(zhì),因此在理想流體中也不應(yīng)考慮質(zhì)量和能量輸運性質(zhì)——擴散和熱傳導,因為它們具有相同的微觀機制。

8、數(shù)值離散

我們知道描述流體流動及傳熱等物理問題的基本方程為偏微分方程,想要得它們的解析解或者近似解析解,在絕大多數(shù)情況下都是非常困難的,甚至是不可能的。CFD的基本思想就是把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場,如速度場,壓力場等,用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替,通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組,然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近值。這個將連續(xù)的偏微分方程組及其定解條件按照某種方法遵循特定的規(guī)則在計算區(qū)域的離散網(wǎng)格上轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組的過程就是數(shù)值離散;離散點就是我們在計算前要進行的網(wǎng)格劃分;定解條件就是我們在軟件中需要設(shè)置的邊界條件和初始條件。

控制方程的離散方法主要包括:有限差分法,有限元法,有限體積法,邊界元法,譜方法等等。有限差分法,有限元法及有限體積法是最常用的三種方法,且有限體積法是商用CFD軟件普通采用的方法,Fluent就是使用的這種方法。有限元法與有限體積法不同之處在于,有限元法是將物理量存儲在真實的網(wǎng)格節(jié)點上,將單元看成由周邊節(jié)點及型函數(shù)構(gòu)成的統(tǒng)一體;有限體積法則是將物理量存儲在網(wǎng)格單元的中心點上,而將單元看成圍繞中心點的控制體積,或者在真實網(wǎng)格節(jié)點上定義和存儲物理量,而在節(jié)點周圍構(gòu)造控制體。

9、邊界條件和初始條件

邊界條件與初始條件是控制方程有確定解的前提。

邊界條件是在求解區(qū)域的邊界上所求解的變量或其導數(shù)隨時間和地點的變化規(guī)律。對于任何問題,都需要給定邊界條件。

初始條件是所研究對象在過程開始時刻各個求解變量的空間分布情況,對于瞬態(tài)問題,必須給定初始條件,對于穩(wěn)態(tài)問題初始條件理論上不會影響計算的精度和準確性,但會影響計算收斂的速度。

在瞬態(tài)問題中,給定初始條件時要注意的是:要針對所有計算變量,給定整個計算域內(nèi)各單元的初始條件;初始條件一定是物理上合理的,要靠經(jīng)驗或?qū)崪y結(jié)果獲得。

10、網(wǎng)格數(shù)量與網(wǎng)格無關(guān)性

數(shù)值計算值與實驗值之間的誤差來源只要有這幾個:物埋模型近似誤差(無粘或有粘,定常與非定常,二維或三維等等〕,差分方程的截斷誤差及求解區(qū)域的離散誤差(這兩種誤差通常統(tǒng)稱為離散誤差),迭代誤差(離散后的代數(shù)方程組的求解方法以及迭代次數(shù)所產(chǎn)生的誤差),舍入誤差(計算機只能用有限位存儲計算物理量所產(chǎn)生的誤差)等等。在通常的計算中,離散誤差隨網(wǎng)格變細而減小,但由于網(wǎng)格變細時,離散點數(shù)增多,舍入誤差也隨之加大。由此可見,網(wǎng)格數(shù)量并不是越多越好的。

由上面的介紹,網(wǎng)格數(shù)太密或者太疏都可能產(chǎn)生誤差過大的計算結(jié)果,網(wǎng)格數(shù)在一定的范圍內(nèi)的結(jié)果才與實驗值比較接近,這樣在劃分網(wǎng)格時就要求我們首先依據(jù)已有的經(jīng)驗大致劃分一個網(wǎng)格進行計算,將計算結(jié)果與實驗值進行比較(如果沒有實驗值,則不需要比較,后面的比較與此類型相同),再酌情加密或減少網(wǎng)格,再進行計算,再與實驗值進行比較,并與前一次計算結(jié)果比較,如果兩次的計算結(jié)果相差較小(例如在2%),說明這一范圍的網(wǎng)格的計算結(jié)果是可信的,即計算結(jié)果是網(wǎng)格無關(guān)的。再加密網(wǎng)格已經(jīng)沒有什么意義(除非你要求的計算精度較高)。但是,如果你用粗網(wǎng)格也能得到相差很小的計算結(jié)果,從計算效率上講,就可以完全使用粗網(wǎng)格去完成你的計算。加密或者減少網(wǎng)格數(shù)量,可以以一倍的量級進行。

11、網(wǎng)格質(zhì)量判定

判斷網(wǎng)格質(zhì)量的主要因素有(以Gambit軟件為例):

Aspect Ratio長寬比,不同的網(wǎng)格單元有不同的計算方法,等于1是最好的單元,如正三角形, 正四邊形,正四面體,正六面體等,一般情況下不要超過5:1。
Diagonal Ratio對角線之比,僅適用于四邊形和六面體單元,默認是大于或等于1的,該值越高,說明單元越不規(guī)則,最好等于1,也就是正四邊形或正六面體。
Edge Ratio長邊與最短邊長度之比,大于或等于1,最好等于1,解釋同上。
EquiAngle Skew通過單元夾角計算的歪斜度,在0到1之間,0為質(zhì)量最好,1為質(zhì)量最差,最好是要控制在0到0.4之間。
EquiSize Skew通過單元大小計算的歪斜度,在0到1之間,0為質(zhì)量最好,1為質(zhì)量最差。2D質(zhì)量好的單元該值最好在0.1以內(nèi),3D單元在0.4以內(nèi)。
MidAngle Skew通過單元邊中點連線夾角計算的歪斜度,僅適用于四邊形和六面體單元,在0到1之間,0為質(zhì)量最好,1為質(zhì)量最差。
Size Change相鄰單元大小之比,僅適用于3D單元,最好控制在2以內(nèi)。
Stretch伸展度。通過單元的對角線長度與邊長計算出來的,僅適用于四邊形和六面體單元,在0到1之間,0為質(zhì)景最好,1為質(zhì)量最差。
Taper錐度。僅適用于四邊形和六面體單元,在0到1之間,0為質(zhì)量最好,1為質(zhì)量最差。
Volume單元體積,僅適用于3D單元,劃分網(wǎng)格時應(yīng)避免出現(xiàn)負體積。
Warpage翹曲。僅適用于四邊形和六面體單元,在0到1之間,0為質(zhì)量最好,1為質(zhì)量最差。

12、計算收斂判定

判斷計算結(jié)果是否收斂一般要滿足以下條件:

設(shè)置觀察點,觀察點處的變量值不再隨計算步驟的增加而變化;
各個參數(shù)的殘差隨計算步數(shù)的増加而降低,最后趨于平緩;
滿足質(zhì)量守恒(計算中不涉及能量)或者是質(zhì)量與能量守恒(計算中牽涉及能量)。

特別要指出的是,即使前兩個判據(jù)都已經(jīng)滿足了,也并不表示已經(jīng)得到合理的收斂解了,因為如果松弛因于設(shè)置得太緊,各參數(shù)在每步計算的變化都不是太大,也會使前兩個判據(jù)得到滿足,此時就要再看笫三個判據(jù)了。

還需要說明的就是,一般我們都希望在收斂的情況下,殘差越小越好,但是殘差曲線是全場求平均的結(jié)果,有時其大小并不一定代表計算結(jié)果的好壞,有時即使計算的殘差很大,但結(jié)果也許是好的,關(guān)鍵是要看計箅結(jié)果是否符合物理事實,即殘差的大小與模擬的物理現(xiàn)象本身的復雜性有關(guān),必須從實際物理現(xiàn)象上看計箅結(jié)果。比如說一個全機模型,在大攻角情況下, 解震蕩得非常厲害,而且殘差的量級也總下不去,但這仍然是正確的,因為大攻角下實際流動情形就是這樣的,不斷有渦的周期性脫落,流場本身就是非定常的,所以解也是波動的,處理的時候取平均就可以了。

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