CAE知識講堂---淺談對FLUENT的認(rèn)識【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-03-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

僅僅就我接觸過得談?wù)剬luent的認(rèn)識,并說說哪些用戶適合用,哪些不適合fluent對我來說最麻煩的不在里面的設(shè)置,因?yàn)槲冶旧斫鉀Q的就是高速流動可壓縮N-S方程,而且本人也是學(xué)力學(xué)的,諸如邊界條件設(shè)置等概念還是非常清楚的同時(shí)我接觸的流場模擬,都不會有很特別的介質(zhì),所以設(shè)置起來很簡單。
對我來說,頗費(fèi)周折的是gambit做圖和生成網(wǎng)格,并不是我不會,而是gambit對作圖要求的條件很苛刻,也就是說,稍有不甚,就前功盡棄,當(dāng)然對于計(jì)算流場很簡單的用戶,這不是問題。有時(shí)候好幾天生成不了的圖形,突然就搞定了,逐漸我也總結(jié)了一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn),就是要注意一些小的拐角地方的圖形,有時(shí)候做布爾運(yùn)算在圖形吻合的地方,容易產(chǎn)生一些小的面最終將導(dǎo)致無法在此生成網(wǎng)格,fluent里面的計(jì)算方法是有限體積法,而且我覺得它在計(jì)算過程中為了加快收斂速度, 采取了交錯(cuò)網(wǎng)格,這樣,計(jì)算精度就不會很高。同時(shí)由于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,肯定會導(dǎo)致計(jì)算精度的下降,所以我一貫來認(rèn)為在fluent里面選取復(fù)雜的粘性模型和高精度的格式?jīng)]有任何意義,除非你的網(wǎng)格做的非常好。

而且fluent5.5以前的版本(包括5。5),其物理模型,(比如粘性流體的幾個(gè)模型)都是預(yù)先設(shè)定的,所以,對于那些做探索性或者檢驗(yàn)新方法而進(jìn)行的模擬,就不適合用。

同時(shí)gambit做網(wǎng)格,對于粘性流體,特別是計(jì)算湍流尺度,或者做熱流計(jì)算來說其網(wǎng)格精度一般是不可能滿足的,除非是很小的計(jì)算區(qū)域。所以,用fluent做的比較復(fù)雜一點(diǎn)的流場(除了經(jīng)典的幾個(gè)基本流場)其計(jì)算所得熱流,湍流,以及用雷諾應(yīng)力模擬的粘性都不可能是準(zhǔn)確的,這在物理上和計(jì)算方法已經(jīng)給fluent判了死刑,有時(shí)候看到很多這樣討論的文章,覺得大家應(yīng)該從物理和力學(xué)的本質(zhì)上考慮問題。

但是,fluent往往能計(jì)算出量級差不多的結(jié)果,我曾經(jīng)做了一個(gè)復(fù)雜的飛行器熱流計(jì)算,高超音速流場,得到的壁面熱流,居然在量級上是吻合的,但是,從計(jì)算熱流需要的壁面網(wǎng)格精度來判斷,gambit所做的網(wǎng)格比起壁面網(wǎng)格所滿足的尺寸的要大了至少2個(gè)數(shù)量級,我到現(xiàn)在還不明白fluent是怎么搞的。

綜上,我覺得,如果對付老板的一些工程項(xiàng)目,可以用fluent對付過去,但是如果真的做論文,或者需要發(fā)表文章,除非是做一些技術(shù)性工作,比如優(yōu)化計(jì)算一般用fluent是不適合的(不敢茍同)。

我感覺fluent做力的計(jì)算是很不錯(cuò)的,做流場結(jié)構(gòu)的計(jì)算,即使得出一些渦,也不是流場本身性質(zhì)的反應(yīng),做低速流場計(jì)算,fluent的優(yōu)勢在于收斂速度快,但是低速流場計(jì)算,其大多數(shù)的著眼點(diǎn)在于對流場結(jié)構(gòu)的探索,所以計(jì)算得到的結(jié)果就要好好斟酌一下了,高速流場的模擬中,一般著眼點(diǎn)在于氣動力的結(jié)果,壓力分布以及激波的捕捉,這些fluent做的很不錯(cuò)。對于多相流,旋轉(zhuǎn)機(jī)械我沒有做過,就不好隨便說了希望做過其他方面工作的大俠也總結(jié)一下。

對于運(yùn)用fluent來求解問題,首先要對本身求解的物理模型有充分的了解,只有在這個(gè)基礎(chǔ)上,才能夠選擇出正確的,計(jì)算模型以及相應(yīng)的邊界條件。

對于fluent計(jì)算的方法,確實(shí)是采用的有限體積法,不過對基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的5.X,我個(gè)人覺得其采用的應(yīng)該是同位網(wǎng)格而不是交錯(cuò)網(wǎng)格,因?yàn)榉墙Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格情況下,交錯(cuò)網(wǎng)格的方法處理起來比同位網(wǎng)格方法要復(fù)雜很多。一般見到的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格下FVM(有限體積法)多半還是采用的同位網(wǎng)格而非交錯(cuò)網(wǎng)格,這個(gè)問題還可以進(jìn)一步探討。對于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格而言,目前能夠做到的離散精度也只能是二階精度了,再高精度目前還沒法做到,或者說還沒有做到很實(shí)用。

對于gambit做網(wǎng)格,確實(shí)不是十分的理想,不過這個(gè)也不能怪罪gambit,因?yàn)榉墙Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格的生成方法,本身在理論上就有一些瑕疵(姑且這樣說吧,不能說是錯(cuò)誤,呵呵)所以對于一些十分復(fù)雜,而且特殊的流場,可能最終生成的網(wǎng)格會很不理想,這個(gè)時(shí)候多半需要采取一些其它的迂回的方法,例如將復(fù)雜區(qū)域分區(qū),分成一些簡單的區(qū)域,然后在簡單區(qū)域里面生成網(wǎng)格,最后再組合,而不是將整個(gè)復(fù)雜區(qū)域教給gambit讓其一次生成網(wǎng)格。有時(shí)在軟件做不到的地方,就需要人想法補(bǔ)上了。

對于壁面網(wǎng)格的問題,gambit中提供了生成邊界層網(wǎng)格的方法,恩,不知道是否這個(gè)功能也同樣不能滿足所需。gambit中邊界層網(wǎng)格只是在壁面法向進(jìn)行特別的處理。對于壁面切向方向則是和邊界層外網(wǎng)格尺度相當(dāng)?shù)摹?

對于fluent的適用范圍,我很同意stipulation的說法,本身fluent是一個(gè)比較成熟的商業(yè)軟件,換句話說,其適用的數(shù)值方法,多半也是目前相對比較成熟的方法之一。因此用fluent來做工程項(xiàng)目確實(shí)是很適合的,因?yàn)樗鄬π瘦^高,而且實(shí)際上fluent中有一些對特殊問題的簡化處理其目的也是直接針對工程運(yùn)用的。因此如果是完全的基于fluent做流場分析,然后做論文,這樣是不行的。需要強(qiáng)調(diào)的是,fluent僅僅是一種CFD的工具,一個(gè)相對好用的工具。

對于fluent做高速可壓流動問題,我做的不多,不知道stipulation兄對fluent評價(jià)怎樣,我個(gè)人覺得,由于有限體積法本身對于求解有間斷(激波)的流動問題就存在一定的誤差的,有限體積法實(shí)際上應(yīng)該更加的適合于不可壓流動問題,因?yàn)檫@個(gè)方法本身的特點(diǎn)就保證了通量的守恒,對于不可壓流動,那就是保證了整個(gè)流場的質(zhì)量守恒。就我個(gè)人觀點(diǎn)而言,對于算激波的問題似乎還是得要實(shí)用一些高精度格式,例如NND,TVD,時(shí)空守恒格式等。順便問stipulation一個(gè)問題,在算鈍頭體(導(dǎo)彈)小攻角來流夸音速流動問題時(shí),在計(jì)算中是否有激波的振蕩現(xiàn)象?(這個(gè)好像說有人做出實(shí)驗(yàn)了,我們這邊有人在計(jì)算,可是死活算不出來振蕩,他用的是StarCD了)

對于兩相流和旋轉(zhuǎn)機(jī)械,我插上兩句。兩相或者多項(xiàng)流動中,fluent也提供了幾種可用的方法,例如VOF方法、Cavitation方法、Algebraic slip方法,我對VOF和Cavitation的原理了解稍微多一些,VOF方法稱為體積函數(shù)法,以兩相流動為例,VOF中定義一個(gè)基相,兩相之間相互是不發(fā)生互融等反應(yīng)的,通過計(jì)算每一個(gè)時(shí)間步下,各個(gè)網(wǎng)格單元中的體積函數(shù),從而確定該網(wǎng)格中另外一項(xiàng)的比例,然后通過界面重構(gòu)或者一些其它的方法來確定此單元網(wǎng)格中兩相交界面的位置,從這個(gè)意義上說,VOF是屬于界面跟蹤方法。Cavitation方法則不是這樣,此方法不能用來明確的區(qū)分兩相的界面等,但是可以用來計(jì)算某一的區(qū)域內(nèi)所含的氣泡的一個(gè)體積密度。

對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流動問題,fluent中提供了幾種方法,一種是就是很簡單用坐標(biāo)變換的概念化旋轉(zhuǎn)為靜止,然后添加一個(gè)慣性力。一種是所謂的多參考坐標(biāo)系方法,還有就是混合面方法,最后是滑移網(wǎng)格方法。第一種方法自不用說,理論上是精確的,后面三鐘方法中,fluent中以滑移網(wǎng)格方法計(jì)算的準(zhǔn)確度最好,前面兩種方法都有很強(qiáng)的工程背景并且是在此基礎(chǔ)上簡化而來的。但這些方法的運(yùn)用都有一些前提條件。

fluent公司還有另外的一個(gè)工具,MixSim是針對攪拌混合問題的專用CFD軟件內(nèi)置了專用前處理器,可迅速建立攪拌器和混合器的網(wǎng)格及計(jì)算模型。

: 有沒有用它做旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)部流動的?
同時(shí)其實(shí)是給商用CFD軟件與科研用CFD之間的關(guān)系提出了很好的思考問題。其實(shí)就我所知道的搞CFD應(yīng)用研究的人而言,他們很希望在現(xiàn)有的已經(jīng)成熟的CFD技術(shù)基礎(chǔ)上做一些改進(jìn),使之滿足自己研究問題的需要。為此他們不希望整個(gè)程序從頭到尾都是自己編,比如N-S方程的求解,其實(shí)都是比較固定的。因此很多人都希望商用軟件有個(gè)很好的接口能讓用戶自己加入模塊,但是這一點(diǎn)其實(shí)真是很難做到,而且到底做到用戶能交互的什么程度也很難把握。據(jù)握所知,有搞湍流模型研究的人用PHOENICS實(shí)現(xiàn)自己的模型,而邊界處理以及數(shù)值方法等還是原方程的,據(jù)說star-CD也是商用軟件中提供給用戶自主性比較好的,fluent這方面到底如何就不得而知了,看stipulation所說的似乎也還是有限。因此,我覺得現(xiàn)在還是存在這樣的問題:既不能依*商用CFD軟件搞研究,但也希望不用反復(fù)重復(fù)一些繁雜的、沒有創(chuàng)造性的工作。

我現(xiàn)在就是用fluent來計(jì)算旋轉(zhuǎn)機(jī)械的內(nèi)流場,那就說說旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流動問題吧。fluent中有幾種處理旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動問題的模型,分別為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型(Rotating Reference Frame),多參考坐標(biāo)系模型(MRF),混和平面模型(Mixing Plane),滑移網(wǎng)格模型(Sliding Mesh)。其中,旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型僅適用于不考慮定子影響的流場,其思想就是在視轉(zhuǎn)子為靜止的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系里進(jìn)行定常計(jì)算,計(jì)算中考慮慣性力的影響;多參考坐標(biāo)系模型(MRF)就是在前一模型的基礎(chǔ)上考慮了定子對流場的影響,將流場按不同旋轉(zhuǎn)速度劃分成幾個(gè)流動區(qū)域,每個(gè)區(qū)域里用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系進(jìn)行定常計(jì)算,在這些流動區(qū)域的交界面上強(qiáng)制流動速度的連續(xù);混和平面模型是另一種用定常方法計(jì)算定子與轉(zhuǎn)子相互影響下的流場的模型,它在不同流動區(qū)域之間的交界面上進(jìn)行了一定的周向平均,消除了流動本身的非定常性,這種模型要優(yōu)于MRF模型;滑移網(wǎng)格模型是采用滑移網(wǎng)格技術(shù)來進(jìn)行流場的非定常計(jì)算的模型,用它計(jì)算的流場最接近于實(shí)際的流動,但這種模型需要耗費(fèi)巨大的機(jī)器資源和時(shí)間。

關(guān)于對商用CFD軟件的看法,我比較贊同zzbb的看法,我們可以利用它里面成熟的計(jì)算方法,附加上自己提出的一些模型,這樣研究問題,可以省很多的精力和時(shí)間,對于CFD的發(fā)展也是很有好處的。現(xiàn)在的商用軟件提供的接口比較少,軟件封裝的比較死,這樣不利于做科學(xué)研究,如果可以像linux的發(fā)展模式那樣發(fā)展CFD,大家公開成熟的CFD代碼,然后可以通過自由的研究,添加新的功能,相信CFD發(fā)展的會更快,不過如果這樣,那商用CFD軟件就不好賺錢了

至于商用軟件開發(fā)源代碼的問題,實(shí)在是不大可能。由于CFD應(yīng)用很多領(lǐng)域,特別是還與核、航空、汽車等一些非常重要的工程領(lǐng)域相關(guān),一般來說都屬于高科技技術(shù),鬼子是不會輕易公開的。比如phoenics早在80年代初就開發(fā)完成并應(yīng)用于工程,但是當(dāng)時(shí)西方就是對共產(chǎn)黨國家封閉,禁運(yùn),直到1991年(1993?)才有1.x的版本正式到中國。所以這也是我想說的目前存在的矛盾。

那么請問一下fluent所提供的用戶接口主要可以做些什么方面的工作呢?
: 加入自己的模型當(dāng)然是廣義的,其實(shí)很多東西都可以稱作模型。CFD里最經(jīng)典的算是湍流模型了吧。比如需要修改系數(shù)或增加項(xiàng),對渦粘系數(shù)重新計(jì)算,就是這種情況。此外還有邊界條件的修改等問題。算法也可以算。但這些并不一定是商用軟件都能提供的。

對于運(yùn)用fluent來求解問題,首先要對本身求解的物理模型有充分的了解,只有在這個(gè)基礎(chǔ)上,才能夠選擇出正確的,計(jì)算模型以及相應(yīng)的邊界條件。對于fluent計(jì)算的方法,確實(shí)是采用的有限體積法,不過對基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的5.X,我個(gè)人覺得其采用的應(yīng)該是同位網(wǎng)格而不是交錯(cuò)網(wǎng)格,因?yàn)榉墙Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格情況下,交錯(cuò)網(wǎng)格的方法處理起來比同位網(wǎng)格方法要復(fù)雜很多。一般見到的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格下FVM(有限體積法)多半還是采用的同位網(wǎng)格而非交錯(cuò)網(wǎng)格,這個(gè)問題還可以進(jìn)一步探討。對于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格而言,目前能夠做到的離散精度也只能是二階精度了,再高精度目前還沒法做到,或者說還沒有做到很實(shí)用。

fluent由于其商用性,它的思想就是自己做的很通用, 而很少給用戶接口,特別在一些核心問題上我們實(shí)驗(yàn)室如果真的做論文,就用一個(gè)fortran的大程序,是一個(gè)博士編的專門求解對稱的可壓縮n-s方程的看懂了,做一個(gè)網(wǎng)格,改改邊界條件就能算了,如果需要做相應(yīng)改動,可以直接該源程序一般,作為研究,重點(diǎn)在研究的物理性質(zhì),計(jì)算方法,流場結(jié)構(gòu)等所以,不會象做項(xiàng)目那樣,物理問題很簡單,但是條件,邊界很復(fù)雜,因此,做研究的程序,一般都在內(nèi)部的計(jì)算方法,物理模型上下功夫而做項(xiàng)目,一般對方關(guān)心的是一個(gè)結(jié)果,而不是具體流場的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。所以,用fluent是非常方便的,比如模擬高速可壓縮流場n-s方程和歐拉方程模擬的力,力矩的結(jié)果,幾乎沒有差別。

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