淺談對(duì)FLUENT的認(rèn)識(shí)（轉(zhuǎn)載）

2017-03-02 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

僅僅就我接觸過(guò)得談?wù)剬?duì)fluent的認(rèn)識(shí),并說(shuō)說(shuō)哪些用戶適合用,哪些不適合fluent對(duì)我來(lái)說(shuō)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(dòng)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(chǎng)模擬,都不會(huì)有很特別的介質(zhì),所以設(shè)置起來(lái)很簡(jiǎn)單。

對(duì)我來(lái)說(shuō),頗費(fèi)周折的是gambit做圖和生成網(wǎng)格,并不是我不會(huì),而是gambit對(duì)作圖要求的條件很苛刻,也就是說(shuō),稍有不甚,就前功盡棄,當(dāng)然對(duì)于計(jì)算流場(chǎng)很簡(jiǎn)單的用戶,這不是問(wèn)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(wú)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(jué)得它在計(jì)算過(guò)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(huì)很高。同時(shí)由于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,肯定會(huì)導(dǎo)致計(jì)算精度的下降,所以我一貫來(lái)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(duì)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(duì)于粘性流體,特別是計(jì)算湍流尺度,或者做熱流計(jì)算來(lái)說(shuō)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(chǎng)(除了經(jīng)典的幾個(gè)基本流場(chǎng))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(jué)得大家應(yīng)該從物理和力學(xué)的本質(zhì)上考慮問(wèn)題。

但是,fluent往往能計(jì)算出量級(jí)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(chǎng),得到的壁面熱流,居然在量級(jí)上是吻合的,但是,從計(jì)算熱流需要的壁面網(wǎng)格精度來(lái)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(jí),我到現(xiàn)在還不明白fluent是怎么搞的。

綜上,我覺(jué)得,如果對(duì)付老板的一些工程項(xiàng)目,可以用fluent對(duì)付過(guò)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。

我感覺(jué)fluent做力的計(jì)算是很不錯(cuò)的,做流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算,即使得出一些渦,也不是流場(chǎng)本身性質(zhì)的反應(yīng),做低速流場(chǎng)計(jì)算,fluent的優(yōu)勢(shì)在于收斂速度快,但是低速流場(chǎng)計(jì)算,其大多數(shù)的著眼點(diǎn)在于對(duì)流場(chǎng)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(chǎng)的模擬中,一般著眼點(diǎn)在于氣動(dòng)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(duì)于多相流,旋轉(zhuǎn)機(jī)械我沒(méi)有做過(guò),就不好隨便說(shuō)了希望做過(guò)其他方面工作的大俠也總結(jié)一下。

對(duì)于運(yùn)用fluent來(lái)求解問(wèn)題,首先要對(duì)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(duì)于fluent計(jì)算的方法,確實(shí)是采用的有限體積法,不過(guò)對(duì)基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的5.X,我個(gè)人覺(jué)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(lái)比同位網(wǎng)格方法要復(fù)雜很多。一般見(jiàn)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(wèn)題還可以進(jìn)一步探討。對(duì)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(méi)法做到,或者說(shuō)還沒(méi)有做到很實(shí)用。

對(duì)于gambit做網(wǎng)格,確實(shí)不是十分的理想,不過(guò)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(shuō)吧,不能說(shuō)是錯(cuò)誤,呵呵)所以對(duì)于一些十分復(fù)雜,而且特殊的流場(chǎng),可能最終生成的網(wǎng)格會(huì)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(jiǎn)單的區(qū)域,然后在簡(jiǎn)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(duì)于壁面網(wǎng)格的問(wèn)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(duì)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(duì)于fluent的適用范圍,我很同意stipulation的說(shuō)法,本身fluent是一個(gè)比較成熟的商業(yè)軟件,換句話說(shuō),其適用的數(shù)值方法,多半也是目前相對(duì)比較成熟的方法之一。因此用fluent來(lái)做工程項(xiàng)目確實(shí)是很適合的,因?yàn)樗鄬?duì)效率較高,而且實(shí)際上fluent中有一些對(duì)特殊問(wèn)題的簡(jiǎn)化處理其目的也是直接針對(duì)工程運(yùn)用的。因此如果是完全的基于fluent做流場(chǎng)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(duì)好用的工具。

對(duì)于fluent做高速可壓流動(dòng)問(wèn)題,我做的不多,不知道stipulation兄對(duì)fluent評(píng)價(jià)怎樣,我個(gè)人覺(jué)得,由于有限體積法本身對(duì)于求解有間斷(激波)的流動(dòng)問(wèn)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(dòng)問(wèn)題,因?yàn)檫@個(gè)方法本身的特點(diǎn)就保證了通量的守恒,對(duì)于不可壓流動(dòng),那就是保證了整個(gè)流場(chǎng)的質(zhì)量守恒。就我個(gè)人觀點(diǎn)而言,對(duì)于算激波的問(wèn)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(wèn)stipulation一個(gè)問(wèn)題,在算鈍頭體(導(dǎo)彈)小攻角來(lái)流夸音速流動(dòng)問(wèn)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(shuō)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(lái)振蕩,他用的是StarCD了)

對(duì)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(guò)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(guò)界面重構(gòu)或者一些其它的方法來(lái)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(shuō),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(lái)明確的區(qū)分兩相的界面等,但是可以用來(lái)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(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流動(dòng)問(wèn)題,fluent中提供了幾種方法,一種是就是很簡(jiǎn)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(shuō),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(jiǎn)化而來(lái)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(duì)攪拌混合問(wèn)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(méi)有用它做旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)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(wèn)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(wèn)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(shuō)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(shuō)的似乎也還是有限。因此,我覺(jué)得現(xiàn)在還是存在這樣的問(wèn)題:既不能依靠商用CFD軟件搞研究,但也希望不用反復(fù)重復(fù)一些繁雜的、沒(méi)有創(chuàng)造性的工作。

我現(xiàn)在就是用fluent來(lái)計(jì)算旋轉(zhuǎn)機(jī)械的內(nèi)流場(chǎng),那就說(shuō)說(shuō)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流動(dòng)問(wèn)題吧。fluent中有幾種處理旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動(dòng)問(wèn)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(chǎng),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(duì)流場(chǎng)的影響,將流場(chǎng)按不同旋轉(zhuǎn)速度劃分成幾個(gè)流動(dòng)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(dòng)區(qū)域的交界面上強(qiáng)制流動(dòng)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(chǎng)的模型,它在不同流動(dòng)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(dòng)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(lái)進(jìn)行流場(chǎng)的非定常計(jì)算的模型,用它計(jì)算的流場(chǎng)最接近于實(shí)際的流動(dòng),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(duì)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(wèn)題,可以省很多的精力和時(shí)間,對(duì)于CFD的發(fā)展也是很有好處的?，F(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(kāi)成熟的CFD代碼,然后可以通過(guò)自由的研究,添加新的功能,相信CFD發(fā)展的會(huì)更快,不過(guò)如果這樣,那商用CFD軟件就不好賺錢(qián)了

至于商用軟件開(kāi)發(fā)源代碼的問(wèn)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(chē)等一些非常重要的工程領(lǐng)域相關(guān),一般來(lái)說(shuō)都屬于高科技技術(shù),鬼子是不會(huì)輕易公開(kāi)的。比如phoenics早在80年代初就開(kāi)發(fā)完成并應(yīng)用于工程,但是當(dāng)時(shí)西方就是對(duì)共產(chǎn)黨國(guó)家封閉,禁運(yùn),直到1991年(1993?)才有1.x的版本正式到中國(guó)。所以這也是我想說(shuō)的目前存在的矛盾。

那么請(qǐng)問(wèn)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(duì)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(wèn)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(duì)于運(yùn)用fluent來(lái)求解問(wèn)題,首先要對(duì)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(duì)于fluent計(jì)算的方法,確實(shí)是采用的有限體積法,不過(guò)對(duì)基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的5.X,我個(gè)人覺(jué)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(lái)比同位網(wǎng)格方法要復(fù)雜很多。一般見(jiàn)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(wèn)題還可以進(jìn)一步探討。對(duì)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(méi)法做到,或者說(shuō)還沒(méi)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(wèn)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(mén)求解對(duì)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(dòng),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(chǎng)結(jié)構(gòu)等所以,不會(huì)象做項(xiàng)目那樣,物理問(wèn)題很簡(jiǎn)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(duì)方關(guān)心的是一個(gè)結(jié)果,而不是具體流場(chǎng)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(chǎng)n-s方程和歐拉方程模擬的力,力矩的結(jié)果,幾乎沒(méi)有差別。

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