CFX培训教材06瞬态模拟.ppt

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1、A Pera Global Company PERA China ANSYS CFX 培训教材 第六节：瞬态模拟 安世亚太科技（北京）有限公司 A Pera Global Company PERA China 原因 自然界几乎所有流动都是瞬态流动 ! 在以下假设下，可以认为流动是稳态的 : 忽略非稳态波动 采用总 /时均方法，忽略流动的波动性 (这也是为什么采用湍流模型模化湍流 的原因 ) 在 CFD,首选稳态的计算方法 更小的计算代价 更易处理和分析 很多情况下，要求瞬态求解 : 空气动力学 (Aerodynamics), 如飞行器、汽车等 涡脱落 (vortex shedding) 旋转机

2、械 Rotating Machinery 转子 /静子相互作用 , 停车 , 飞逸 多相流 Multiphase Flows 自由液面 , 空泡动力学 变形计算域 Deforming Domains 缸内燃烧 非稳态热传递 Unsteady Heat Transfer 瞬态加热和冷却 更多 A Pera Global Company PERA China 瞬态流动的起源 自然的非稳定性 流动的不稳定性或非稳定的初始流动状态导致非稳定流动 例如 : 自然对流 , 所有尺度的湍流涡 , 流动波 (重力波 , 冲击波 ) 强迫非稳定性 时间相关的边界条件 , 源项驱动的非稳定流场 例如 : 喷嘴处的

3、脉冲流 , 转子 -静子节间的相互影响 Kelvin-Helmholtz Cloud Instability Rotor-Stator Interaction in an Axial Compressor A Pera Global Company PERA China 瞬态 CFD 模拟 瞬态流域的模拟都是基于一个指定的时间周期 可能的求解方法 : 稳态求解 流动变量不随时间改变 时间周期求解 流动变量以某种反复的模式波动 也可以通过指定时间间隔的方法简单的进行流动分析 . 自由面流动 冲击波的运动 等 . 详细分析关心的量 固有频率 ，如 .斯特劳哈尔数 (Strouhal Number)

4、 时均 (Time-averaged)和 /或 均方根 (RMS)值 与时间相关的参数 (如 . 冷却一个热的固体的时间要求 , 污染物的扩散时间 ) 谱数据 快速傅里叶变换 (FFT) A Pera Global Company PERA China 20 Timestep = 2 s Initial Time = 0 s Total Time = 20 s Coefficient Loops = 5 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Time (seconds) 5 coefficient Loops 通过计算不同离散时间点的方 法完成瞬态模拟 在每个时间点，都需要进行计 算迭

5、代 如何求解瞬态问题 A Pera Global Company PERA China 对稳态计算也有相似的设置 通常的工作流程： 1. 设置分析类型为 Transient 2. 指定瞬态求解时间和时间步长 3. 设置物理模型和边界条件 边界条件可以随时间变化 4. 指定初始条件 最好采用符合实际的物理条件 , 比如稳态计算结果 5. 指定求解器设置 6. 设定瞬态结果文件 (results files), 瞬态统计 (transient statistics), 监测点 (monitors points) 7. 运行求解器 如何求解瞬态问题 A Pera Global Company PER

6、A China 1. 分析类型 在目录树上编辑 Analysis Type，设置 option为 Transient A Pera Global Company PERA China 设置 Time Duration 控制求解结束时间 选项 : Total Time 求解的总时间 Time Per Run 不计以前计算的所有时间 Maximum Number of Timesteps 包括以前所完成的计算时间步 Number of Timesteps per Run 对本次求解有效 . 不计以前完成的时间步 2. 时间长度和步长 A Pera Global Company PERA China

7、 2.时间长度和步长 设置 Time Step size 控制两计算时间点之间的间隔 选项 : Timesteps / Timesteps for the Run 可采用不同的方式 , 例如 0.001 0.001, 0.002, 0.002, 0.003 5*0.001, 10*0.05, 20*0.06 Adaptive 通过设定收敛标准或 Courant数的方法，在规定的 范围内，时间步可以动态的改变 A Pera Global Company PERA China 2.时间长度和步长 在瞬态模拟中，时间步尺寸是一个很重要的参数 求解与时间相关的特征的时候，需要时间步较小 实际值 时间

8、关心的变量 Dt 时间 关心的变量 Dt 时间步较大， 求解点通常不能反映真实的现象 小的时间步， 求解点可以反映真实的现象 A Pera Global Company PERA China 2.时间长度和步长 为了维持求解器的稳定性，也需要较小的时间步 关心的量可能变化缓慢 (例如 . 固体内的稳定变化 ), 如果其它量 (如 , 速 度 )具有较小的时间尺度，就不能采用较大的时间步 Courant数常用于评估时间步 : 在一个时间步内，流体通过的网格的数目 Courant数通常介于 2 10之间 , 但在一些情况下该值稍高也可以接受 平均的 Courant数和最大 Courant数在每个时

9、间步求解器 .out文件中会显示出来 小的时间步会加速收敛 Si zeE l e m e n t V e l o c i t yN u m b e r Co u ran t tD A Pera Global Company PERA China 必要的情况下 , 边界条件可以是时间的函数 速度 , 质量流 , 压力条件 , 温度 , 等 . 都能作为函数表达式 在 CEL表达式中使用 “t”或者 “Time” 3. 边界条件 A Pera Global Company PERA China 最好采用与物理实际符合的初值条件 经常采用稳态计算的收敛解作为初值 瞬态模拟的初值越准确，瞬态计算得到的

10、初 值就越精确 前面几个时间步可能不收敛 为了保证求解器的稳定性，瞬态计算的最初 阶段需要较小的时间步 计算获得稳定 (周期模式 )后，可以忽略开始 的几个循环 2 4 6 8 10 12 14 16 Time (seconds) 4. 初始化 Re sid ua ls A Pera Global Company PERA China Transient scheme定义瞬态项的数值算法 两个隐式时间步格式可选 : First Order Backward Euler (更稳定 ) Second Order Backward Euler (更精确 ) 对大多数瞬态模拟，推荐采用默认的 Seco

11、nd Order Backward Euler格式 Timestep Initialisation控制前一时间步作为后一时 间步计算起点的方式 可以与前一求解的时间步初值 (Previous Timestep)保持一致 或求解器可以通过对前一求解的外推 (extrapolate ), 以获得一更好的计算起点 在高 Courant数的情况下，不推荐使用 Automatic (默认 )模式 ，根据 Courant数的大小 在两种模式之间进行切换 5. 求解控制 A Pera Global Company PERA China Min. 和 Max. Coeff. Loops设置每个时间步 内的迭代

12、次数的上下限 争取每个时间步可以在 3-5个循环内达到收敛 Complex physics may need more loops 如果在最大循环内没有达到收敛，通常来说 减小时间步是较好的选择，而不是增加循环 次数 不管收敛与否，求解将转到下一个时间步 监测求解很重要 5.求解控制 A Pera Global Company PERA China 瞬态结果 (Transient Results) 默认只写出最后的 res文件 不包含瞬态求解信息 需要在 Output控制下定义 Transient Results Transient Results选项 Standard 写出包括全部结果的文件

13、 将占据大量的磁盘空间 Smallest 写出最小文件，该文件依然可以作为重新计算 的初值文件 (文件依然较大 ) Selected Variables 写出选取的关心的变量，文件将较小 Output Frequency 控制结果文件写出的频率 6. 输出控制 A Pera Global Company PERA China 瞬态统计 (Transient Statistics) 对求解变量生成求解统计 Option：算法平均 (Arithmetic Average), RMS, Minimum, Maximum, Standard Deviation和 Full (everything) 拾

14、取关心的变量 Start和 Stop Iteration List：定义收集统计 开始和结束的时间 6.输出控制 A Pera Global Company PERA China 6.输出控制 Monitor Points通常用于稳态模拟 Monitor Coefficient Loop Convergence在时间步内为每个迭代创 建监测记录 用于观察关心量在时间步内是否在收敛 默认的仅仅显示时间步末的检测值 Tip: 监测一个表达式，在求解器管理 器中将创建一个瞬态记录图表 . 与从瞬 态结果文件创建图表，这个方法更加容 易，而且不需要写出瞬态结果文件 A Pera Global Company PERA China 与稳态输出不同的是，瞬 态输出在每个时间步都包 括 Courant数信息显示在每 个时间步的开始处 通过检测 RMS和 MAX残 差，确保在时间步结束时 达到收敛 7.输出 谢谢 A Pera Global Company PERA China