CFD基本培训实用教案

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1、概 述1内存需求、精度需求低速流动及预处理计算域的初始化化学反应湍流模型远场边界条件高速流及数值(shz)格式第1页/共27页第一页，共28页。计算(j sun)内存要求2典型7方程（两方程湍流模型）无zonal边界的工况下，每1G内存所能处理(chl)的单元数：单元类型精 度单精度双精度六面体375,000220,000四面体500,000290,000棱柱425,000250,000第2页/共27页第二页，共28页。单、双精度(jn d)3对大尺寸比单元（如2000），如solve-to-wall网格(wn )，建议使用双精度；高海拔、稀薄气体时可能需要双精度；使用双精度可能在一些驻点求解

2、上改善残差的收敛。第3页/共27页第三页，共28页。计算(j sun)域的选择4分别求解亚音速和超音速流动时请不要使用相同(xin tn)的网格；对亚音速流动，建议取远场边界为模型长度的20-40倍长；对超音速流动，可让模型距来流方向更近一些。（a）低速(d s)流计算域（b）高速流计算域第4页/共27页第四页，共28页。低速(d s)流及预处理5Ma0.3时，使用可压缩理想气体(l xin q t)方程；Ma0.3时，使用预处理可压缩理想气体(l xin q t)方程；不可压方程通常要使用预处理。何时(h sh)使用预处理？第5页/共27页第五页，共28页。预处理的一些(yxi)特殊情形6如

3、果计算域内绝大部分是低速但是由高速流驱动产生，则不需要进行预处理；即使是超音速流动，如果局部有低速区，如产生了较大( jio d)分离，那么也需要进行预处理；第6页/共27页第六页，共28页。低速(d s)流动7低速可压流动模拟中，使用Fluid Properties中的基准压力(yl)（如1 atm）；使用预处理方程时，应当在Riemann Solvers中给出Approximate System Velocity的估值；所 有 的 瞬 态 声 学 模 拟 应 使 用 R i e m a n n S o l v e r s 中 的 C F L - b a s e d precondition

4、ing limiting。第7页/共27页第七页，共28页。计算(j sun)域的初始化8整个计算域的初始化：P、T、u或P、r、u利用cell groups初始化：针对如喷嘴等不容易放入一个box内的几何模型时比较(bjio)有用，另外也可处理多孔介质。第8页/共27页第八页，共28页。使用(shyng)XYZ boxes完成初始化9利用长方体或圆柱(yunzh)划定区域分别初始化，用于处理高速流的尾迹区。第9页/共27页第九页，共28页。化学反应(huxu fnyng)10设定组分时，将质量百分比较大的作为最后的或隐藏的组分；或者惰性气体组分也行（通常为N2）；反应常数(chngsh)的单

5、位必须是是kmol/J/m系统；反应要在SI单位制下完成。第10页/共27页第十页，共28页。湍流(tunli)模型11对跨音速流，建议使用Rt模型、realizable k-eps模型、S-A模型或Menter SST模型；对高超流，使用Rt模型或realizable k-eps模型需考虑传热；对外部绕流，即模型距进口( jn ku)边界较远使用k-eps-Rt模型或realizable k-eps模型时应选择Turbulence Control中的“Freestream k and eps Production Term Controls ”；对自由剪切流，应选用q-L、cubic k-e

6、ps或者RSTM模型；对瞬态流动，应选用cubic k-eps或LNS模型；对驻点流，建议使用k-L模型；其他流动类型，选择realizable k-eps模型。第11页/共27页第十一页，共28页。湍流初始化及进口(jn ku)边界12用户应尽可能将实验数据应用到初始/自由来流条件中，包括湍动能和湍流尺度的数据；如果(rgu)没有湍流的具体数据，我们建议：内流：设定湍流强度在1%到3%之间，湍流尺度为进口(jn ku)面积的平方根。设定湍流强度在0.1%到1%之间，及湍流尺度，通常比内流大很多，大约在m的量级；对不允许自由流湍流衰减的模型（如Rt、SA、k-e-Rt），用户不需要指定湍流尺度

7、，而是湍流分子粘性比T/ ，应当小于1，约为0.2；使用undamped涡粘比的模型uT/（Rt、k-e-Rt、k-e、q-L、k-L、RSTM），用户应设置3uT/5；外流：选定y+后，Turbulence Initialization Tool会给出第一层网格的估值。第12页/共27页第十二页，共28页。近壁网格(wn )的处理13选用尽可能小的增长率，以便得到较为( jio wi)合理的第一层网格信息；下图为添加理想壁面函数的solve-to-wall网格（y+20的网格非平衡模式：应用于y+500），设置damping function为1。第14页/共27页第十四页，共28页。湍流(

8、tunli)：源项控制15之前通过source term inactive regions来实现（groups或cells）；现在使用“Freestream k and eps Production Term Controls”；都是用来避免从进口到几何模型(mxng)之间的湍流耗散；Rt、S-A、k-eps-Rt不需要这样的处理。第15页/共27页第十五页，共28页。远场边界条件16对于超音速自由来流，使用Characteristics-Based边界或All Conditions Prescribed边界；对于环境远场，进口速度(sd)使用Pressure/Temperature；亚音速时

9、，如果边界离得较近，可尝试Physics Source Terms菜单下的Far-field Absorbing Layers。第16页/共27页第十六页，共28页。高速(o s)流动17流动带有较大分离时，建议利用(lyng)boxes进行初始化，以避免过早的ACAP；激活Spatial Discretization中的1st to 2nd order blending。第17页/共27页第十七页，共28页。高速(o s)流下的Pressure Switches18首先选中Time Integration中的“Help Set Numerics”；对 于 有 梯 度 剧 烈 变 化 的 问

10、题 ( w n t ) 时 ， 选 择 m i n i m u m dissipation中的“LHS and RHS”选项，如较强的激波及膨胀波。第18页/共27页第十八页，共28页。高速(o s)流下的Pressure Switches19默认情况下，Pressure Switches处于非激活状态，在Riemann Solver中选择激活；对某些超音速流（Ma数在3到5之间），可以激活hypersonic switch，然后返回到supersonic switch。对特别(tbi)复杂的情形，可以尝试pressure gradient detection中的aggressive。第19页

11、/共27页第十九页，共28页。带有壁面冷却(lngqu)的高速流20对恒温壁面，使用Wall Temperature Relaxation BC modifier使得(sh de)模拟由绝热开始，避免过早的ACAP。该选项仅在带有壁面冷却的高Ma数流动时使用。第20页/共27页第二十页，共28页。高海拔及稀薄(xb)气体流动21对海拔很高、压力变化很大的稀薄气体流动，在Time integration中选择Relaxation要比Multigrid好；带有分离(fnl)尾流的稀薄气体流动，压力临界值较低时（p=1e-3 Pa），可将ACAP设置为1st order。第21页/共27页第二十一页

12、，共28页。Pressure Ramping Modifier22对某些基于压力的边界(binji)（背压或驻点压力/温度），计算域中压力变化较大时，Pressure Ramping边界(binji)条件可以降低初始的瞬变。第22页/共27页第二十二页，共28页。Time-step Spatial Smoothing23网格中相邻(xin ln)单元的大小相差太大，会导致非物理的结果；网 格 中 相 邻 ( x i n l n ) 单 元 大 小 变 化 剧 烈 时 ， 激 活 2 n d T i m e Integration中的Time-step Spatial Smoothing选项，用

13、来平滑该区域内时间步长的变化。第23页/共27页第二十三页，共28页。Help Set Numerics24仔细阅读相关的设置(shzh)提示；2nd Time Integration中的“Help Set Numerics”可用来优化参数的设置(shzh)。第24页/共27页第二十四页，共28页。收敛(shulin)困难25CFD+在稳态求解过程中，残差一般会下降4-5个量级。如收敛困难，建议( jiny)如下：对低速气体流动，确保选择了经过预处理的方程类型；对低速内流，需激活Riemann solver菜单中的pressure acceleration；对不可压内流，需激活Time-Int

14、egration菜单中的mass-balance acceleration;对于湍流，请检查turbulence levels；对内流，确保内流边界的湍流至层流eddy viscosity ratio是合理的；将网格的y+值作为输出项进行监测，对5y+15的区域，建议变更为non-equilibrium wall function；查看time smoothing选项是否打开，有些情况下，将smoothing factor由默认的0.75更改为0.5会有利于收敛；如果正在使用(shyng)minmod polynomial limiter，可尝试改为continous limiter（上述选项

15、在spatial discretization菜单中），应当注意continuous limiter比minmod limiter的耗散略大一些。第25页/共27页第二十五页，共28页。高速(o s)流动中的ACAP26Initialization 对Ma数大于3的流动初始化时，建议使用“Initialization by Boxes”。用户可以使用该选项创建速度为零的区域。Discretization blending 用户可应用该选项使计算从一阶开始，缓慢调和至二阶精度。“Help Set Numerics”选项可激活该选项。Pressure Switches 流动中伴有激波、膨胀波时建议

16、使用该选项。可在Numerics/Riemann Solver菜单中设置，前提是LHS/RHS dissipation选项要在之前激活。CFL ramping 在特别高速的的情形下，用户需手工设定Courant number（CFL）。Multigrid 对一些(yxi)极端的稀薄气体流动（如80km处的羽流），建议关闭multigrid，只使用relaxation选项。第26页/共27页第二十六页，共28页。27感谢您的观赏(gunshng)！第27页/共27页第二十七页，共28页。NoImage内容(nirng)总结概 述。反应常数的单位必须是是kmol/J/m系统(xtng)。对高超流，使用Rt模型或realizable k-eps模型需考虑传热。对自由剪切流，应选用q-L、cubic k-eps或者RSTM模型。用户应尽可能将实验数据应用到初始/自由来流条件中，包括湍动能和湍流尺度的数据。设定湍流强度在1%到3%之间，湍流尺度为进口面积的平方根。下图为添加理想壁面函数的solve-to-wall网格（y+1）：。感谢您的观赏第二十八页，共28页。