fluent基础(学习入门篇~).doc
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1、-_1 单精度与双精度的区别大多数情况下,单精度解算器高效准确,但是对于某些问题使 用双精度解算器更合适。下面举几个例子: 如果几何图形长度尺度相差太多(比如细长管道) ,描述节点 坐标时单精度网格计算就不合适了;如果几何图形是由很多层小直 径管道包围而成(比如:汽车的集管)平均压力不大,但是局部区 域压力却可能相当大(因为你只能设定一个全局参考压力位置) , 此时采用双精度解算器来计算压差就很有必要了。对于包括很大热 传导比率和(或)高比率网格的成对问题,如果使用单精度解算器 便无法有效实现边界信息的传递,从而导致收敛性和(或)精度下 降2 分离解与耦合解的区别选择解的格式 FLUENT 提
2、供三种不同的解格式:分离解;隐式耦合解;显式耦 合解。三种解法都可以在很大流动范围内提供准确的结果, 但是它 们也各有优缺点。 分离解和耦合解方法的区别在于, 连续性方程、动量方程、 能量方程以及组分方程的解的步骤不同, 分离解是按 顺序解,耦合解是同时解。两种解法都是最后解附加的标量方程 (比如:湍流或辐射)。隐式解法和显式解法的区别在于线化耦合方 程的方式不同。分离解以前用于 FLUENT 4 和 FLUENT/UNS,耦合显 式解以前用于 RAMPANT。分离解以前是用于不可压流和一般可压流 的。而耦合方法最初是用来解高速可压流的。现在,两种方法都适 用于很大范围的流动(从不可压到高速可
3、压),但是计算高速可压流 时耦合格式比分离格式更合适。FLUENT 默认使用分离解算器,但是 对于高速可压流(如上所述) ,强体积力导致的强烈耦合流动(比 如浮力或者旋转力), 或者在非常精细的网格上的流动, 你需要考 虑隐式解法。这一解法耦合了流动和能量方程, 常常很快便可以收 敛。 耦合隐式解所需要内存大约是分离解的 1.5 到 2 倍,选择时 可以通过这一性能来权衡利弊。在需要隐式耦合解的时候,如果计 算机的内存不够就可以采用分离解或者耦合显式解。 耦合显式解虽 然也耦合了流动和能量方程,但是它还是比耦合隐式解需要的内存 少,但是它的收敛性相应的也就差一些。 注意:注意: 分离解中提供的
4、几个物理模型, 在耦合解中是没有的:多项流模型; 混合组分/PDF 燃烧模型/预混合燃烧模型 /Pollutant formation models/相变模型/Rosseland 辐射模型/指 定质量流周期流动模型/周期性热传导模型。分离求解器是默认的-_3 欧拉方程用于解决无粘流动,4 操纵、相对、绝对压力对于不同的流动状态, 操作压力的指定以不同的方式影响你的 计算。在低马赫数流动中压力计算的数值截断的影响。在低马赫数 可压流动中, 全部的压降和绝对静压相比很小, 因此数值截断会 对其有很大的影响。比方说吧,考虑 M 1 的可压流动。压力变 化 D p 与动压头(1/2) c p M2 有
5、关,其中 p 是静压,c 是指定 的比热比。这就给出了 D p/p 和 M2 的关系式,以至于 M 0 时 D p/p0。因此,除非给予足够的注意,否则低马赫数流 动计算结果往往很容易会受到截断误差截断误差的影响。 操作压力、标准压力和绝对压力 FLUENT 通过从绝对压力中减去操作压力(一般说来大的压力粗 略的等于流动中绝对压力的平均值)来避免截断误差(见在低马赫 数流动中压力计算的数值截断的影响一节)产生的问题,并使用得 到的压力来计算,这个压力称作标准压力。下面是操作压力,标准 压力和绝对压力之间的关系式。绝对压力是操作压力和标准压力之 和: 你所指定的所有压力以及 FLUENT 所报告
6、和计算的压力都是 标准压力。 操作压力的意义 操作压力对于不可压理想气体流动来说是十分重要的, 因为它 直接决定了不可压理想气体定律所计算出来的密度, 不可压理想气 体定律计算密度的关系式为: r = (p_op/R T)。 因此,你必须保 证适当的设定操作压力。 操作压力在低马赫数可压流动中具有十分重要的意义, 因为它 在避免截断误差问题中扮演了重要的角色,如操作压力,标准压力 和绝对压力一节所述。同样地,你必须保证适当地设定操作压力。 对于高马赫数可压流动,操作压力的意义就不是很明显了。在 这种情况下,压力的变化比低马赫数可压流动中压力的变化大得多,因此截断误差不会产生什么实际的问题, 因
7、此也就不真正需要使 用标准压力。事实上,在这种计算中使用绝对压力通常会更方便。 因为 FLUENT 总是使用标准压力,所以你可以简单的设定操作压力 为零,而使标准压力和绝对压力相等。 如果密度假定为常数, 或者密度是从温度的轮廓函数中推导出 来, 那么根本就不使用操作压力。需要注意的是:默认的操作压力 为 101325 Pa.。 如何设定操作压力-_选择合适的操作压力的判据是基于流动马赫数的区域以及确定 密度的关系式。 例如: 如果你在不可压流动的计算中使用理想气 体定律(如自然对流问题) ,你应该使用平均流动压力的典型值。 下表是设定操作压力的推荐方法。请记住默认的操作压力为 101325
8、Pa。 你需要在操作压力面板中设定操作压力。菜单: Define/Operating Conditions.。 对于不包括任何压力边界的不可压流动,FLUENT 会在每次迭代 之后调节标准压力场以避免它浮动。这一操作是通过在(或接近) 参考压力位置的单元中使用的压力实现的。在完全的压力场中减去 单元内的压力值, 从而保证参考压力位置的标准压力总为零。 如 果包含了压力条件,就不需要调节了,参考压力位置也忽略了。参 考压力位置默认为单元的中心或者接近点(0,0,0)。有时候你可能 想要移动参考压力位置,也许要将它定位于绝对压力已知的点处 (比如:如果你想将计算结果和实验数据比较) 。要改变位置,
9、请 在操作压力面板中输入参考压力位置的新的坐标值(X,Y,Z) 。 菜5 全隐格式的优点是它关于时间步无条件稳定.使用分离或者耦合隐式解算器时。显式 时间步形式只能用在耦合显式解算器中。不可压流动。显式时间步 不能用于计算时间精度不可压流动(即:除了理想气体的气体定律)。在每一个时间步内,不可压解必须迭代直至收敛。 。显式形式主 要用于解决捕捉诸如激波之类的运动波的过渡问题。6 湍流模型选择湍流模型的要考虑的因素:流体是否可压、建立特殊的可 行的问题、精度的要求、计算机的能力、时间的限制。The Spalart-Allmaras 模型对于解决动力漩涡粘性,Spalart-Allmaras 模型
10、是相对简单的 方程。它包含了一组新的方程,在这些方程里不必要去计算和剪应 力层厚度相关的长度尺度。Spalart-Allmaras 模型是设计用于航空 领域的,主要是墙壁束缚流动,而且已经显示出和好的效果。在透 平机械中的应用也愈加广泛。 在原始形式中 Spalart-Allmaras 模型对于低雷诺数模型是十 分有效的,要求边界层中粘性影响的区域被适当的解决。在 FLUENT 中,Spalart-Allmaras 模型用在网格划分的不是很好时。这将是最 好的选择,当精确的计算在湍流中并不是十分需要时。再有,在模-_型中近壁的变量梯度比在 k-e 模型和 k- 模型中的要小的多。这 也许可以使
11、模型对于数值的误差变得不敏感。 需要注意的是 Spalart-Allmaras 模型是一种新出现的模型,现在 不能断定它适用于所有的复杂的工程流体。例如,不能依靠它去预 测均匀衰退,各向同性湍流。还有要注意的是,单方程的模型经常因 为对长度的不敏感而受到批评,例如当流动墙壁束缚变为自由剪切 流。k-e 模型标准标准 k-ek-e 模型模型最简单的完整湍流模型是两个方程的模型, 要解两个变量, 速度和长度尺度。 在 FLUENT 中,标准 k-e 模型自从被 Launder and Spalding 提出之后,就变成工程流场计算中主要的工具了。适 用范围广、经济、合理的精度,这就是为什么它在工业
12、流场和热交 换模拟中有如此广泛的应用了。它是个半经验的公式,是从实验现 象中总结出来的。由于人们已经知道了 k-e 模型适用的范围,因此 人们对它加以改造,出现了 RNG k-e 模型和带旋流修正 k-e 模型RNGRNG k-ek-e 模型模型RNG k-e 模型来源于严格的统计技术。它和标准 k-e 模型很相 似,但是有以下改进:RNG 模型在 e 方程中加了一个条件,有效 的改善了精度。 考虑到了湍流漩涡,提高了在这方面的精度。 RNG 理论为湍流 Prandtl 数提供了一个解析公式,然而标准 k-e 模型使用的是用户提供的常数。 然而标准 k-e 模型是一种高雷诺数的模型, RNG
13、理论提供 了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式。这些公式的效用依靠正 确的对待近壁区域这些特点使得 RNG k-e 模型比标准 k-e 模型在更 广泛的流动中有更高的可信度和精度。带旋流修正的带旋流修正的 k-ek-e 模型模型带旋流修正的 k-e 模型是近期才出现的,比起标准 k-e 模型 来有两个主要的不同点。 带旋流修正的 k-e 模型为湍流粘性增加了一个公式。 为耗散率增加了新的传输方程, 这个方程来源于一个为层 流速度波动而作的精确方程术语“realizable” ,意味着模型要确保 在雷诺压力中要有数学约束,湍流的连续性。带旋流修正的 k-e 模 型直接的好处是对于平板和圆柱射流的
14、发散比率的更精确的预测。-_而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次 流有很好的表现。 带旋流修正的 k-e 模型和 RNG k-e 模型都显现出比标准 k-e 模型在强流线弯曲、漩涡和旋转有更好的表现。由于带旋流修正的 k-e 模型是新出现的模型,所以现在还没有确凿的证据表明它比 RNG k-e 模型有更好的表现。但是最初的研究表明带旋流修正的 k- e 模型在所有 k-e 模型中流动分离和复杂二次流有很好的作用。带 旋流修正的 k-e 模型的一个不足是在主要计算旋转和静态流动区域 时不能提供自然的湍流粘度。这是因为带旋流修正的 k-e 模型在定 义湍流粘度时考虑了平均旋度
15、的影响。这种额外的旋转影响已经在 单一旋转参考系中得到证实,而且表现要好于标准 k-e 模型。由于 这些修改,把它应用于多重参考系统中需要注意。k- 模型标准标准 k-k- 模型模型标准 k- 模型是基于 Wilcox k- 模型,它是为考虑低雷诺数、 可压缩性和剪切流传播而修改的。Wilcox k- 模型预测了自由剪 切流传播速率,像尾流、混合流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状 喷射,因而可以应用于墙壁束缚流动和自由剪切流动。标准 k-e 模 型的一个变形是 SST k- 模型,它在 FLUENT 中也是可用的。剪切压力传输(剪切压力传输(SSTSST) k-k- 模型模型SST k- 模型由
16、 Menter 发展,以便使得在广泛的领域中可以 独立于 k-e 模型,使得在近壁自由流中 k- 模型有广泛的应用范围 和精度。为了达到此目的,k-e 模型变成了 k- 公式。SSTk- 模 型和标准 k- 模型相似,但有以下改进: SST k- 模型和 k-e 模型的变形增长于混合功能和双模型加 在一起。混合功能是为近壁 区域设计的,这个区域对标准 k- 模型有效,还有自由表面, 这对 k-e 模型的变形有效。 SST k- 模型合并了来源于 方程中的交叉扩散。 湍流粘度考虑到了湍流剪应力的传波。 模型常量不同 这些改进使得 SST k- 模型比标准 k- 模型在在广泛的流动 领域中有更高的
17、精度和可信度。雷诺压力模型(RSM)在 FLUENT 中 RSM 是最精细制作的模型。放弃等方性边界速度假-_设,RSM 使得雷诺平均 N-S 方程封闭,解决了关于方程中的雷诺压 力,还有耗散速率。这意味这在二维流动中加入了四个方程,而在 三维流动中加入了七个方程。由于 RSM 比单方程和双方程模型更加 严格的考虑了流线型弯曲、漩涡、旋转和张力快速变化, 它对于复 杂流动有更高的精度预测的潜力。 但是这种预测仅仅限于与雷诺压 力有关的方程。压力张力和耗散速率被认为是使 RSM 模型预测精度 降低的主要因素。RSM 模型并不总是因为比简单模型好而花费更多 的计算机资源。 但是要考虑雷诺压力的各向
18、异性时,必须用 RSM 模 型。例如飓风流动、燃烧室高速旋转流、管道中二次流。k-e 模型间的区别标准、 RNG 和带旋流修正 k-e 模型这三种模型有相似的形式, 有 k 方程和 e 方程,它们主要的不同点是: 计算湍流粘性的方法 湍流 Prandtl 数由 k 和 e 方程的湍流扩散决定 在 e 方程中湍流的产生和消失 每个模型计算湍流粘性的方法和模型的常数不一样。但从本质 上它们在其它方面是一样的。标准 k-e 模型是个半经验公式,主要 是基于湍流动能和扩散率。k 方程是个精确方程,e 方程是个由经验 公式导出的方程。k-e 模型假定流场完全是湍流,分之之间的粘性 可以忽略。标准 k-e
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