FLUENT基本概念与常见问题汇总（一）

2016-09-05 by:CAE仿真在线来源:互联网

1、理想流体和粘性流体

流体在静止时虽不能承受切应力,但在运动时,对相邻的两层流体间的相对运动,即相对滑动速度却是有抵抗的,这种抵抗力称为粘性应力。流体所具备的这种抵抗两层流体相对滑动速度,或普遍说来抵抗变形的性质称为粘性。粘性的大小依赖于流体的性质,并显著地随溫度变化。实验表明,粘性应力的大小与粘性及相对速度成正比。当流体的粘性较小(实际上最重要的流体如空气、水等的粘性都是很小的),运动的相对速度也不大时,所产生的粘性应力比起其他类型的力如惯性力可忽咯小计。此时我们可以近似地把流体看成无粘性的, 这样的流体称为理想流体。十分明显,埋想流体对于切向变形没有任何抗拒能力。这样对于粘性而言,我们可以将流体分为理想流体和粘性流体两大类。应该强调指出,真正的理想流体在客观实际中是不存在的,它只是实际流体在某些条件下的一种近似模型。

2、牛顿流体和非牛顿流体

日常生活和工程实践中最常遇到的流体其切应力与剪切变形速率符合线性关系, 称为牛顿流体。而切应力与变形速率不成线性关系者称为非牛顿流体。非牛顿流体中又因其切应力与变形速率关系特点分为膨胀性流体,拟塑性流体,具有屈服应力的理想宾厄流体和塑性流体等。通常油脂、油漆、牛奶、牙音、血液、泥浆等均为非牛顿流体。非牛顿流体的研究在化纤、塑料、石油、化工、食品及很多轻工业中有着广泛的应用。对于有些非牛顿流体,其粘滞特性具有时间效应,即剪切应力不仅与变形速率有关而且与作用时间有关。当变形速率保持常量,切应力随时间增大,这种非牛顿流体称为震凝性流体。当变形速率保持常量而切应力随时间减小的非牛顿流体则称为触变性流体。

3、可压缩流体和不可压缩流体

在流体的运动过程中,由于压力、温度等因素的改变,流体质点的体积(或密度,因质点的质量一定),或多或少有所改变。流体质点的体积或密度在受到一定压力差或温度差的条件下可以改变的这个性质称为压缩性。真实流体都是可以压缩的。它的压缩程度依赖于流体的性质及外界的条件。例如水在100个大气压下,容积缩小0.5%,温度从20℃变化到100℃,容积降低4%。因此在一股情况下液体可以近似地看成不可压的。但是在某些特姝问题屮,例如水中爆炸或水击等问题,则必须把液体看作是可压缩的。气体的压缩性比液体大得多,所以在一般情形下应该当作可压缩流体处理。但是如果压力差较小,运动速度较小,并且没有很大的温度差,则实际上气体所产生的体积变化也不大。此时,也可以近似地将气体视为不可积缩的。

在可压缩流体的连续方程中含密度,因而可把密度视为连续方程中的独立变量进行求解, 再根据气体的状态方程求出压力。不可压流体的压力场是通过连续方程间接规定的。由干没有直接求解压力的方程,不可压流体的流动方程的求解具有其特殊的困难。

4、层流和湍流

实验表明,粘性流体运动有两种形态,即层流和湍流。这两种形态的性质截然不同。层流的流体运动规则,各部分分层流动互不掺混,质点的轨线是光滑的,而且流动稳定。湍流的特征则完全相反,流体运动极不规则,各部分激烈掺混,质点的轨线杂乱无章,而且流场极不稳定。这两种截然不同的运动形态在一定条件下可以相互转化。

5、定常流动和非定常流动

以时间为标准,根据流体流动的物理量(如速度、压力、温度等)是否随时间变化,将流动分为定常与非定常两大类。当流动的物理量不随时间变化,为定常流动;反之称为非定常流动。定常流动也称为恒定流动,或者稳态流动:非定常流动也称为非恒定流动、非稳态流动。许多流体机械在起动或关机时的流体流动一般是非定常流动,而正常运转时可看作是定常流动。

6、亚音速流动与超音速流动

当气流速度很大或者流场压力变化很大时,流体就受到了压速性的影响。马赫数定义为当地速度与当地音速之比。当马赫数小于1时,流动为亚音速流动;当马赫数远远小于1 (如M<0.1)时,流体的可压速性及压力脉动对密度变化影响都可以忽略。当马赫数接近1时候(跨音速),可压速性影响就显得十分重要了。如果马赫数大于1,流体就变为超音速流动。

7、热传导及扩散

除了粘性外,流体还有热传导及扩散等性质。当流体中存在温度差时,温度高的地方将向温度低的地方传送热量,这种现象称为热传导。同样地,当流体混合物中存在组元的浓度差时,浓度高的地方将向浓度低的地方输送该组元的物质,这种现象称为扩散。

流体的宏观性质,如扩散、粘性和热传导等,是分子输运性质的统计平均。由于分子的不规则运动,在各层流体间交换着质量、动量和能量,使不同流体层内的平均物理量均匀化, 这种性质称为分于运动的输运性质。质量输运宏观上表现为扩散现象,动量输运表现为粘性现象,能量输运表象为热传导现象。

理想流体忽略了粘性,即忽略了分子运动的动量输运性质,因此在理想流体中也不应考虑质量和能量输运性质——扩散和热传导,因为它们具有相同的微观机制。

8、数值离散

我们知道描述流体流动及传热等物理问题的基本方程为偏微分方程,想要得它们的解析解或者近似解析解,在绝大多数情况下都是非常困难的,甚至是不可能的。CFD的基本思想就是把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场,如速度场,压力场等,用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后求解代数方程组获得场变量的近值。这个将连续的偏微分方程组及其定解条件按照某种方法遵循特定的规则在计算区域的离散网格上转化为代数方程组的过程就是数值离散;离散点就是我们在计算前要进行的网格划分;定解条件就是我们在软件中需要设置的边界条件和初始条件。

控制方程的离散方法主要包括:有限差分法,有限元法,有限体积法,边界元法,谱方法等等。有限差分法,有限元法及有限体积法是最常用的三种方法,且有限体积法是商用CFD软件普通采用的方法,Fluent就是使用的这种方法。有限元法与有限体积法不同之处在于,有限元法是将物理量存储在真实的网格节点上,将单元看成由周边节点及型函数构成的统一体;有限体积法则是将物理量存储在网格单元的中心点上,而将单元看成围绕中心点的控制体积,或者在真实网格节点上定义和存储物理量,而在节点周围构造控制体。

9、边界条件和初始条件

边界条件与初始条件是控制方程有确定解的前提。

边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随时间和地点的变化规律。对于任何问题,都需要给定边界条件。

初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况,对于瞬态问题,必须给定初始条件,对于稳态问题初始条件理论上不会影响计算的精度和准确性,但会影响计算收敛的速度。

在瞬态问题中,给定初始条件时要注意的是:要针对所有计算变量,给定整个计算域内各单元的初始条件;初始条件一定是物理上合理的,要靠经验或实测结果获得。

10、网格数量与网格无关性

数值计算值与实验值之间的误差来源只要有这几个:物埋模型近似误差(无粘或有粘,定常与非定常,二维或三维等等〕,差分方程的截断误差及求解区域的离散误差(这两种误差通常统称为离散误差),迭代误差(离散后的代数方程组的求解方法以及迭代次数所产生的误差),舍入误差(计算机只能用有限位存储计算物理量所产生的误差)等等。在通常的计算中,离散误差随网格变细而减小,但由于网格变细时,离散点数增多,舍入误差也随之加大。由此可见,网格数量并不是越多越好的。

由上面的介绍,网格数太密或者太疏都可能产生误差过大的计算结果,网格数在一定的范围内的结果才与实验值比较接近,这样在划分网格时就要求我们首先依据已有的经验大致划分一个网格进行计算,将计算结果与实验值进行比较(如果没有实验值,则不需要比较,后面的比较与此类型相同),再酌情加密或减少网格,再进行计算,再与实验值进行比较,并与前一次计算结果比较,如果两次的计算结果相差较小(例如在2%),说明这一范围的网格的计算结果是可信的,即计算结果是网格无关的。再加密网格已经没有什么意义(除非你要求的计算精度较高)。但是,如果你用粗网格也能得到相差很小的计算结果,从计算效率上讲,就可以完全使用粗网格去完成你的计算。加密或者减少网格数量,可以以一倍的量级进行。

11、网格质量判定

判断网格质量的主要因素有(以Gambit软件为例):

Aspect Ratio长宽比,不同的网格单元有不同的计算方法,等于1是最好的单元,如正三角形, 正四边形,正四面体,正六面体等,一般情况下不要超过5:1。
Diagonal Ratio对角线之比,仅适用于四边形和六面体单元,默认是大于或等于1的,该值越高,说明单元越不规则,最好等于1,也就是正四边形或正六面体。
Edge Ratio长边与最短边长度之比,大于或等于1,最好等于1,解释同上。
EquiAngle Skew通过单元夹角计算的歪斜度,在0到1之间,0为质量最好,1为质量最差,最好是要控制在0到0.4之间。
EquiSize Skew通过单元大小计算的歪斜度,在0到1之间,0为质量最好,1为质量最差。2D质量好的单元该值最好在0.1以内,3D单元在0.4以内。
MidAngle Skew通过单元边中点连线夹角计算的歪斜度,仅适用于四边形和六面体单元,在0到1之间,0为质量最好,1为质量最差。
Size Change相邻单元大小之比,仅适用于3D单元,最好控制在2以内。
Stretch伸展度。通过单元的对角线长度与边长计算出来的,仅适用于四边形和六面体单元,在0到1之间,0为质景最好,1为质量最差。
Taper锥度。仅适用于四边形和六面体单元,在0到1之间,0为质量最好,1为质量最差。
Volume单元体积,仅适用于3D单元,划分网格时应避免出现负体积。
Warpage翘曲。仅适用于四边形和六面体单元,在0到1之间,0为质量最好,1为质量最差。

12、计算收敛判定

判断计算结果是否收敛一般要满足以下条件:

设置观察点,观察点处的变量值不再随计算步骤的增加而变化;
各个参数的残差随计算步数的増加而降低,最后趋于平缓;
满足质量守恒(计算中不涉及能量)或者是质量与能量守恒(计算中牵涉及能量)。

特别要指出的是,即使前两个判据都已经满足了,也并不表示已经得到合理的收敛解了,因为如果松弛因于设置得太紧,各参数在每步计算的变化都不是太大,也会使前两个判据得到满足,此时就要再看笫三个判据了。

还需要说明的就是,一般我们都希望在收敛的情况下,残差越小越好,但是残差曲线是全场求平均的结果,有时其大小并不一定代表计算结果的好坏,有时即使计算的残差很大,但结果也许是好的,关键是要看计箅结果是否符合物理事实,即残差的大小与模拟的物理现象本身的复杂性有关,必须从实际物理现象上看计箅结果。比如说一个全机模型,在大攻角情况下, 解震荡得非常厉害,而且残差的量级也总下不去,但这仍然是正确的,因为大攻角下实际流动情形就是这样的,不断有涡的周期性脱落,流场本身就是非定常的,所以解也是波动的,处理的时候取平均就可以了。

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