计算流体力学基本仿真流程

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计算流体力学发展到今天,基本理论和数值算法已较为成熟,已经形成了一套较为规范的数值分析方法流程。大多数商业CFD软件也基本是采用类似的思路来进行设计,这些软件通常由具有成熟的处理流体问题的数值算法,用于输入问题参数的友好的用户图形界面和必要的图形数据显示所构成。因此,一般完整的CFD分析软件都提供了计算分析流程中主要的三大要素:

  • 前处理

  • 求解器

  • 后处理

计算流体力学基本仿真流程

前处理

几何建模

在任何CFD分析计算前,首选需要的是对流动区域(即CFD计算域)的几何形状进行定义和构建。创建几何模型是进行计算流体模拟分析的基础,建立良好的几何模型既可以准确的反应所研究的物理对象,又能够方便的进行下一步网格划分工作。

计算流体力学基本仿真流程

目前,创建几何模型的方法主要有两种:

  • 通过网格生成软件直接创建模型

目前主流的网格生成软件都具备创建几何模型的功能,通过这种方法创建的模型几何精度高,但操作过程相对麻烦,创建复杂的几何模型较为困难。

  • 采用三维CAD软件进行几何建模

先通过三维CAD软件创建几何模型,然后转化为网格生成软件可以识别的接口文件导入网格生成软件再进行网格划分。通过这种方法创建模型较为方便,能够生成复杂的几何模型。但是对于一些由设计人员绘制的三维模型,不可避免的存在一些曲面不封闭、存在多余断线等问题,因此,在导入网格软件后必要时需要进行简化和修复。

现在,各大CFD商业软件也在不断发展进步完善丰富CFD分析流程,在软件包中加入各种方便实用的CAD建模软件。例如,ANSYS近年收购的SpaceClaim软件,这个模块具备一般三维CAD软件使用方便的优点,同时能够保证创建的模型具备较高的几何精度。SpaceClaim基于直接建模思想,易学易用,能够显著的提高建模效率,降低时间成本而且保证较高的建模精度。

SpaceClaim软件的主要特点是:

  • 全参数化:SpaceClaim不仅可以针对在SpaceClaim中建立的模型进行参数化,同时也可以抽取外部CAD软件建立的模型参数并且进行参数化。

  • 直接建模:在仿真结束后, 如果需要修改模型,SpaceClaim软件可以直接修改外部CAD软件导入的几何模型,并且它基本兼容所有的主流CAD软件。

网格划分

在定义完计算区域的几何尺寸建立完几何模型之后,第二步就是要生成计算网格。计算流体力学的核心思想就是将连续的物理方程模型,在空间和时间上进行离散化,通过数值迭代计算得到满足精度要求的“近似解”。在使用商用 CFD 软件的工作中,大约有80%的时间是花费在网格划分上的,可以说网格划分能力的高低是决定工作效率的主要因素之一。特别是对于复杂的CFD问题,网格生成极为耗时,且极易出错,因此,网格质量直接影响CFD计算的精度和速度,有必要对网格生成方式给予足够的关注。

CFD计算结果最终的精度及计算过程的效率主要取决于所生成的网格与所采用的算法。现有的各种生成网格的方法在一定的条件下都有其优越性和弱点,各种求解流场的算法也各有其适应范围。一个成功而高效的数值计算,只有在网格的生成及求解流场的算法这两者之间有良好的匹配时才能实现。

从总体上来说,CFD计算中采用的网格可以大致分为结构化网格和非结构化网格两大类。一般数值计算中正交与非正交曲线坐标系中生成的网格都是结构化网格,其特点是每一节点与其邻点之间的连接关系固定不变且隐含在所生成的网格中,因而我们不必专门设置数据去确认节点与邻点之间的这种联系。

从严格意义上讲,结构化网格是指网格区域内所有的内部点都具有相同的批邻单元。结构化网格的主要优点有以下几点:

  • 网格生成的速度快;

  • 网格生成的质量好;

  • 数据结构简单。

  • 对曲面或空间的拟合大多数采用参数化或样条插值的方法得到,区域光滑,与实际的模型更容易接近;

  • 它可以很容易地实现区域的边界拟合,适于流体和表面应力集中等方面的计算。

结构化网格最典型的缺点是适用的范围比较窄。尤其随着近几年计算机和数值方法的快速发展,人们对求解区域的复杂性的要求越来越高,在这种情况下,结构化网格生成技术就显得力不从心了。

同结构化网格的定义相对应,非结构化网格是指网格区域内的内部点不具有相同的批邻单元。即与网格剖分区域内的不同内点相连的网格数目不同。从定义上可以看出,结构化网格和非结构化网格有相互重叠的部分,即非结构化网格中可能会包含结构化网格的部分。

非结构化网格技术的发展主要是弥补结构化网格不能解决任意形状和任意连通区域的网格剖分的欠缺。由于非结构化网格的生成技术比较复杂,随着人们对求解区域的复杂性的不断提高,对非结构化网格生成技术的要求越来越高。目前,非结构化网格生成技术中只有平面三角形的自动生成技术比较成熟,平面四边形网格的生成技术正在走向成熟。

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流体特性选择

在建立数学模型中非常关键的一步便是正确设定所研究物质的物性参数。

需要设定的物质参数一般包括包括:

  • 密度和(或)分子量。

  • 粘度。

  • 比热。

  • 热传导系数。

  • 质量扩散系数。

  • 标准状态下的焓。

  • 分子动力论参数。

在使用CFD软件进行模型设置的过程中,有些特殊的物质参数只有在激活响应的数学模型的之后才会出现,比如混合物物质只有在激活组元运输方程后才会出现,惰性颗粒、液滴和燃烧颗粒在引入弥散相模型之后才会出现等等。另外,很多CFD软件中都提供了丰富的物质资料可以直接调用,但是对于特殊情况,还是要根据实际情况和计算需要来修改材料的物性参数以获得更为准确的仿真结果。

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边界条件设定

边界条件就是流场变量在计算边界上应该满足的数学物理条件。边界条件与初始条件一起并称为定解条件,只有在边界条件和初始条件确定后,流场的解才存在,并且是唯一的。

边界条件大致分为下列几类:

  • 流体进出口条件:包括压强入口、速度入口、质量入口、吸气风扇、入口通风、压强出口、压强远场、出口流动、出口通风和排气风扇等条件。

  • 壁面条件:包括固壁条件、对称轴(面)条件和周期性边界条件。

  • 内部单元分区:包括流体分区和固体分区。

  • 内面边界条件:包括风扇、散热器、多孔介质阶跃和其他内部壁面边界条件。内面边界条件在单元边界面上设定,因而这些面没有厚度,只是对风扇、多孔介质膜等内部边界上流场变量发生阶跃的模型化处理。

一般商用软件中常用到的边界条件类型包括:

  • 压力入口边界条件

压力入口边界条件用于定义流场入口处的压强及其他标量函数。这种边界条件既适用于可压流计算也适用于不可压流计算。通常用在入口处压强已知、而速度和流量未知时,就可以使用压强入口条件。压力入口边界条件还可以用于具有自由边界的流场计算。

  • 速度入口边界条件

速度入口边界条件用入口处流场速度及相关流动变量作为边界条件。在速度入口边界条件中,流场入口边界的驻点参数是不固定的。为了满足入口处的速度条件,驻点参数将在一定的范围内波动。

  • 质量流入口边界条件

在已知流场入口处的流量时,可以通过定义质量流量或者质量通量分布的形式定义边界条件。这样定义的边界条件叫做质量流入口边界条件。在质量流量被设定的情况下,总压将随流场内部压强场的变化而变化。

如果流场在入口处的主要流动特征是质量流量保持不变,则适合采用质量流入口条件。但是因为流场入口总压的变化将直接影响计算的稳定性,所以在计算中应该尽量避免在流场的主要入口处使用质量流条件。比如在带横向喷流的管道计算中,管道进口处应该尽量避免使用质量流条件,而在横向喷流的进口处则可以使用质量流条件。

在不可压流计算中不需要使用质量流入口条件,这是因为在不可压流中密度为常数,所以采用速度入口条件就可以确定质量流量,因此就没有必要再使用质量流入口条件。

  • 压力出口边界条件

压力出口边界条件在流场出口边界上定义静压,而静压的值仅在流场为亚音速时使用。如果在出口边界上流场达到超音速,则边界上的压力将从流场内部通过插值得到。其他流场变量均从流场内部插值获得。

  • 压强远场边界条件

压强远场条件用于设定无限远处的自由边界条件,主要设置项目为自由流马赫数和静参数条件。压强远场边界条件也被称为特征边界条件,因为这种边界条件使用特征变量定义边界上的流动变量。

采用压强远场边界条件要求密度用理想气体假设进行计算,为了满足“无限远”要求,计算边界需要距离物体相隔足够远的距离。比如在计算翼型绕流时,要求远场边界距离模型约20倍弦长左右。

  • 出流边界条件

如果在流场求解前,流场出口处的流动速度和压强是未知的,就可以使用出流边界条件。除非计算中包含辐射换热、弥散相等问题,在出流边界上不需要定义任何参数,FLUENT 用流场内部变量通过插值得到出流边界上的变量值。

  • 壁面边界条件

在粘性流计算中,一般使用无滑移条件作为缺省设置。在壁面有平移或转动时,也可以定义一个切向速度分量作为边界条件,或者定义剪切应力作为边界条件。

  • 对称边界条件

在流场内的流动及边界形状具有镜像对称性时,可以在计算中设定使用对称边界条件。这种条件也可以用来定义粘性流动中的零剪切力滑移壁面。本节将讲述在对称面上对流体的处理方式。在对称边界上不需要设定任何边界条件,但是必须正确定义对称边界的位置。

  • 流体条件

流体区域是网格单元的集合,所有需要求解的方程都要在流体区域上被求解。流体区域上需要输入的唯一信息是流体的材料性质,即在计算之前必须指定流体区域中包含何种流体。

  • 固体条件

固体区域是这样一类网格的集合,在这个区域上只有热传导问题被求解,与流场相关的方程则无需在此求解。被设定为“固体”的区域实际上可能是流体,只是这个流体上被假定没有对流过程发生。在固体区域上需要输入的信息只有固体的材料性质。必须指明固体的材料性质,以便计算中可以使用正确的材料信息。还可以在固体区域上设定热生成率,或固定的温度值。也可以定义固体区域的运动。如果在固体区域周围存在周期性边界,还需要指定转动轴。

  • 多孔介质条件

很多问题中包含多孔介质的计算,比如流场中包括过滤纸、分流器、多孔板和管道集阵等边界时就需要使用多孔介质条件。在计算中可以定义某个区域或边界为多孔介质,并通过参数输入定义通过多孔介质后流体的压力降。在热平衡假设下,也可以确定多孔介质的热交换过程。

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求解器

物理模型

在CFD建模过程中,需要根据计算的问题选择适当的物理模型,物理模型包括湍流模型、多相流模型、辐射模型、组分输运和反应模型、噪声模型等。

  • 湍流模型

湍流出现在速度变动的地方。这种波动使得流体介质之间相互交换动量、能量和浓度变化,而且引起了数量的波动。由于这种波动是小尺度且是高频率的,所以在实际工程计算中直接模拟的话对计算机的要求会很高。实际上瞬时控制方程可能在时间上、空间上是均匀的,或者可以人为的改变尺度,这样修改后的方程耗费较少的计算机。但是,修改后的方程可能包含有我们所不知的变量,湍流模型需要用已知变量来确定这些变量。

一般常用到的湍流模型包括:Spalart-Allmaras 模型、标准k-e 模型、RNG k-e模型、带旋流修正k-e模型、k-ω模型、压力修正k-ω模型、雷诺兹压力模型、大漩涡模拟模型等。

  • 多相流模型

自然和工程中多数流动现象都是多相的混合流动。物理上,物质的相分为气相、液相和固相,但在多相流系统中相的概念意义更广泛。在多相流中,一相被定义为一种对其浸没其中的流体及势场有特定的惯性响应及相互作用的可分辨的物质。例如,同一种物质的不同尺寸固体颗粒可以被看作不同的相,因为相同尺寸的颗粒集合对于流场具有 相似的动力学响应。

多相流以两相流动最为常见。两相流主要有四种类型:气-液两相流,液-液两相流,气-固两相流和液-固两相流。多相流总是由两种连续介质(气体或液体),或一种连续介质和若干种不连续介质(如固体颗粒、水泡、液滴等)组成。连续介质称为连续相;不连续介质称为分散相(或非连续相、颗粒相等)。

常用到的多相流模型包括:VOF(Volume of Fluid)模型、Mixture(混合)模型和Eulerian(欧拉)模型。VOF 模型、混合物模型和欧拉模型这三种模型都属于用欧拉观点处理多相流的计算方法,其中VOF 模型适合于求解分层流和需要追踪自由表面的问题,比如水面的波动、容器内液体的填充等等;混合物模型和欧拉模型中则适合计算体积浓度大于10%的流动问题。

  • 辐射模型

辐射模型能够应用的典型场合包括:火焰辐射,表面辐射换热,导热、对流与辐射的耦合问题,HVAC(Heating Ventilating and Air Conditioning,采暖、通风和空调工业)中通过开口的辐射换热以及汽车工业中车厢的传热分析,玻璃加工、玻璃纤维拉拔过程以及陶瓷工业中的辐射传热等。

常用到的辐射模型包括:离散传播辐射(DTRM)模型、P-1辐射模型、Rosseland辐射模型、表面辐射(S2S)模型和离散坐标辐射(DO)模型。使用上述的辐射模型,用户就可以在其计算中考虑壁面由于辐射而引起的加热或冷却以及流体相的由辐射引起的热量或汇。

  • 组分输运和反应模型

在计算例如多种气体组分扩散时需要使用组分输运模型,如果还要分析例如燃烧的化学变化,则需要引入反应模型。一般的组分输运和反应模型包括:通用有限速度模型、非预混和燃烧模型、预混和燃烧模型、部分预混和燃烧模型。

一般的商用CFD软件中包含了一些常用的化学反应机理,但是对于特殊问题还是需要用户自己来定义,或者使用第三方的专业化学反应模拟软件来完成,例如chemkin等,CFD软件一般都会设有导入chemkin软件数据的接口来方便用户使用。

  • 噪声模型

由气体高速流动而引起的启动噪声也可以使用CFD的方法来进行模拟分析。气动噪音的生成和传播可以通过求解可压 N-S方程的方式进行数值模拟。但是与流场流动的能量相比,声波的能量要小几个数量级,客观上要求气动噪音计算所采用的格式应有很高的精度,同时从音源到声音测试点划分的网格也要足够精细,因此进行直接模拟对系统资源的要求很高,而且计算时间也很长。

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初始条件

在开始进行计算之前,必须为流场设定一个初始值。设定初始值的过程被称为“初始化”。如果把每步迭代得到的流场解按次序排列成一个数列,则初始值就是这个数列中的第一个数,而达到收敛条件的解则是最后一个数。显然如果初始值比较靠近最后的收敛解,则会加快计算过程,反之则会增加迭代步数,使计算过程加长,更严重的是如果初始值给的不好,有可能得不到收敛解。

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求解控制

在完成了网格、物理型、材料和边界条件的设定后,原则上就可以开始计算求解了,但为了更好地控制计算过程,提高计算精度,需要在求解器中进行相应的设置。设置的内容主要包括:选择离散格式、设置松弛因子等。

商用CFD软件大都采用有限体积法将非线性偏微分方程转变为网格单元上的线性代数方程,然后通过求解线性方程组得出流场的解。网格划分可以将连续的空间划分为相互连接的网格单元。每个网格单元由位于几何中心的控制点和将网格单元包围起来的网格面或线构成。

在有限体积法中,控制方程首先被写成守恒形式。从物理角度看,方程的守恒形式反映的是流场变量在网格单元上的守恒关系,即网格单元内某个流场变量的增量等于各边界面上变量的通量的总和。有限体积法的求解策略就是用边界面或线上的通量计算出控制点上的变量。比如对于密度场的计算,网格单元的控制点上的密度值及其增量代表的是整个网格单元空间上密度的值和增量。从质量守恒的角度来看,流入网格的质量与流出网格的质量应该等于网格内流体质量的增量,因此从质量守恒关系(连续方程)可以得知密度的增量等于边界面或线上密度通量的积分。

一般常用到的离散格式包括一阶迎风格式、指数律格式、二阶迎风格式、QUICK 格式、中心差分格式等。

在求解过程中,各流场变量的迭代都由松弛因子控制,因此计算的稳定性与松弛因子紧密相关。在大多数情况下,可以不必修改松弛因子的缺省设置,因为这些缺省值是根据各种算法的特点优化得出的。在某些复杂流动情况下,缺省设置不能满足稳定性要求,计算过程中可能出现振荡、发散等情况,此时需要适当减小松弛因子的值,以保证计算收敛。

在实际计算中可以用缺省设置先进行计算,如果发现残差曲线向上发展,则中断计算,适当调整松弛因子后再继续计算。在修改计算控制参数前,应该先保存当前计算结果。调整参数后,计算需要经过几步调整才能适应新的参数。一般而言,增加松弛因子将使残差增加,但是如果格式是稳定的,增加的残差仍然会逐渐降低。如果改变参数后,残差增加了几个量级,就可以考虑中断计算,并重新调入保存过的结果,再做新的调整。

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收敛监视

当仿真进行的时候,监测求解过程以确定是否得到了收敛的解,该解是一个迭代收敛解。在计算过程中可以动态监视残差、统计数据、受力值、面积分和体积分等与计算相关的信息。

在每个迭代步结束时,都会对计算守恒变量的残差进行计算,计算的结果可以显示在窗口中,并保存在数据文件中,以便随时观察计算的收敛史。从理论上讲,在收敛过程中残差应该无限减小,其极限为0,但是在实际的计算中,单精度计算的残差最大可以减小6个量级,而双精度的残差最大可以减小12个量级。

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后处理

后处理的过程是从流场中提取出想获得的流场特性(如推力、升力、阻力等)的过程。将求解得到的流场特性与理论分析、计算或者试验研究得到的结果进行比较,验证计算结果的可靠性。

后处理可以生成点、点样本、直线、平面、体、等值面等位置,显示云图、矢量图,也可动画功能制作动画短片等。

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始发于微信公众号:流体仿真

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