3 在数值模拟过程中,离散化的目的是什么?如何对计算区域进行离散化?离散化时通常使用哪些网格?如何对控制方程进行离散?离散化常用的方法有哪些?它们有什么不同?
5 流场数值计算的目的是什么?主要方法有哪些?其基本思路是什么?各自的适用范围是什么?
6 可压缩流动和不可压缩流动,在数值解法上各有何特点?为何不可压缩流动在求解时反而比可压缩流动有更多的困难?
8 在数值计算中,偏微分方程的双曲型方程、椭圆型方程、抛物型方程有什么区别?
10 在GAMBIT中显示的“check”主要通过哪几种来判断其网格的质量?及其在做网格时大致注意到哪些细节?
11 在两个面的交界线上如果出现网格间距不同的情况时,即两块网格不连续时,怎么样克服这种情况呢?
12 在设置GAMBIT边界层类型时需要注意的几个问题:a、没有定义的边界线如何处理?
13 为何在划分网格后,还要指定边界类型和区域类型?常用的边界类型和区域类型有哪些?
14 20 何为流体区域(fluid zone)和固体区域(solid zone)?为什么要使用区域的概念?FLUENT是怎样使用区域的?
15 21 如何监视FLUENT的计算结果?如何判断计算是否收敛?在FLUENT中收敛准则是如何定义的?分析计算收敛性的各控制参数,并说明如何选择和设置这些参数?解决不收
16 22 什么叫松弛因子?松弛因子对计算结果有什么样的影响?它对计算的收敛情况又有什么样的影响?
17 23 在FLUENT运行过程中,经常会出现“turbulence viscous rate”超过了极限值,此时如何解决?而这里的极限值指的是什么值?修正后它对计算结果有何影响
18 24 在FLUENT运行计算时偏位角,为什么有时候总是出现“reversed flow”?其具体意义是什么?有没有办法避免?如果一直这样显示,它对最终的计算结果有什么样的影响
26 什么叫问题的初始化?在FLUENT中初始化的方法对计算结果有什么样的影响?初始化中的“patch”怎么理解?
30 FLUENT运行过程中,出现残差曲线震荡是怎么回事?如何解决残差震荡的问题?残差震荡对计算收敛性和计算结果有什么影响?
31数值模拟过程中,什么情况下出现伪扩散的情况?以及对于伪扩散在数值模拟过程中如何避免?
32 FLUENT轮廓(contour)显示过程中,有时候标准轮廓线显示通常不能精确地显示其细节,特别是对于封闭的3D物体(如柱体),其原因是什么?如何解决?
34 在FLUENT的学习过程中,通常会涉及几个压力的概念,比如压力是相对值还是绝对值?参考压力有何作用?如何设置和利用它?
35 在FLUENT结果的后处理过程中,如何将美观漂亮的定性分析的效果图和定量分析示意图插入到论文中来说明问题?
36 在DPM模型中,粒子轨迹能表示粒子在计算域内的行程,如何显示单一粒径粒子的轨道(如20微米的粒子)?37 在FLUENT定义速度入口时,速度入口的适用范围是什么?湍流参数的定义方法有哪些?各自有什么不同?
38 在计算完成后,如何显示某一断面上的温度值?如何得到速度矢量图?如何得到流线 分离式求解器和耦合式求解器的适用场合是什么?分析两种求解器在计算效率与精度方面的区别
43 FLUENT中常用的文件格式类型:dbs,msh,cas,dat,trn,jou,profile等有什么用处?44 在计算区域内的某一个面(2D)或一个体(3D)内定义体积热源或组分质量源。如何把这个zone定义出来?而且这个zone仍然是流体流动的。
50 在设置速度边界条件时,提到了“Velocity formulation(Absolute和Relative)”都是指的动量方程的相对速度表示和绝对速度表示,这两个速度如何理解?
51 对于出口有回流的问题,在出口应该选用什么样的边界条件(压力出口边界条件、质量出口边界条件等)计算效果会更好?
52 对于不同求解器,离散格式的选择应注意哪些细节?实际计算中一阶迎风差分与二阶迎风差分有什么异同?
53 对于FLUENT的耦合解算器,对时间步进格式的主要控制是Courant数(CFL),那么Courant数对计算结果有何影响?
54 在分离求解器中,FLUENT提供了压力速度耦和的三种方法:SIMPLE,SIMPLEC 及PISO,它们的应用有什么不同
55 对于大多数情况,在选择选择压力插值格式时,标准格式已经足够了,但是对于特定的某些模型使用其它格式有什么特别的要求?
57 讨论在数值模拟过程中采用四面体网格计算效果好,还是采用六面体网格更妙呢?
61 FLUENT help和GAMBIT help能教会我们(特别是刚入门的新手)学习什么基本知识?
63 FLUENT模拟飞行器外部流场,最高MA多少时就不准确了?MA达到一定的程度做模拟需注意哪些问题?
68 做飞机设计时,经常计算一些翼型,可是经常出现计算出来的阻力是负值,出现负值究竟是什么原因,是网格的问题还是计算参数设置的问题?
74 大概需要划分100万个左右的单元,且只计算稳态流动,请问这样的问题PC机上算的了吗?如果能算至少需要怎样的计算机配置呢?
76 GAMBIT划分三维网格后,怎样知道结点数?如何知道总生成多少网格(整个模型)?
77 在FLUENT的后处理中可以显示一个管道的。某个标量的。圆截面平均值沿管道轴线(中心线)的变化曲线吗?何显示空间某一点的数值呀(比如某一点温度)?
87 courant数:在模拟高压的流场的时候,迭代的时候总是自动减小其数值,这是什么原因造成的,为什么?怎么修改?
94 把带网格的几个volume,copy到另一处,但原来split的界面888手机网站,现在都变成了wall,怎么才能把wall变成内部流体呢?
97 在udf中,U,V,W代表的速度,分别代表什么方向的,直角坐标还是柱坐标?
98 Gambit的网格相连问题:如果物体是由两个相连的模型所结合,一个的网格划分比较密、另一个比较稀疏,用Gambit有办法将两个网格密度不同的物体,相连在一起吗?
100 在FLUENT里定义流体的密度时,定义为不可压理想流体是用在什么地方呀,讲义上说是用于可变密度的不可压流动,不知如何理解?
101 已经建好的模型,想修改一些尺寸,但不知道顶点的座标,请问如何在gambit 中显示点的座标?
102 在FLUENT模拟以后用display下的操作都无法显示,不过刚开始用的是好的,然后就不行了,为什么?
103 能否同时设置进口和出口都为压力的边界条件?在这样的边界条件设置情况下发现没有收敛,研究的物理模型只是知道进口和出口的压力,不知道怎么修改才能使其收敛?
104 在FLUENT计算时,有时候计算时间会特别长,为了避免断电或其它情况影响计算,应设置自动保存功能,如何设置自动保存功能?
105 gambit划分时运动部分与静止部分交接面:一个系统的两块,运动部分与静止部分交接部分近似认为没有空隙(无限小,虽然实际上是不可能的),假设考虑做成一个实体,那么似乎要一起运动或静止;假设分开做成两个实体,那么交接处的两个不完全重合的面要设为WALL还是什么呢,设成WALL不就不能过流了吗?
106 在计算模拟中,continuity总不收敛,除了加密网格,还有别的办法吗?别的条件都已经收敛了,就差它自己了,还有收敛的标准是什么?是不是到了一定的尺度就能收敛了,比如10-e5具体的数量级就收敛了
108 想把gambit的图形保存成图片,可是底色总是黑色,怎么改为白色呀。用windows 中画图板的反色,好像失线 在分析一个转轮时,想求得转轮的转矩,不知道fluent中有什么方法可以提供该数据。本来想到用叶片上面的压力乘半径,然后做积分运算,但是由于叶片正反壁面统一定义的,即全部定义为wall-rn1,所以分不出方向来了
111 如何在gambit中实现坐标轴的变换:有一个三维的网格,想在柱坐标中实现,可是gambit中一直显示直角坐标?
113 利用vof非稳态求解,结果明显没有收敛的情况下,为什么就开始提示收敛,虽然可以不管它,继续算下去达到收敛。但是求解怎么会提前收敛?
116 在Gambit中如何将两个dbs文件到入:把炉膛分成了三个dbs文件,现在想导入两个dbs文件,在Gambit中进行操作,但好象使用open命令就只能open一个dbs文件,请问这要怎么处理?
119 用GAMBIT生成网格时要是出现负值怎么办啊?有什么办法可以改正吗,只能将网格重新画吗?
120 scale是把你所画模型中的单位转化为Fluent默认的m,而unite是根据你自己的需要转化单位,也就是把Fluent中默认的m转画为其他的单位,两中方法对计算没有什么影响吗?
121 GAMBIT处理技巧:两个圆内切产生的尖角那个面如何生成网格质量才比较好?
155 如何区分层流和紊流?以什么为标准来区分呢?从层流过渡到紊流的标准是什么?
159 在fluent中如何设置工作目录?在Gambit中如何设置工作目录?
160 在计算过程中其它指数都收敛了,就continuity不收敛是怎么回事?在初始化设置中,那些项影响continuity的收敛?
学习任何一个软件,对于每一个人来说,都存在入门的时期。认真勤学是必须的,什么是最好的学习方法,我也不能妄加定论,在此,我愿意将我三年前入门FLUENT心得介绍一下,希望能给学习FLUENT的新手一点帮助。
由于当时我需要学习FLUENT来做毕业设计,老师给了我一本书,韩占忠的《FLUENT 流体工程仿真计算实例与应用》,当然,学这本书之前必须要有两个条件:
第一,具有流体力学的基础,第二,有FLUENT安装软件可以应用。然后就照着书上二维的计算例子,一个例子,一个步骤地去学习,然后学习三维,再针对具体你所遇到的项目进行针对性的计算。不能急于求成,从前处理器GAMBIT,到通过FLUENT进行仿真,再到后处理,如TECPLOT,进行循序渐进的学习,坚持,效果是非常显著的。如果身边有懂得FLUENT的老师,那么遇到问题向老师请教是最有效的方法,碰到不懂的问题也可以上网或者查找相关书籍来得到答案。另外我还有本《计算流体动力学分析》王福军的,两者结合起来学习效果更好。
理想流体和粘性流体;牛顿流体和非牛顿流体;可压缩流体和不可压缩流体;层流和湍流;定常流动和非定常流动;亚音速与超音速流动;热传导和扩散等。
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,并显著地随温度变化。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略不计。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,理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。
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下式的线性关系,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。图2-1(a)中绘出了切应力与变形速率的关系曲线。其中符合上式的线性关系者为牛顿流体。其他为非牛顿流体,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(Dilalant),拟塑性流体(Pseudoplastic),具有屈服应力的理想宾厄流体(Ideal Bingham Fluid)和塑性流体(Plastic Fluid)等。通常油脂、油漆、牛奶、牙膏、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。图2-1(b)还显示出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(Rheopectic Fluid)。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(Thixotropic Fluid)。
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%。因此在一般情况下液体可以近似地看成不可压的。但是在某些特殊
问题中,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压缩的。
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。由于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。
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。层流是流体运动规则,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。
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。
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
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,这种性质称为分子运动的输运性质。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。
3 在数值模拟过程中,离散化的目的是什么?如何对计算区域进行离散化?离散化时通常使用哪些网格?如何对控制方程进行离散?离散化常用的方法有哪些?它们有什么不同?
首先说一下CFD的基本思想: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似值。
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,就拿我们熟知的Navier-Stokes方程来说,现在能得到的解析的特解也就70个左右;但为了对这些问题进行研究,我们可以借助于我们已经相当成熟的代数方程组求解方法,因此,离散化的目的简而言之,就是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,以得到连续系统的离散数值逼近解。
在对控制方程进行离散之前,我们需要选择与控制方程离散方法相适应的计算区域离散方法。网格是离散的基础,网格节点是离散化的物理量的存储位置,网格在离散过程中起着关键的作用。网格的形式和密度等,对数值计算结果有着重要的影响。一般情况下,二维问题,有三角形单元和四边形,三位问题中,有四面体,六面体,棱锥体,楔形体及多面体单元。网格按照常用的分类方法可以分为:结构网格,非结构网格,混合网格;也可以分为:单块网格,分块网格,重叠网格;等等。上面提到的计算区域的离散方法要考虑到控制方程的离散方法,比如说:有限差分法只能使用结构网格,有限元和有限体积法可以使用结构网格也可以使用非结构网格。
上面已经提到了离散化的目的,控制方程的离散就是将主控的偏微分方程组在计算网格上按照特定的方法离散成代数方程组,用以进行数值计算。按照应变量在计算网格节点之间的分布假设及推到离散方程的方法不同,控制方程的离散方法主要有:有限差分法,有限元法,有限体积法,边界元法,谱方法等等。这里主要介绍最常用的有限差分法,有限元法及有限体积法。(1)有限差分法(Finite Difference Method,简称FDM)是数值方法中最经典的方法。它是将求解域划分为差分网格,用有限个网格节点代替连续的求解域,然后将偏微分方程(控制方程)的导数用差商代替,推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。求差分方程组(代数方程组)的解,就是微分方程定解问题的数值近似解,这是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法。这种方法发展较早,比较成熟,较多用于求解双曲型和抛物型问题(发展型问题)。用它求解边界条件复杂,尤其是椭圆型问题不如有限元法或有限体积法方便。(2)有限元法(Finite Element Method,简称FEM)与有限差分法都是广泛应用的流体力学数值计算方法。有限元法是将一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微小单元,并于各小单元分片构造插值函数,然后根据极值原理(变分
或加权余量法),将问题的控制方程转化为所有单元上的有限元方程,把总体的极值作为个单元极值之和,即将局部单元总体合成,形成嵌入了指定边界条件的代数方程组,求解该方程组就得到各节点上待求的函数值。有限元法的基础是极值原理和划分插值,它吸收了有限差分法中离散处理的内核,又采用了变分计算中选择逼近函数并对区域积分的合理方法,是这两类方法相互结合,取长补短发展的结果。它具有广泛的适应性,特别适用于几何及物理条件比较复杂的问题,而且便于程序的标准化。对椭圆型问题(平衡态问题)有更好的适应性。有限元法因求解速度较有限差分法和有限体积法满,因此,在商用CFD软件中应用并不普遍,目前的商用CFD软件中,FIDAP采用的是有限元法。而有限元法目前在固体力学分析中占绝对比例,几乎所有的固体力学分析软件都是采用有限元法。(3)有限体积法(Finite Volume Method,简称FVM)是近年发展非常迅速的一种离散化方法,其特点是计算效率高。目前在CFD领域得到了广泛的应用。其基本思路是:将计算区域划分为网格,并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积;将待解的微分方程(控制方程)对每一个控制体积分,从而得到一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量气动攻丝机,为了求出控制体的积分,必须假定因变量值在网格点之间的变化规律。从积分区域的选取方法看来,有限体积法属于加权余量法中的子域法,从未知解的近似方法看来,有限体积法属于采用局部近似的离散方法。简言之,子域法加离散,就是有限体积法的基本方法。
简短而言,有限元法,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;有限体积法往往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题。
虽然可以获得物理上可接受的解,但当Peclet数较大时,假扩散较严重。为避免此问题,常需要加密计算网格。
当Peclet小于等于2时,性能与中心差分格式相同。当Peclet大于2时,性能与一阶迎风格式相同。
主要适用于无源项的对流扩散问题,对有非常数源项的场合,当Peclet数较高时有较大误差。
可以减少假扩散误差,精度较高,应用较广泛,但主要用于六面体和四边形网格。
5流场数值计算的目的是什么?主要方法有哪些?其基本思路是什么?各自的适用范围是什么?
这个问题的范畴好大啊。简要的说一下个人的理解吧:流场数值求解的目的就是为了得到某个流动状态下的相关参数,这样可以节省实验经费,节约实验时间,并且可以模拟一些不可能做实验的流动状态。主要方法有有限差分,有限元和有限体积法,好像最近还有无网格法和波尔兹曼法(格子法)。基本思路都是将复杂的非线性差分/积分方程简化成简单的代数方程。相对来说,有限差分法对网格的要求较高,而其他的方法就要灵活的多
6可压缩流动和不可压缩流动,在数值解法上各有何特点?为何不可压缩流动在求解时反而比可压缩流动有更多的困难?
注:这个问题不是一句两句话就能说清楚的,大家还是看下面的两篇小文章吧,摘自《计算流体力学应用》,读完之后自有体会。
描述无粘流动的基本方程组是Euler方程组,描述粘性流动的基本方程组是Navier- Stokes方程组。用数值方法通过求解Euler方程和Navier-Stokes方程模拟流场是计算流体动力学的重要内容之一。由于飞行器设计实际问题中的绝大多数流态都具有较高的雷诺数,这些流动粘性区域很小,由对流作用主控,因此针对Euler方程发展的计算方法,在大多数情况下对Navier- Stokes方程也是有效的,只需针对粘性项用中心差分离散。
用数值方法求解无粘Euler方程组的历史可追溯到20世纪50年代,具有代表性的方法是1952年Courant等人以及1954年Lax和Friedrichs提出的一阶方法。从那时开始,人们发展了大量的差分格式。Lax和Wendroff的开创性工作是非定常Euler(可压缩
Navier-Stokes)方程组数值求解方法发展的里程碑。二阶精度Lax-Wendroff格式应用于非线性方程组派生出了一类格式,其共同特点是格式空间对称,即在空间上对一维问题是三点中心格式,在时间上是显式格式,并且该类格式是从时间空间混合离散中导出的。该类格式中最流行的是MacCormack格式。
采用时空混合离散方法,其数值解趋近于定常时依赖于计算中采用的时间步长。尽管由时间步长项引起的误差与截断误差在数量级上相同,但这却体现了一个概念上的缺陷,因为在计算得到的定常解中引进了一个数值参数。将时间积分从空间离散中分离出来就避免了上述缺陷。常用的时空分别离散格式有中心型格式和迎风型格式。空间二阶精度的中心型格式(一维问题是三点格式)就属于上述范畴。该类格式最具代表性的是Beam-Warming 隐式格式和Jameson等人采用的Runge-Kutta时间积分方法发展的显式格式。迎风型差分格式共同特点是所建立起的特征传播特性与差分空间离散方向选择的关系是与无粘流动的物理特性一致的。第一个显式迎风差分格式是由Courant等人构造的,并推广为二阶精度和隐式时间积分方法。基于通量方向性离散的Steger-Warming和Van Leer矢通量分裂方法可以认为是这类格式的一种。该类格式的第二个分支是Godunov方法,该方法在每个网格步求解描述相邻间断(Riemann问题)的当地一维Euler方程。根据这一方法Engquist、Osher和Roe等人构造了一系列引入近似Riemann算子的格式,这就是著名的通量差分方法。
对于没有大梯度的定常光滑流动,所有求解Euler方程格式的计算结果都是令人满意的,但当出现诸如激波这样的间断时,其表现确有很大差异。绝大多数最初发展起来的格式,如Lax-Wendroff格式中心型格式,在激波附近会产生波动。人们通过引入人工粘性构造了各种方法来控制和限制这些波动。在一个时期里,这类格式在复杂流场计算中得到了应用。然而,由于格式中含有自由参数,对不同问题要进行调整,不仅给使用上带来了诸多不便,而且格式对激波分辨率受到影响,因而其在复杂流动计算中的应用受到了一定限制。
另外一种方法是力图阻止数值波动的产生,而不是在其产生后再进行抑制。这种方法是建立在非线性限制器的概念上,这一概念最初由Boris和Book及Van Leer提出,并且通过Harten发展的总变差减小(TVD, Total Variation Diminishing)的重要概念得以实现。通过这一途径,数值解的变化以非线性的方式得以控制。这一类格式的研究和应用,在20世纪80年代形成了一股发展浪潮。1988年,张涵信和庄逢甘利用热力学熵增原理,通过对差分格式修正方程式的分析,构造了满足熵增条件能够捕捉激波的无波动、无自由参数的耗散格式(NND格式)。该类格式在航空航天飞行器气动数值模拟方面得到了广泛应用。
1987年,Harten和Osher指出,TVD格式最多能达到二阶精度。为了突破这一精度上的限制引入了实质上无波动(ENO)格式的概念。该类格式“几乎是TVD”的,Harten因此推断这些格式产生的数值解是一致有界的。继Harten和Osher之后,Shu和Osher将ENO 格式从一维推广到多维。J.Y.Yang在三阶精度ENO差分格式上也做了不少工作。1992年,张涵信另辟蹊径,在NND格式的基础上,发展了一种能捕捉激波的实质上无波动、无自由参数的三阶精度差分格式(简称ENN格式)。1994年,Liu、Osher和Chan发展了WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory)格式。WENO格式是基于ENO格式构造的高阶混合格式,它在保持了ENO格式优点的同时,计算流场中虚假波动明显减少。此后,Jiang提出了一种新的网格模板光滑程度的度量方法。目前高阶精度格式的研究与应用是计算流体力学的热点问题之一。
不可压缩流体力学数值解法有非常广泛的需求。从求解低速空气动力学问题,推进器内部流动,到水动力相关的液体流动以及生物流体力学等。满足这么广泛问题的研究,要求有与之相应的较好的物理问题的数学模型以及鲁棒的数值算法。
相对于可压缩流动,不可压缩流动的数值求解困难在于,不可压缩流体介质的密度保持常数,而状态方程不再成立,连续方程退化为速度的散度为零的方程。由此,在可压缩流动的计算中可用于求解密度和压力的连续方程在不可压缩流动求解中仅是动量方程的一个约束条件,由此求解不可压缩流动的压力称为一个困难。求解不可压缩流动的各种方法主要在于求解不同的压力过程。
目前,主要有两类求解不可压缩流体力学的方法,原始变量方法和非原始变量方法。求解不可压缩流动的原始变量方法是将Navier-Stokes方程写成压力和速度的形式,进行直接求解,这种形式已被广为应用。非原始变量方法主要有Fasel提出的流函数-涡函数法、Aziz和Hellums提出的势函数-涡函数方法。在求解三维流动问题时,上述每一个方法都需要反复求解三个Possion方程,非常耗时。原始变量方法可以分为三类:第一种方法是Harlow和Welch首先提出的压力Possion方程方法。该方法首先将动量方程推进求得速度场,然后利用Possion方程求解压力,这一种方法由于每一时间步上需要求解Possion方程,求解非常耗时。第二种方法是Patanker和Spalding的SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation)法,它是通过动量方程求得压力修正项对速度的影响,使其满足速度散度等于零的条件作为压力控制方程。第三种方法是虚拟压缩方法,这一方法是Chorin于1967年提出的。该方法的核心就是通过在连续方程中引入一个虚拟压缩因子,再附加一项压力的虚拟时间导数,使压力显式地与速度联系起来,同时方程也变成了双曲型
方程。这样,方程的形式就与求解可压缩流动的方程相似,因此,许多求解可压缩流动的成熟方法都可用于不可压缩流动的求解。
目前,由于基于求解压力Possion方程的方法非常复杂及耗时,难于求解具体的工程实际问题,因此用此方法解决工程问题的工作越来越少。工程上常用的主要是SIMPLE方法和虚拟压缩方法。
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,稳态问题,则不用给定。对于边界条件与初始条件的处理,直接影响计算结果的精度。
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。
8在数值计算中,偏微分方程的双曲型方程、椭圆型方程、抛物型方程有什么区别?
我们知道很多描述物理问题的控制方程最终就可以归结为偏微分方程,描述流动的控制方程也不例外。
从数学角度,一般将偏微分方程分为椭圆型(影响域是椭圆的,与时间无关,且是空间内的闭区域,故又称为边值问题),双曲型(步进问题,但依赖域仅在两条特征区域之间),抛物型(影响域以特征线为分界线,与主流方向垂直;具体来说,解的分布与瞬时以前的情况和边界条件相关,下游的变化仅与上游的变化相关;也称为初边值问题);
两种角度,有这样的关系:椭圆型方程描述的一般是平衡问题(或稳态问题),双曲型和抛物型方程描述的一般是步进问题。
至于具体的分类方法,大家可以参考一般的偏微分方程专著,里面都有介绍。关于各种不同近似水平的流体控制方程的分类,大家可以参考张涵信院士编写《计算流体力学—差分方法的原理与应用》里面讲的相当详细。
1)三种类型偏微分方程解的适定性(即解存在且唯一,并且解稳定)要求对定解条件有不同的提法;
椭圆型和抛物型方程的解是充分光滑的,因此对定解条件的光滑性要求不高。而双曲型方程允许有所谓的弱解存在(如流场中的激波),即解的一阶导数可以不连续,所以对定解条件的光滑性要求很高,这也正是采用有限元法求解双曲型方程困难较多的原因之一。
在双曲型和抛物型方程所控制的流场中,某一点的影响区域是有界的,可采用步进求解。如对双曲型方程求解时,为了与影响区域的特征一致,采用上风格式比较适宜。而椭圆型方程的影响范围遍及全场,必须全场求解,所采用的差分格式也要采用相应的中心格式。
数值计算的与实验值之间的误差来源只要有这几个:物理模型近似误差(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。
再说说网格无关性的问题,由上面的介绍,我们知道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(当然这个计算结果必须是收敛的)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,说明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,你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,你可以以一倍的量级进行。
10在GAMBIT中显示的“check”主要通过哪几种来判断其网格的质量?及其在做网格时大致注意到哪些细节?
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为质量最好,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。
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。
以上只是针对Gambit帮助文件的简单归纳,不同的软件有不同的评价单元质量的指标,使用时最好仔细阅读帮助文件。
另外,在Fluent中的窗口键入:grid quality 然后回车,Fluent能检查网格的质量,主要有以下三个指标:
11在两个面的交界线上如果出现网格间距不同的情况时,即两块网格不连续时,怎么样克服这种情况呢?
这个问题就是非连续性网格的设置,一般来说就是把两个交接面设置为一对interface。
问题:把两个面(其中一个实际是由若干小面组成,将若干小面定义为了group了)拼接在一起,也就是说两者之间有流体通过,两个面个属不同的体,网格导入到fluent时,使用interface时出现网格check的错误,将interface的边界条件删除,就不会发生网格检查的错误,如何将两个面的网格相连?
原因:interface后的两个体的交接面,fluent以将其作为内部流体处理(非重叠部分默认为wall,合并后网格会在某些地方发生畸变,导致合并失败,也可能准备合并的两个面几何位置有误差,应该准确的在同一几何位置(合并的面大小相等时),在合并之前要合理分块表座。
解决方法:为了避免网格发生畸变(可能一个面上的网格跑到另外的面上了),可以一面网格粗,一面网格细避免;再者就是通过将一个面的网格直接映射到另一面上的,两个面默认为interior.也可以将网格拼接一起.
12在设置GAMBIT边界层类型时需要注意的几个问题:a、没有定义的边界线如何处理?b、计算域内的内部边界如何处理(2D)?
答:gambit默认为wall,一般情况下可以到fluent再修改边界类型。内部边界如果是split产生的,那么就不需再设定了,如果不是,那么就需要设定为interface或者是internal
13为何在划分网格后,还要指定边界类型和区域类型?常用的边界类型和区域类型有哪些?
答:要得到一个问题的定解就需要有定解条件,而边界条件就属于定解条件。也就是说边界条件确定了结果。不同的流体介质有不同的物理属性,也就会得到不同的结果,所以必须指定区域类型。对于gambit来说,默认的区域类型是fluid,所以一般情况下不需要再指定
14 何为流体区域(fluid zone)和固体区域(solid zone)?为什么要使用区域的概念?FLUENT是怎样使用区域的?
Fluid Zone是一个单元组,是求解域内所有流体单元的综合。所激活的方程都要在这些单元上进行求解。向流体区域输入的信息只是流体介质(材料)的类型。对于当前材料列表中没有的材料,需要用户自行定义。注意,多孔介质也当作流体区域对待。
Solid Zone也是一个单元组,只不过这组单元仅用来进行传热计算,不进行任何的流动计算。作为固体处理的材料可能事实上是流体,但是假定其中没有对流发生,固体区域仅需要输入材料类型。
Fluent中使用Zone的概念,主要是为了区分分块网格生成,边界条件的定义等等;
15 如何监视FLUENT的计算结果?如何判断计算是否收敛?在FLUENT中收敛准则是如何定义的?分析计算收敛性的各控制参数,并说明如何选择和设置这些参数?解决不收敛问题通常的几个解决方法是什么?
可以采用残差控制面板来显示;或者采用通过某面的流量控制;如监控出口上流量的变化;采用某点或者面上受力的监视;涡街中计算达到收敛时,绕流体的面上受的升力为周期交变,而阻力为平缓的直线。
3、要满足质量守恒(计算中不牵涉到能量)或者是质量与能量守恒(计算中牵涉到能量)。
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,如果松弛因子设置得太紧,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。此时就要再看第三个判据了。
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,关键是要看计算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算结果。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,为什么呢,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呢:)
16 什么叫松弛因子?松弛因子对计算结果有什么样的影响?它对计算的收敛情况又有什么样的影响?
1、亚松驰(Under Relaxation):所谓亚松驰就是将本层次计算结果与上一层次结果的差值作适当缩减,以避免由于差值过大而引起非线性迭代过程的发散。用通用变量来写出时,为松驰因子(Relaxation Factors)。《数值传热学-214》
2、FLUENT中的亚松驰:由于FLUENT所解方程组的非线性,我们有必要控制的变化。一般用亚松驰方法来实现控制,该方法在每一部迭代中减少了的变化量。亚松驰最简单的形式为:单元内变量等于原来的值加上亚松驰因子a与变化的积, 分离解算器使用亚松驰来控制每一步迭代中的计算变量的更新。这就意味着使用分离解算器解的方程,包括耦合解算器所解的非耦合方程(湍流和其他标量)都会有一个相关的亚松驰因子。在FLUENT中,所有变量的默认亚松驰因子都是对大多数问题的最优值。这个值适合于很多问题,但是对于一些特殊的非线性问题(如:某些湍流或者高Rayleigh数自然对流问题),在计算开始时要慎重减小亚松驰因子。使用默认的亚松驰因子开始计算是很好的习惯。如果经过4到5步的迭代残差仍然增长,你就需要减小亚松驰因子。有时候,如果发现残差开始增加,你可以改变亚松驰因子重新计算。在亚松驰因子过大时通常会出现这种情况。最为安全的方法就是在对亚松驰因子做任何修改之前先保存数据文件,并对解的算法做几步迭代以调节到新的参数。最典型的情况是,亚松驰因子的增加会使残差有少量的增加,但是随着解的进行残差的增加又消失了。如果残差变化有几个量级你就需要考虑停止计算并回到最后保存的较好的数据文件。注意:粘性和密度的亚松驰是在每一次迭代之间的。而且,如果直接解焓方程而不是温度方程(即:对PDF计算),基于焓的温度的更新是要进行亚松驰的。要查看默认的亚松弛因子的值,你可以在解控制面板点击默认按钮。对于大多数流动,不需要修改默认亚松弛因子。但是,如果出现不稳定或者发散你就需要减小默认的亚松弛因子了,其中压力、动量、k和e的亚松弛因子默认值分别为0.2,0.5,0.5和0.5。对于SIMPLEC格式一般不需要减小压力的亚松弛因子。在密度和温度强烈耦合的问题中,如相当高的Rayleigh数的自然或混合对流流动,应该对温度和/或密度(所用的亚松弛因子小于1.0)进行亚松弛。相反,当温度和动量方程没有耦合或者耦合较弱时,流动密度是常数,温度的亚松弛因子可以设为1.0。对于其它的标量方程,如漩涡,组分,PDF变量,对于某些问题默认的亚松弛可能过大,尤其是对于初始计算。你可以将松弛因子设为0.8以使得收敛更容易。
在FLUENT中,可以使用标准SIMPLE算法和SIMPLEC(SIMPLE-Consistent)算法,默认是SIMPLE算法,但是对于许多问题如果使用SIMPLEC可能会得到更好的结果,尤其是可以应用增加的亚松驰迭代时,具体介绍如下:
对于相对简单的问题(如:没有附加模型激活的层流流动),其收敛性已经被压力速度耦合所限制,你通常可以用SIMPLEC算法很快得到收敛解。在SIMPLEC中,压力校正亚松驰因子通常设为1.0,它有助于收敛。但是,在有些问题中,将压力校正松弛因子增加到1.0可能会导致不稳定。对于所有的过渡流动计算,强烈推荐使用PISO算法邻近校正。它允许你使用大的时间步,而且对于动量和压力都可以使用亚松驰因子1.0。对于定常状态问题,具有邻近校正的PISO并不会比具有较好的亚松驰因子的SIMPLE或SIMPLEC好。对于具有较大扭曲网格上的定常状态和过渡计算推荐使用PISO倾斜校正薄型平键。当你使用PISO邻近校正时,对所有方程都推荐使用亚松驰因子为1.0或者接近1.0。如果你只对高度扭曲的网格使用PISO倾斜校正,请设定动量和压力的亚松驰因子之和为1.0比如:压力亚松驰因子0.3,动量亚松驰因子0.7)。如果你同时使用PISO的两种校正方法,推荐参阅PISO邻近校正中所用的方法
出现这个警告,一般来讲,最可能的就是网格质量的问题,尤其是Y+值的问题;在划分网格的时候要注意,第一层网格高度非常重要,可以使用NASA的Viscous Grid Space Calculator来计算第一层网格高度;如果这方面已经注意了,那就可能是边界条件中有关湍流量的设置问题,
18 在FLUENT运行计算时波高,为什么有时候总是出现“reversed flow”?其具体意义是什么?有没有办法避免?如果一直这样显示,它对最终的计算结果有什么样的影响?
这个问题的意思是出现了回流,这个问题相对于湍流粘性比的警告要宽松一些,有些case可能只在计算的开始阶段出现这个警告,随着迭代的计算,可能会消失,如果计算一段时间之后,警告消失了,那么对计算结果是没有什么影响的,如果这个警告一直存在,可能需要作以下处理:
1.如果是模拟外部绕流,出现这个警告的原因可能是边界条件取得距离物体不够远,如果边界条件取的足够远,该处可能在计算的过程中的确存在回流现象;对于可压缩流动,边界最好取在10倍的物体特征长度之处;对于不可压缩流动,边界最好取在4倍的物体特征长度之处。
2.如果出现了这个警告,不论对于外部绕流还是内部流动,可以使用pressure-outlet 边界条件代替outflow边界条件改善这个问题。
26 什么叫问题的初始化?在FLUENT中初始化的方法对计算结果有什么样的影响?初始化中的“patch”怎么理解?
问题的初始化就是在做计算时,给流场一个初始值,包括压力、速度、温度和湍流系数等。理论上,给的初始场对最终结果不会产生影响,因为随着跌倒步数的增加,计算得到的流场会向真实的流场无限逼近,但是,由于Fluent等计算软件存在像离散格式精度(会产生离散误差)和截断误差等问题的限制,如果初始场给的过于偏离实际物理场,就会出现计算很难收敛,甚至是刚开始计算就发散的问题。因此,在初始化时,初值还是应该给的尽量符合实际物理现象。这就要求我们对要计算的物理场,有一个比较清楚的理解。
初始化中的patch就是对初始化的一种补充,比如当遇到多相流问题时,需要对各相的参数进行更细的限制,以最大限度接近现实物理场。这些就可以通过patch来实现,patch 可以对流场分区进行初始化,还可以通过编写简单的函数来对特定区域初始化。
概率密度函数输运输运方程方法(PDF方法)是近年来逐步建立起来的描述湍流两相流
动的新模型方法。所谓的概率密度函数(Probability Density Function,简称PDF)方法是基于湍流场随机性和概率统计描述,将流场的速度、温度和组分浓度等特征量作为随机变量,研究其概率密度函数在相空间的传递行为的研究方法。PDF模型介于统观模拟和细观模拟之间,是从随机运动的分子动力论和两相湍流的基本守恒定律出发,探讨两相湍流的规律,因此可作为发展双流体模型框架内两相湍流模型的理论基础。它实质上是沟通E-L模型和
E-E模型的桥梁,可以用颗粒运动的拉氏分析通过统计理论,即PDF方程的积分建立封闭的E-E两相湍流模型
非预混湍流燃烧过程的正确模拟要求同时模拟混合和化学反应过程。FLUENT 提供了四种反应模拟方法:即有限率反应法、混合分数PDF 法、不平衡(火焰微元)法和预混燃烧法。火焰微元法是混合分数PDF 方法的一种特例。该方法是基于不平衡反应的,混合分数PDF 法不能模拟的不平衡现象如火焰的悬举和熄灭,NOx 的形成等都可用该方法模拟。但由于该方法还未完善,在FLUENT 只能适用于绝热模型。
对许多燃烧系统,辐射式主要的能量传输方式,因此在模拟燃烧系统时,对辐射能量的传输的模拟也是非常重要的。在FLUENT 中,对于模拟该过程的模型也是非常全面的。包括DTRM、P-1、Rosseland、DO 辐射模型,还有用WSGG 模型来模拟吸收系数。
30 FLUENT运行过程中,出现残差曲线震荡是怎么回事?如何解决残差震荡的问题?残差震荡对计算收敛性和计算结果有什么影响?
31数值模拟过程中,什么情况下出现伪扩散的情况?以及对于伪扩散在数值模拟过程中如何避免?
基本含义:由于对流—扩散方程中一阶导数项的离散格式的截断误差小于二阶而引起较大数值计算误差的现象。有的文献中将人工粘性(artificial viscosity)或数值粘性(numerical viscosity)视为它的同义词。
2. 减轻流线与网格线之间的倾斜交叉现象或在构造格式时考虑到来流方向的影响。
3. 至于非常数源项的问题,目前文献中,还没有为克服这种影响而专门构造的格式,但是高阶格式显然对减轻其影响是有利的。
32 FLUENT轮廓(contour)显示过程中,有时候标准轮廓线显示通常不能精确地显示其细节,特别是对于封闭的3D物体(如柱体),其原因是什么?如何解决?
FLUENT等高线(contour)显示过程中,可以通过调节显示的水平等级来调节其显示细节,Levels...最大值允许设置为100.对于封闭的3D物体,可以通过建立Surface,监视Surface上的量来显示计算结果。或者计算之后将结果导入到Tecplot中,作切片图显示。
34 在FLUENT的学习过程中,通常会涉及几个压力的概念,比如压力是相对值还是绝对值?参考压力有何作用?如何设置和利用它?
35 在FLUENT结果的后处理过程中,如何将美观漂亮的定性分析的效果图和定量分析示意图插入到论文中来说明问题?
1.在Fluent中显示你想得到的效果图的窗口,可以直接在任务栏中右键该窗口将其复制到剪贴板,保存;或者打印到文件,保存。
基于fluent的兴波阻力计算本文主要研究内容 本文的工作主要涉及小型航行器在近水面航行时的绕流场及兴波模拟和阻力的数值模拟两个方面。在阅读大量文献资料的基础上,通过分析、比较上述领域所采用的理论和方法,针对目前需要解决的问题,选择合理的方法加以有机地综合运用。具体工作体现在以下几个方面: 1.本人利用FLUENT软件的前处理软件GAMBIT自主建立简单回转体潜器模型,利用FLUENT求解器进行计算,得出在不同潜深下潜器直线航行的绕流场、自由面形状及阻力系数的变化情况。 2.通过对比潜器在不同潜深情况下的阻力系数,论证了增加近水面小型航行器的深度可以有效降低阻力。通过对模型型线的改动,为近水面小型航行器的型线设计提供了一定的参考。通过改变附体形状和位置计算了附体对阻力的影响程度,为附体的优化设计提供了一定的依据。 计算模型
航行器粘性流场的数值计算理论 水动力计算数学模型的建立 根据流体运动时所遵循的物理定律,基于合理假设(连续介质假设)用定量的数学关系式表达其运动规律,这些表达式成为流体运动的数学模型,它们是对流体运动的一种定量模型化,称为流体运动控制方程组。根据控制方程组,结合预先给定的初始条件和边界条件,就可以求解反映流体运动的变量值,从而实现对流体运动的数值模拟预报,形成分析报告。 基于连续介质假设的流体力学中流体运动必须满足要遵循的物理定律: 1) 质量守恒定律 2)动量守恒定律 3)能量守恒定律 4)组分质量守恒方程 针对具体研究的问题,有选择的满足上述四个定律。船体的粘性不可压缩绕流运动,如果不考虑水温对水物理性质的影响,水的密度和分子粘性系数都是常数,同时没有能量的转换,就仅仅需要满足质量守恒定律、动量守恒定律。在满足这些定律下所建立的数学模型称为Navier-Stokes方程。 另外,自由液面的存在也需要建立合适的数学模型。本文是利用FLUENT 进行数值模拟,而软件里面关于自由液面模拟是用界面追踪方法的一种-流体体积法(VOF),基于该方法所建立的数学模型称为流体体积分数方程。另外,高雷诺数下的水动力问题还需要考虑粘性不可压缩流体的湍流运动。对于湍流运动的数值模拟一直是流体力学数值计算的一个难点。直接数值模拟(DNS)目前还仅仅在院校中研究,而且也仅限于二维流体问题。大涡模拟(LES)向工程应用的过渡似乎还没有完成,并且就高雷诺数问题而言,对计算机硬件要求很苛刻。目前,从算法的可行性、硬件要求的可实现性、完成任务所消耗时间和人力等方面看,基于湍流模型的数值计算更为工程实际所接受。本章将会对各种湍流模型加以介绍。 粘性不可压缩流体流动数学模型 连续方程 任何流动问题都必须满足质量守恒方程即:连续方程。根据连续介质假设,单位时间内流体微团的质量变化等于同时间间隔内进入微团的总净质量。按照这一定律,连续方程数学表达式写为: (2.1) 以上是在笛卡尔直角坐标系下表示,上面给出的是瞬态可压流体连续方程。由于对于潜艇粘性流场介质的不可压缩,密度ρ为常数,引入散度算子,则方程(2.1)变成为: (2.2)式中:速度矢量V= { u ,v, w }。上式为粘性不可压缩流体运动的连续方程。 动量方程
生物系统传输过程实验报告 实验报告 课程名称:生物系统传输过程实验 指导老师:叶章颖 成绩:______ 实验名称:流体流动时摩擦阻力系数的测定 实验类型:__探究型实验__ 一、实验目的和要求(必填) 二、实验内容和原理(必填) 三、主要仪器设备(必填) 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析(必填) 一、实验目的 测定流体流动时的沿程阻力系数和局部阻力系数及不同流型下直管沿程阻力系数λ随雷诺数Re 的变化关系。掌握流量压强的测量方法。 二、实验装置 1.实验设备的基本情况 实验流程示意图见图1。 水泵2将储水槽1中的水抽出,送入实验系统,首先经玻璃转子流量计15、16测量流量,然后送入被测直管段测量流体在光滑管或粗糙管的流动阻力,或经10测量局部阻力后回到储水槽,水循环使用。被测直管段流体流动阻力△p 可根据其数值大小分别采用变送器12或空气-水倒置∪型管22来测量。 图1 流动阻力实验流程示意图 1-水箱;2-离心泵;3、4-放水阀;5、13-缓冲罐;6-局部阻力近端测压阀;7、15-局部阻力远端测压阀;8、20-粗糙管测压回水阀;9、19-光滑管测压回水阀;10-局部阻力管阀;11-U 型管进水阀;12-压力传感器;14-流量调节阀; 15、16-水转子流量计;17-光滑管阀;18-粗糙管阀; 21-倒置U 型管放空阀;22-倒置U 型管;23-水箱放水阀;24-放水阀; 专业:生物系统工程 姓名:邵建智 学号:3110100122 日期:2013.9.30 地点: 院楼D228
2.设备的主要技术数据 (1) 被测光滑直管段: 管径d —0.008m ; 管长L —1.69m ; 材料—不锈钢管 被测粗糙直管段: 管径 d —0.010m ; 管长L —1.69m ; 材料—不锈钢管 (2)被测局部阻力直管段: 管径 d —0.015m ;管长 L —1.2m ; 材料—不锈钢管 (3)压力传感器: 型号:LXWY 测量范围: 200 KPa (4)直流数字电压表: 测量范围: 0 ~ 200 KPa (5)离心泵: 型号: WB70/055 流量: 8(m 3/h) 扬程: 12(m) 电机功率: 550(W) (6)玻璃转子流量计: 型号 测量范围 精度 LZB —40 100~1000(L /h) 1.5 LZB —10 10~100(L /h) 2.5 3.实验设备的功能与特点 本实验装置可用于实验教学和科研。利用该实验装置,可学习和掌握光滑直管、粗糙直管的阻力系数与雷诺准数的测量方法;也可学习局部阻力的测量方法;学习几种压差测量方法;加深对流体流动阻力概念的理解。 本实验装置的特点: ⑴ 本实验装置数据稳定,重现性好,能给实验者明确的流体流动阻力概念。 ⑵ 雷诺准数的数据范围宽,可作出102~104三个数量级。能够测量出光滑管、粗糙管的阻力系数与雷诺准数的关系,同时也可以测量阀门局部阻力。 ⑶ 实验采用循环水系统,节约实验费用。 ⑷ 测量系统采用量程不同的两种流量计和压差测量仪表,测量精度较高。 ⑸ 采用压力传感器—数字表系统,测量大流量下的流体流动阻力, 实验数据稳定可靠。 三、实验原理 1. 直管摩擦系数λ与雷诺数Re 的测定 直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数,即)/(Re,d f ελ=,对一定的相对粗糙度而言,(Re)f =λ。 流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时,其管路阻力引起的能量损失为: g P g P P h f f ρρ?=-=21 (1) 又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系(范宁公式) g u d l h g P f f 22λρ== ? (2) 整理(1)(2)两式得 2 2u P l d f ???=ρλ (3)
中华人民共和国煤炭工业部 矿井通风巷道摩擦阻力系数(a标)表 (试行) 主编部门:沈阳煤矿设计研究院 批准部门:煤炭工业部规划设计总院 试行日期:1985年1月1日 整理: 校核: 二ΟΟ三年一月
说明 1.井巷道通风摩擦阻力系数表,是我国自行实测的矿井巷道通风阻力系数,(除锚喷支护外其它各种支护巷道系验证测定)于1983年3月由煤炭工业部设计管理局主持召开了鉴定会,本表系根据鉴定会纪要精神,进行修改后,汇编而成。 2.表中摩擦阻力系数a标是标准状态下(t=20℃,P=760mmHg,ψ=60%)空气重率r=1.2kg ?/m3时的a值。 3.巷道类别划分原则,以支护特征、巷道壁面特征、巷道装备等与摩擦阻力系数相关的影响因素分类,不以巷道使用名称和进、回风道等分类。 4.表中凡是平巷的皆包含无行人台阶的倾斜巷道,凡是斜巷皆指设有行人台阶而言,通风行人巷为不铺轨的巷道,胶带输送机巷均铺设一条单轨轨道。 5.无轨道的锚喷胶带输送机巷道的a值,未能实测,暂可参照锚喷通风行人巷(无轨道、台阶)的a值与胶带机的附加a值综合选取。即光爆凸凹度
150mm,a=(11.6~19.9)×10-4。 6.光面爆破与壁面凸凹度划分的标准以煤炭部制订的“煤矿井巷工程光面爆破、锚杆、喷浆、喷射混凝土支护施工试行规程”为准,普通爆破系指采用光面爆破的煤矿一般常用的爆破方法。 7.巷道壁面平滑与粗糙的划分标准,以粗糙度的平均突起高度为准。混凝土井巷壁面,壁面平滑的粗糙度平均突起高度为0.00025m,壁面粗糙的粗糙度平均突起高度为0.0007m,为测量和选取方便,将壁面经过抹光或粉刷的视为壁面平滑,壁面未经过抹光或未粉刷的视为壁面粗糙。 8.系数值的来源依据,除已注明资料出处之外的实测值,均可查找本资料的附件部分,以便于选取系数值时参考现场条件。 9.本表所给出的a值,应用时需要乘以10-4,并不需再考虑装有设备、台阶和工作面采煤机的a附加值。 10.经实测、资料统计提供各类的a附加值:装有胶带输送机的巷道,a附加值(4~10)×10-4;没有行人台阶的巷道,a附加值(1~3)×10-4;巷道堵塞较严重时,a附加值(3~10)×10-4;弯曲的巷道,a附加值(2~5)×10-4;巷道断面局部变化(单、双轨)a附加值3×10-4;铺轨无道渣填充的平巷a附加值(1~3)×10-4;工作面采煤机的a附加值(6~9)×10-4. 11.1mmH2O=9.80665Pa h摩=(a×L×U/S3)×Q2 =R×Q2
基于FLUENT的水下子弹数值模拟 一、问题介绍 Fluent是目前处于领先地位的CFD软件包之一,它为流体力学领域提供了强大丰富的计算平台。针对各种复杂流动的物理现象,fluent可以采用不同的离散格式和插值方法,在特定区领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合。但是针对特殊的物理情景,其自身无法提供完全近似的物理模型,必须通过其自带的自定义函数UDF(user Defined function)对其进行二次开发。例如,对于水下航行的子弹,现有的模块不能模拟子弹运动过程,只能给定一个逆向的速度入口边界条件来实现,即水动子弹不动。为了更近似的模拟子弹运动过程,需要对FLUENT进行二次开发。 本文采取的方法是利用用户自定义函数UDF,对fluent进行二次改造,采用动网格技术,对子弹匀速运动进行模拟。 二、物理平台 本文用到的软件包括:前处理软件gambit,计算软件fluent12.0,UDF支持语言microsoft visual C++6.0,后处理软件tecplot. Gambit用于建立几何模型,划分网格。本算例采用二维轴对称模型,子弹以一矩形近似代替。 Fluent用于计算子弹运动流场特性,包括速度,压力,阻力等。本算例涉及到子弹运动,需要采用动网格技术,即网格在计算过程不断变化更新,因此通过UDF对fluent进行二次开发。其中UDF是fluent自带的宏命令,其运行环境是C语言,所以必须在计算机中提空支持C语言的运算环境microsoft visual C++6.0(也可以是其他更高版本)。 Tecplot为计算结果后处理软件,可以制作动画,云图等。 三、动网格简介 1.spring based smoothing 弹簧近似光滑模型 2.dynamic layering 动态分层模型 3.local remeshing 局部重构模型 三种动网格技术有自己的使用范围,其中弹簧近似光滑模型对于结构和非结构化网格都适用,对于模拟物体小范围运动或者变形有巨大优势,而对于大范围移动却无法实现,一般情况下此方法很少单独使用,通常是配合后面两种动网格技术使用。网格局部重构模型只适合四面体网格和三角形网格,可以用于模拟大范围平移和旋转,同时在模拟复杂边界移动具有很大优势。动态分层模型只是用于结构化网格,对于三角形和四面体网格则毫无用处。由于本文采用此方法,这里讲具体介绍此模型: 动态分层模型(dynamic layering),对于规则计算域,划分规则四边形网格后,采用此模型有利于实现物体的单方向平动,其优点是不需要网格重构,不会改变运动体周围的网格形态,节约了网格更新的时间,同时能保证网格一致性,提高计算效率。此方法的弱点在于无法模拟物体旋转运动,无论对于二维还是三维模型,只能解决物体平动问题。 此方法的思想是当网格边界缩短小于设定值时自动与上一个网格合并成,而当网格被拉伸小于设定的最大网格线长度时,又自动分裂成两个网格。 无论是哪种动网格模型,对内部的参数设置要求十分严格,若参数设置不当,可能出现
管道的阻力计算 风管内空气流动的阻力有两种,一种是由于空气本身的粘滞性及其与管壁间的摩擦而产生的沿程能量损失,称为摩擦阻力或沿程阻力;另一种是空气流经风管中的管件及设备时,由于流速的大小和方向变化以及产生涡流造成比较集中的能量损失,称为局部阻力。通常直管中以摩擦阻力为主,而弯管以局部阻力阻力为主(图6-1-1)。 图6-1-1 直管与弯管 (一)摩擦阻力 1.圆形管道摩擦阻力的计算 根据流体力学原理,空气在横断面形状不变的管道内流动时的摩擦阻力按下式计 算: (6-1-1) 对于圆形风管,摩擦阻力计算公式可改为: (6-1-2) 圆形风管单位长度的摩擦阻力(又称比摩阻)为:
(6-1-3) 以上各式中 λ——摩擦阻力系数; v——风秘内空气的平均流速,m/s; ρ——空气的密度,kg/m3; l——风管长度,m; Rs——风管的水力半径,m; f——管道中充满流体部分的横断面积,m2; P——湿周,在通风、空调系统中即为风管的周长,m; D——圆形风管直径,m。 摩擦阻力系数λ与空气在风管内的流动状态和风管管壁的粗糙度有关。在通风和空调系统中,薄钢板风管的空气流动状态大多数属于紊流光滑区到粗糙区之间的过渡区。通常,高速风管的流动状态也处于过渡区。只有流速很高、表面粗糙的砖、混凝土风管流动状态才属于粗糙区。计算过渡区摩擦阻力系数的公式很多,下面列出的公式适用范围较大,在目前得到较广泛的采用: (6-1-4) 式中 K——风管内壁粗糙度,mm; D——风管直径,mm。 进行通风管道的设计时,为了避免烦琐的计算,可根据公式(6-1-3)和(6-1-4)制成各种形式的计算表或线解图,供计算管道阻力时使用。只要已知流量、管径、流速、阻力四个参数中的任意两个,即可利用线解图求得其余的两个参数。线解图是按过渡区的λ值,在压力B0=101.3kPa、温度t0=20℃、宽气密度ρ0=1.204kg/m3、运动粘度v0=15.06×10-6m2/s、管壁粗糙度K=0.15mm、圆形风管等条件下得出的。当实际使用条件下上述条件不相符时,应进行修正。 (1)密度和粘度的修正
基于FLUENT的某微型面包车外流场数值仿真分析 摘要:利用UG对某微型轿车进行三维实体建模,将其导入前处理软件ANSYS ICEM中,建立计算域后网格化。用CFD 软件FLUENT对汽车模型的外流场进行三维稳态流动数值模拟,得出汽车周围流场的气流速度和压力分布,并通过计算得到了该车的阻力系数,该仿真分析的数据为进行汽车气动特性分析提供基础,可进一步指导汽车的设计开发。 关键字:汽车空气动力学;计算流体动力学;FLUENT;外流场 ABSTRACT:The 3D model of a mini car is carried out by UG, and then it is introduced into the pre-processing software ANSYS ICEM to establish the computational domain grid. By using the software of CFD FLUENT is to the automobile model flow field numerical simulation of three-dimensional steady flow, flow velocity and pressure distribution of the flow field around the car, the car and the drag coefficient is obtained by calculating, the simulation data for automobile gas analysis provide the basic dynamic characteristics, design and development can further guide the car. Keywords: Automobile aerodynamics;CFD;FLUENT;Outflow field 引言 空气动力学特性是汽车的重要特性之一。汽车行驶时与空气产生复杂的相互作用,承受着强大的气动力,对汽车的行驶状态有着重大影响;汽车行驶时受到的空气阻力与汽车速度平方成正比,汽车克服空气阻力所消耗的功率和燃料与车速的三次方成正比。因此,对汽车外流场空气动力学的研究,不仅可以提高汽车动力性和安全性,还可以提高汽车的燃料经济性。 目前,汽车空气动力学的研究主要有三种方法,即风洞实验、理论分析和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)分析。随着计算机技术的发展,计算流体动力学相对于实验和理论计算具有成本低、周期短等特点,因此受到越来越广泛的应用。CFD方法对于预测和改进汽车的气动性能,指导汽车产品设计具有重要意义[1-2]。故本文采用大型商业化CFD 软件的FLUENT对某微型汽车的外流场进行数值仿线 汽车空气动力学特性与CFD 理论基础1.1 汽车空气动力学特性 在正常道路行驶过程中的汽车,通常受到两种力的作用,这两种力分别为路面与汽车之间的相互作用力和来自空气的力与力矩。其中,前者主要由汽车自身的物理属性和轮胎的滚动阻力系数等决定;另一种则是来自空气作用的力和力矩,取决于汽车的外形设计、行驶速度以及横摆角[3-4]。 气流作用于汽车上分相互垂直的三个方向的力和绕三个轴的力矩,如图1 所示;在图示坐标系中,X 方向是汽车直线行驶方向,通常的气动阻力就是指来流沿X 方向的作用力;Y 轴方向为汽车的侧向力,还有沿Z 轴方向趋于抬起汽车的升力。汽车在道路行驶过程中这三个方向的空气作用力同时存在,相互影响。除上述三个方向的力外,还有绕三个轴方向的力矩,分别为绕X 轴方向的侧倾力矩、绕Y 轴方向的俯仰力矩以及绕Z 轴方向的横摆力矩。
达芬奇1508年提出假设,摩擦系数一般为0.25 阿芒汤1699年,摩擦系数0.3 比尤里芬格1730年,摩擦系数0.3 库伦,十八世纪,确定压力对摩擦系数的影响,并求出几种材料配合的摩擦系数的不同数值。 俄国,科捷利尼科夫、彼得罗夫,十九世纪中叶,摩擦偶件的摩擦系数并非不变摩擦系数影响因素: 1材料本性及摩擦表面是否有膜(润滑油、氧化物、污垢) 2静止接触的延续时间 3施加载荷的速度 4摩擦组合件的刚度及弹性 5滑动速度 6摩擦组合件的温度状态 7压力 8物体的接触特性,表面尺寸,重叠系数 9表面质量及粗糙度 A Static Friction Model for Elastic—Plastic Contacting Rough Surfaces. 形状误差对过盈联接摩擦力的影响分析及其修正 摩擦分类: 1动摩擦力,对应于很大的、不可逆的相对位移,相对位移大小与外施力无关。2非全静摩擦力,对应于很小的、局部可逆的相对位移,位移大小与外施力成正比,称为初位移,微米级。 3全静摩擦力,对应于初位移的极限值,初位移转变成相对位移。 根据运动学特征划分 滑动摩擦、旋转摩擦(变相的滑动摩擦)、滚动摩擦 根据表面状态,是否润滑的特征 1纯净摩擦,无吸附膜、氧化物等 2干摩擦,表面间无润滑油、污垢等 3边界摩擦,表面被一层润滑油分开,润滑油极薄(
0.1微米) 4液体摩擦 5半干摩擦 6半液体摩擦 静摩擦系数,克服两物体的接触耦合、使之摆脱静止状态所耗费的最大切向力对应接触物体所受压力载荷的比率。 滑动摩擦系数,克服两物体相对移动的阻力(超出初位移的范围以外)所耗费的切向力对应接触物体所受压力载荷的比率。 滚动阻力系数,··· 库伦方程,采用的滚动摩擦系数 t——滚动摩擦力,r——圆柱体的半径,p——接触物体所受压力 接触面积、粗糙度、载荷的影响 由于固体表面的粗糙度及波纹度,使得两个固体表面总是在个别的点上发生接触。
载荷增大,各点的直径增大,随后面积的增大主要是由于接触点数目的增多。 名义(几何)接触面积——由接触物体的外部尺寸描绘出来. 轮廓接触面积——由物体的体积压皱所形成的面积;真实面积即轮廓接触面上;轮廓接触面积与压力载荷有关。 真实(物理)接触面积——物体接触的真实微小面积总和,也是压力载荷的函数,并且在名义面积尺寸的1/100000至1/10的范围内变化,由接触表面的机械性能及粗糙度而定。 接触点的总数目及每一个接触点的尺寸随着载荷的增大而增大,但当载荷继续增大时,接触面积的增大主要是依靠接触点的数目的增加,尺寸几乎不再变化。 对于粗糙表面来说,需要耗费更大的力,使凸部变形,从而获得一定的接触面积;光滑表面,凸部变形不大时,就能获得很大的接触面积(试验。