FLUENT基本概念與常見問題匯總（一）

2016-09-05 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

1、理想流體和粘性流體

流體在靜止時(shí)雖不能承受切應(yīng)力,但在運(yùn)動(dòng)時(shí),對(duì)相鄰的兩層流體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),即相對(duì)滑動(dòng)速度卻是有抵抗的,這種抵抗力稱為粘性應(yīng)力。流體所具備的這種抵抗兩層流體相對(duì)滑動(dòng)速度,或普遍說(shuō)來(lái)抵抗變形的性質(zhì)稱為粘性。粘性的大小依賴于流體的性質(zhì),并顯著地隨溫度變化。實(shí)驗(yàn)表明,粘性應(yīng)力的大小與粘性及相對(duì)速度成正比。當(dāng)流體的粘性較小(實(shí)際上最重要的流體如空氣、水等的粘性都是很小的),運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度也不大時(shí),所產(chǎn)生的粘性應(yīng)力比起其他類型的力如慣性力可忽咯小計(jì)。此時(shí)我們可以近似地把流體看成無(wú)粘性的, 這樣的流體稱為理想流體。十分明顯,埋想流體對(duì)于切向變形沒有任何抗拒能力。這樣對(duì)于粘性而言,我們可以將流體分為理想流體和粘性流體兩大類。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出,真正的理想流體在客觀實(shí)際中是不存在的,它只是實(shí)際流體在某些條件下的一種近似模型。

2、牛頓流體和非牛頓流體

日常生活和工程實(shí)踐中最常遇到的流體其切應(yīng)力與剪切變形速率符合線性關(guān)系, 稱為牛頓流體。而切應(yīng)力與變形速率不成線性關(guān)系者稱為非牛頓流體。非牛頓流體中又因其切應(yīng)力與變形速率關(guān)系特點(diǎn)分為膨脹性流體,擬塑性流體,具有屈服應(yīng)力的理想賓厄流體和塑性流體等。通常油脂、油漆、牛奶、牙音、血液、泥漿等均為非牛頓流體。非牛頓流體的研究在化纖、塑料、石油、化工、食品及很多輕工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。對(duì)于有些非牛頓流體,其粘滯特性具有時(shí)間效應(yīng),即剪切應(yīng)力不僅與變形速率有關(guān)而且與作用時(shí)間有關(guān)。當(dāng)變形速率保持常量,切應(yīng)力隨時(shí)間增大,這種非牛頓流體稱為震凝性流體。當(dāng)變形速率保持常量而切應(yīng)力隨時(shí)間減小的非牛頓流體則稱為觸變性流體。

3、可壓縮流體和不可壓縮流體

在流體的運(yùn)動(dòng)過程中,由于壓力、溫度等因素的改變,流體質(zhì)點(diǎn)的體積(或密度,因質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量一定),或多或少有所改變。流體質(zhì)點(diǎn)的體積或密度在受到一定壓力差或溫度差的條件下可以改變的這個(gè)性質(zhì)稱為壓縮性。真實(shí)流體都是可以壓縮的。它的壓縮程度依賴于流體的性質(zhì)及外界的條件。例如水在100個(gè)大氣壓下,容積縮小0.5%,溫度從20℃變化到100℃,容積降低4%。因此在一股情況下液體可以近似地看成不可壓的。但是在某些特姝問題屮,例如水中爆炸或水擊等問題,則必須把液體看作是可壓縮的。氣體的壓縮性比液體大得多,所以在一般情形下應(yīng)該當(dāng)作可壓縮流體處理。但是如果壓力差較小,運(yùn)動(dòng)速度較小,并且沒有很大的溫度差,則實(shí)際上氣體所產(chǎn)生的體積變化也不大。此時(shí),也可以近似地將氣體視為不可積縮的。

在可壓縮流體的連續(xù)方程中含密度,因而可把密度視為連續(xù)方程中的獨(dú)立變量進(jìn)行求解, 再根據(jù)氣體的狀態(tài)方程求出壓力。不可壓流體的壓力場(chǎng)是通過連續(xù)方程間接規(guī)定的。由干沒有直接求解壓力的方程,不可壓流體的流動(dòng)方程的求解具有其特殊的困難。

4、層流和湍流

實(shí)驗(yàn)表明,粘性流體運(yùn)動(dòng)有兩種形態(tài),即層流和湍流。這兩種形態(tài)的性質(zhì)截然不同。層流的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)則,各部分分層流動(dòng)互不摻混,質(zhì)點(diǎn)的軌線是光滑的,而且流動(dòng)穩(wěn)定。湍流的特征則完全相反,流體運(yùn)動(dòng)極不規(guī)則,各部分激烈摻混,質(zhì)點(diǎn)的軌線雜亂無(wú)章,而且流場(chǎng)極不穩(wěn)定。這兩種截然不同的運(yùn)動(dòng)形態(tài)在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。

5、定常流動(dòng)和非定常流動(dòng)

以時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)流體流動(dòng)的物理量(如速度、壓力、溫度等)是否隨時(shí)間變化,將流動(dòng)分為定常與非定常兩大類。當(dāng)流動(dòng)的物理量不隨時(shí)間變化,為定常流動(dòng);反之稱為非定常流動(dòng)。定常流動(dòng)也稱為恒定流動(dòng),或者穩(wěn)態(tài)流動(dòng):非定常流動(dòng)也稱為非恒定流動(dòng)、非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。許多流體機(jī)械在起動(dòng)或關(guān)機(jī)時(shí)的流體流動(dòng)一般是非定常流動(dòng),而正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可看作是定常流動(dòng)。

6、亞音速流動(dòng)與超音速流動(dòng)

當(dāng)氣流速度很大或者流場(chǎng)壓力變化很大時(shí),流體就受到了壓速性的影響。馬赫數(shù)定義為當(dāng)?shù)厮俣扰c當(dāng)?shù)匾羲僦?。?dāng)馬赫數(shù)小于1時(shí),流動(dòng)為亞音速流動(dòng);當(dāng)馬赫數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 (如M<0.1)時(shí),流體的可壓速性及壓力脈動(dòng)對(duì)密度變化影響都可以忽略。當(dāng)馬赫數(shù)接近1時(shí)候(跨音速),可壓速性影響就顯得十分重要了。如果馬赫數(shù)大于1,流體就變?yōu)槌羲倭鲃?dòng)。

7、熱傳導(dǎo)及擴(kuò)散

除了粘性外,流體還有熱傳導(dǎo)及擴(kuò)散等性質(zhì)。當(dāng)流體中存在溫度差時(shí),溫度高的地方將向溫度低的地方傳送熱量,這種現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)。同樣地,當(dāng)流體混合物中存在組元的濃度差時(shí),濃度高的地方將向濃度低的地方輸送該組元的物質(zhì),這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。

流體的宏觀性質(zhì),如擴(kuò)散、粘性和熱傳導(dǎo)等,是分子輸運(yùn)性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)平均。由于分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng),在各層流體間交換著質(zhì)量、動(dòng)量和能量,使不同流體層內(nèi)的平均物理量均勻化, 這種性質(zhì)稱為分于運(yùn)動(dòng)的輸運(yùn)性質(zhì)。質(zhì)量輸運(yùn)宏觀上表現(xiàn)為擴(kuò)散現(xiàn)象,動(dòng)量輸運(yùn)表現(xiàn)為粘性現(xiàn)象,能量輸運(yùn)表象為熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。

理想流體忽略了粘性,即忽略了分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量輸運(yùn)性質(zhì),因此在理想流體中也不應(yīng)考慮質(zhì)量和能量輸運(yùn)性質(zhì)——擴(kuò)散和熱傳導(dǎo),因?yàn)樗鼈兙哂邢嗤奈⒂^機(jī)制。

8、數(shù)值離散

我們知道描述流體流動(dòng)及傳熱等物理問題的基本方程為偏微分方程,想要得它們的解析解或者近似解析解,在絕大多數(shù)情況下都是非常困難的,甚至是不可能的。CFD的基本思想就是把原來(lái)在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng),如速度場(chǎng),壓力場(chǎng)等,用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替,通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組,然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近值。這個(gè)將連續(xù)的偏微分方程組及其定解條件按照某種方法遵循特定的規(guī)則在計(jì)算區(qū)域的離散網(wǎng)格上轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組的過程就是數(shù)值離散;離散點(diǎn)就是我們?cè)谟?jì)算前要進(jìn)行的網(wǎng)格劃分;定解條件就是我們?cè)谲浖行枰O(shè)置的邊界條件和初始條件。

控制方程的離散方法主要包括:有限差分法,有限元法,有限體積法,邊界元法,譜方法等等。有限差分法,有限元法及有限體積法是最常用的三種方法,且有限體積法是商用CFD軟件普通采用的方法,Fluent就是使用的這種方法。有限元法與有限體積法不同之處在于,有限元法是將物理量存儲(chǔ)在真實(shí)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上,將單元看成由周邊節(jié)點(diǎn)及型函數(shù)構(gòu)成的統(tǒng)一體;有限體積法則是將物理量存儲(chǔ)在網(wǎng)格單元的中心點(diǎn)上,而將單元看成圍繞中心點(diǎn)的控制體積,或者在真實(shí)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上定義和存儲(chǔ)物理量,而在節(jié)點(diǎn)周圍構(gòu)造控制體。

9、邊界條件和初始條件

邊界條件與初始條件是控制方程有確定解的前提。

邊界條件是在求解區(qū)域的邊界上所求解的變量或其導(dǎo)數(shù)隨時(shí)間和地點(diǎn)的變化規(guī)律。對(duì)于任何問題,都需要給定邊界條件。

初始條件是所研究對(duì)象在過程開始時(shí)刻各個(gè)求解變量的空間分布情況,對(duì)于瞬態(tài)問題,必須給定初始條件,對(duì)于穩(wěn)態(tài)問題初始條件理論上不會(huì)影響計(jì)算的精度和準(zhǔn)確性,但會(huì)影響計(jì)算收斂的速度。

在瞬態(tài)問題中,給定初始條件時(shí)要注意的是:要針對(duì)所有計(jì)算變量,給定整個(gè)計(jì)算域內(nèi)各單元的初始條件;初始條件一定是物理上合理的,要靠經(jīng)驗(yàn)或?qū)崪y(cè)結(jié)果獲得。

10、網(wǎng)格數(shù)量與網(wǎng)格無(wú)關(guān)性

數(shù)值計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的誤差來(lái)源只要有這幾個(gè):物埋模型近似誤差(無(wú)粘或有粘,定常與非定常,二維或三維等等〕,差分方程的截?cái)嗾`差及求解區(qū)域的離散誤差(這兩種誤差通常統(tǒng)稱為離散誤差),迭代誤差(離散后的代數(shù)方程組的求解方法以及迭代次數(shù)所產(chǎn)生的誤差),舍入誤差(計(jì)算機(jī)只能用有限位存儲(chǔ)計(jì)算物理量所產(chǎn)生的誤差)等等。在通常的計(jì)算中,離散誤差隨網(wǎng)格變細(xì)而減小,但由于網(wǎng)格變細(xì)時(shí),離散點(diǎn)數(shù)增多,舍入誤差也隨之加大。由此可見,網(wǎng)格數(shù)量并不是越多越好的。

由上面的介紹,網(wǎng)格數(shù)太密或者太疏都可能產(chǎn)生誤差過大的計(jì)算結(jié)果,網(wǎng)格數(shù)在一定的范圍內(nèi)的結(jié)果才與實(shí)驗(yàn)值比較接近,這樣在劃分網(wǎng)格時(shí)就要求我們首先依據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)大致劃分一個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較(如果沒有實(shí)驗(yàn)值,則不需要比較,后面的比較與此類型相同),再酌情加密或減少網(wǎng)格,再進(jìn)行計(jì)算,再與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較,并與前一次計(jì)算結(jié)果比較,如果兩次的計(jì)算結(jié)果相差較小(例如在2%),說(shuō)明這一范圍的網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果是可信的,即計(jì)算結(jié)果是網(wǎng)格無(wú)關(guān)的。再加密網(wǎng)格已經(jīng)沒有什么意義(除非你要求的計(jì)算精度較高)。但是,如果你用粗網(wǎng)格也能得到相差很小的計(jì)算結(jié)果,從計(jì)算效率上講,就可以完全使用粗網(wǎng)格去完成你的計(jì)算。加密或者減少網(wǎng)格數(shù)量,可以以一倍的量級(jí)進(jìn)行。

11、網(wǎng)格質(zhì)量判定

判斷網(wǎng)格質(zhì)量的主要因素有(以Gambit軟件為例):

Aspect Ratio長(zhǎng)寬比,不同的網(wǎng)格單元有不同的計(jì)算方法,等于1是最好的單元,如正三角形, 正四邊形,正四面體,正六面體等,一般情況下不要超過5:1。
Diagonal Ratio對(duì)角線之比,僅適用于四邊形和六面體單元,默認(rèn)是大于或等于1的,該值越高,說(shuō)明單元越不規(guī)則,最好等于1,也就是正四邊形或正六面體。
Edge Ratio長(zhǎng)邊與最短邊長(zhǎng)度之比,大于或等于1,最好等于1,解釋同上。
EquiAngle Skew通過單元夾角計(jì)算的歪斜度,在0到1之間,0為質(zhì)量最好,1為質(zhì)量最差,最好是要控制在0到0.4之間。
EquiSize Skew通過單元大小計(jì)算的歪斜度,在0到1之間,0為質(zhì)量最好,1為質(zhì)量最差。2D質(zhì)量好的單元該值最好在0.1以內(nèi),3D單元在0.4以內(nèi)。
MidAngle Skew通過單元邊中點(diǎn)連線夾角計(jì)算的歪斜度,僅適用于四邊形和六面體單元,在0到1之間,0為質(zhì)量最好,1為質(zhì)量最差。
Size Change相鄰單元大小之比,僅適用于3D單元,最好控制在2以內(nèi)。
Stretch伸展度。通過單元的對(duì)角線長(zhǎng)度與邊長(zhǎng)計(jì)算出來(lái)的,僅適用于四邊形和六面體單元,在0到1之間,0為質(zhì)景最好,1為質(zhì)量最差。
Taper錐度。僅適用于四邊形和六面體單元,在0到1之間,0為質(zhì)量最好,1為質(zhì)量最差。
Volume單元體積,僅適用于3D單元,劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)負(fù)體積。
Warpage翹曲。僅適用于四邊形和六面體單元,在0到1之間,0為質(zhì)量最好,1為質(zhì)量最差。

12、計(jì)算收斂判定

判斷計(jì)算結(jié)果是否收斂一般要滿足以下條件:

設(shè)置觀察點(diǎn),觀察點(diǎn)處的變量值不再隨計(jì)算步驟的增加而變化;
各個(gè)參數(shù)的殘差隨計(jì)算步數(shù)的増加而降低,最后趨于平緩;
滿足質(zhì)量守恒(計(jì)算中不涉及能量)或者是質(zhì)量與能量守恒(計(jì)算中牽涉及能量)。

特別要指出的是,即使前兩個(gè)判據(jù)都已經(jīng)滿足了,也并不表示已經(jīng)得到合理的收斂解了,因?yàn)槿绻沙谝蛴谠O(shè)置得太緊,各參數(shù)在每步計(jì)算的變化都不是太大,也會(huì)使前兩個(gè)判據(jù)得到滿足,此時(shí)就要再看笫三個(gè)判據(jù)了。

還需要說(shuō)明的就是,一般我們都希望在收斂的情況下,殘差越小越好,但是殘差曲線是全場(chǎng)求平均的結(jié)果,有時(shí)其大小并不一定代表計(jì)算結(jié)果的好壞,有時(shí)即使計(jì)算的殘差很大,但結(jié)果也許是好的,關(guān)鍵是要看計(jì)箅結(jié)果是否符合物理事實(shí),即殘差的大小與模擬的物理現(xiàn)象本身的復(fù)雜性有關(guān),必須從實(shí)際物理現(xiàn)象上看計(jì)箅結(jié)果。比如說(shuō)一個(gè)全機(jī)模型,在大攻角情況下, 解震蕩得非常厲害,而且殘差的量級(jí)也總下不去,但這仍然是正確的,因?yàn)榇蠊ソ窍聦?shí)際流動(dòng)情形就是這樣的,不斷有渦的周期性脫落,流場(chǎng)本身就是非定常的,所以解也是波動(dòng)的,處理的時(shí)候取平均就可以了。

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