从卡门涡街探讨FLUENT设置逻辑

   之前我们计算过卡门涡街,但是很多设置并没有说清楚为什么,今天我们来详细解释一下这些设置。

    首先1. 导入Mesh文件、2. General设置、3. Check网格这三步都是顺理成章,没什么可说的。

   我们来说一说4. 瞬态设置,无论流体力学还是传热学里都有稳态和瞬态,所谓稳态就是物体的状态不随着时间发生改变,比如说热传导,如果壁面一侧温度为30℃,另一侧为50℃,我们可以很容易的计算出来壁面最终的温度分布是线性的,只要外界环境不变,那就永远是这样一个温度分布,这就是稳态过程;但是在达到线性温度分布之前,温度需要扩散(扩散速度和热扩散系数有关),随着时间的流逝,温度分布是变化的,这个过程就是瞬态过程,最终温度分布会达到稳定即稳态。

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   图1.热传导温度扩散过程
 

   那么是不是说任何过程都有稳态呢?并不是这样的,很多过程并不能稳定下来,比如卡门涡街,涡的脱落随着时间呈周期性变化。再比如水的蒸发,随着时间的推移,水的量一直在减少,因此这样的过程就不是稳态的,计算时只能用瞬态计算。即便是稳态,其前期也一定存在瞬态这样一个过程。因此黑格尔说存在就是合理的,存在就是应当消亡的。万物都是脆弱易逝的。

   5.模型设置,这里保持默认即没有打开传热和湍流模型,这是因为我们只考虑流体流动,不考虑传热现象,因此不必打开能量方程。至于为什么没有打开湍流模型,实际上卡门涡街的形成同雷诺数Re有关,当Re为50~300时,从物体上脱落的涡旋是有周期性规律的;当Re>300时涡旋开始出现随机性脱落;随着Re的继续增大,涡旋脱落的随机性也增大,最后形成了湍流。


   图2.卡门涡街与雷诺数的关系
 

   这里我们之所以使用层流模型,是因为我们设置的进口速度为1m/s,流体密度为1kg/m3,粘度为0.01kg/(m·s),圆柱直径为0.1m,,因此为层流。

6. 材料物性设置,之所以将流体的物性改变,是为了能够更好的产生边界层分离现象。边界层分离有两个必要的条件,一是流体有粘性,二是逆压力梯度,因此将流体的粘度增大了很多,更容易出现效果。


7. 计算域保持默认,所谓计算域,是指计算的区域,我们这里只计算了流体区域,没有固体区没有计算,因此不必设置。如果需要计算圆柱的温度分布,此时需要设置计算域,对应的模型需要改变。边界条件设置,很容易理解,其中将sym1和sym2设置为symmetry,是怕设置成wall,壁面无滑移会对涡的流动产生影响。


8. 初始化有两种,第一种是混合初始化,根据模型系统给一个初始值,第二种是从边界条件中选择初始值。初始化并不会影响计算结果,但是会影响计算时间。


9. 动画设置,只有在初始化之后,才能进行动画设置。所谓动画,其实是将很多图片拼接在一起。最上面一栏是动画的个数,中间的数字5,表示5个单位一张图片,后面的Time Step表示以时间步作为一个单位,也可以以迭代步作为一个单位。


   图3.动画操作
 

10. 单击Solution Animations界面的define按钮,按照如图所示操作。左边的Storage Type是存储方式,In memory表示在内存中存储,这样生成的图片不会占用硬盘空间,但会占用内存,且不能保存。中间的window表示窗口2.

图片


   图4.动画操作
 

11. contours设置:选择pressure,单击display,显示窗口界面会显示压力云图。此处选择什么物理量,最终的动画就会显示什么物理量。


12. 运行计算,计算 unsteady flow 的时候,fluent 是从前一个时间算到下一个时间的,从这个意思上来就认为是“time step”,一个时间接一个时间,而每个时间就相当于一个准稳态,因此计算的时候需要 Max Iterations per Time Step,这个就像你在计算稳态时候需要设置的一样,在达到 iteration 次数之前收敛就完成这个 time step,否则就算到所规定的次数。有关 time step size 的设定。既然是一个时间接一个时间计算的,那就存在一个问题,两个时间之间的间隔是多少?我个人经验是比特征长度除以特征速度所得的时间小二 个量级或者更小,比如流体以入口速度1m/s要经过1米的计算段,那么这个time step size就是 0.01 秒或者更小些。当然这不是最终方案,fluent 中提供了一个调整的判断依据,在每个时间(time step) 计算的 Iterations 在 5-10 次是最理想的。


13. 最后的生成动画,animations-Solution Animation Playback-write,表示将图片拼接成了动画。



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