Fluent常见疑难解答

一、仿真前

1、什么叫初始化?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,因为随着迭代步数的增加,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。

当迭代步数算完,流场仍未收敛,此时可再次点击"计算"按钮继续计算相同次数的迭代,而无需重新初始化后设置更大的步数。


2、Fluent的各种压力概念。

在Fluent中会出现如下几个压力:Static pressure(静压)、Dynamic pressure(动压)、Total pressure(总压)。这几个压力是空气动力学的概念,它们之间的关系为:

Total pressure(总压)= Static pressure(静压)+ Dynamic pressure(动压)

滞止压力等于总压(因为滞止压力就是速度为0时的压力,此时动压为0)。Static pressure(静压)就是压力表测量值。

而在Fluent中,又定义了四个压力:Absolute pressure(绝对压力)、Relative pressure(参考压力),还有:Operating pressure(操作压力)、Gauge pressure(表压)。它们之间的关系为:

Absolute pressure(绝对压力)= Operating pressure(操作压力)+ Gauge pressure(表压)

上面几个压力实际上有些是一一对应的,只是表述上的差别,比如:Static pressure(静压)与Gauge pressure(表压)的意义相同。

对于操作压力,若为不可压缩流动,一般为默认值101325 Pa,若为可压缩流动,则可以把操作压力设为0,把表压看作绝对压力。具体推荐设置如下表:

密度关系式马赫数操作压力
理想气体定律>0.10或约等于流场平均压力
理想气体定律<0.1约等于流场平均压力
关于温度的函数不可压缩不使用
常数不可压缩不使用
不可压缩理想气体不可压缩约等于流场平均压力


3、压力远场与压力出口边界区别。

压力远场是指离出口边界很远处的压力的值,对于出口边界影响很薄弱,出口边界这个面或边上压力值可以不为常数,而是可以发生变化,此边界只能在可压缩流动中使用。而压力出口边界的面或边上压力值为定值。由于在求解时往往压力分布无法确定,但边界上压力一般变化不大,故大多数情况都采用压力出口边界。但少数情况边界面上压力变化可能很大时,需采用压力远场。


4、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?

速度入口的边界条件适用于不可压流动,需要给定进口速度以及需要计算的所有标量值。速度入口边界条件不适合可压缩流动,否则入口边界条件会使入口处的总温或总压有一定的波动。

关于湍流参数的定义方法,根据所选择的湍流模型的不同有不同的湍流参数组合,具体可以参考Fluent用户手册的相关章节,也可以参考王福军的书《计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用》的第214-216页。


5、不能使用自由出流(outflow)的几种情况。

1) 包含压力进口条件;

2) 可压缩流动;

3) 密度变化的非稳定流动。


6、axis与symmetry。

axis是轴对称(单位弧度),二维的对称轴必须是X轴。symmetry是镜像对称(平面对称,单位厚度)。symmetry是将平面对称的问题减小一半,可以是三维的。而axis必须是X方向的,而且计算区域必须位于X轴的上方。


7、如何选择单、双精度解算器?

Fluent的单双精度求解器适合于所有的计算平台,在大多数情况下,单精度求解器就能很好地满足计算精度要求,且计算量小。但在有些情况下推荐使用双精度求解器:

1) 如果几何体包含完全不同的尺度特征(如一个长而壁薄的管),用双精度;

2) 如果模型中存在通过小直径管道相连的多个封闭区域,不同区域之间存在很大的压差,用双精度。

3) 对于有较高的热传导率的问题或对于有较大的长宽比的网格,用双精度。


8、网格无关性验证的一般做法?

网格无关性验证,即判断网格数量是否无关于仿真结果。数值仿真时,网格数量直接影响着计算结果的准确性。网格过少会导致仿真结果不准确,网格过多又会使计算过慢,所以应选取一个适合的网格数量。

首先,将网格尺寸按照从大到小的顺序,分别划分出数量由少到多的不同网格。之后,分别导入Fluent以相同的条件进行仿真。仿真完成后,对比某一个物理量的仿真结果,或是某一方向上物理量的分布。一般,随着网格数量逐渐变多,某物理量的仿真结果会越来越接近,物理量的分布也会逐渐变得一致。这时,在误差允许的情况下,选择能够得到准确结果的数量较少的网格数,进行后续的仿真。这就是网格无关性验证的一般方法。


二、仿真时

1、"turbulent viscosity limited to viscosity ratio of 1.000000e+005 in *** cells"的问题。

湍流粘度比过大,说明计算过程中湍流水平极高,已经达到了实际工况不可能的情况,Fluent对其进行限制。大概率是因为计算过程发散导致,因此需使计算收敛。

出现这个问题可能是因为:(1) 网格质量差(四面体/六面体网格的偏度(skewness)>0.85,三角形/四边形网格的偏度>0.9);(2) 湍流边界条件设置不当,或没有好的初始值。

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。

如果网格质量没有明显问题,可以尝试重新设置湍流边界条件,而非使用默认的湍流动能、湍流黏度比等参数(默认值均为1,此值可能会在一些工况下显得很大,从而提示此问题)。


2、运行计算时出现“reversed flow ...”的问题。

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,有些情况可能只在计算的开始阶段出现这个警告,随着迭代的进行会消失,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。


3、通过流量确定仿真收敛。

在report → flux → mass flow rate中,把所有进出口都选上,计算后会显示进出口流量之差,如果它的值小于总进口流量的1%,并且其他检测量在继续迭代之后基本不发生波动,可以认为仿真的解已经收敛。


三、后处理

1、网格的Y+值及其作用。

在仿真结束后,在 "报告"→"绘图"→"XY图"→右上方"Y轴函数"→下拉框"Turbulence"和"Wall Yplus","表面"选择壁面wall,即可查看网格的Y+值。

Y+是与壁面函数有关的一个参数。通过对边界层的研究,可将边界层分为三个区域:粘性底层(0 < Y+ < 5)、缓冲层(5 < Y+ < 30)和完全湍流层(Y+ > 30)。

这里用两个无量纲物理量u+和y+来定义边界层内的规律:

u^{+}=\frac{u}{v^{*}}

u+表示无量纲速度,u表示边界层内流体速度,τw为壁面切应力。

y^{+}=\frac{yv^{*}}{v}

y+表示到壁面处的无量纲距离,y表示边界层某点到壁面的距离,v表示流体运动粘度m^2/s。

对边界层这三个区域进行了大量的实验,结果表面这三个区域内u+和y+的规律不同。对于粘性底层(0<y+<5),u+与y+近似呈线性关系;对于完全湍流层,u+与y+近似呈对数关系,被称为对数律;对于缓冲层,线性关系曲线和对数律曲线在缓冲层有交点,交点所对应的y+值在11附近。

Fluent利用壁面函数来计算边界层内的流体流动、传热传质等问题。壁面函数是一种由实验规律得到的半经验公式,被用来连接壁面和完全湍流区域之间的粘性影响区域。它以对数律为基础来计算边界层规律,忽视了粘性底层和缓冲层。因此我们画边界层网格时不能画出粘性底层和缓冲层,而要直接画到完全湍流层。也就是说使用壁面函数时不但不需要在边界层内细化网格,反而必须要保证第一层网格处于对数律能够应用的范围。一般情况下,将Y+ = 15处作为可以使用对数律的分界线,所以第一层网格要尽可能保证y+ > 15。

为了留出一定的余量,保证计算结果的准确性,Fluent要求Y+必须大于15,如果y+小于15,Fluent就无法保证求解的准确性。y+的下限为15,y+的上限则取决于雷诺数:

对于高雷诺数:如轮船,飞机等,对数律范围扩大,y+上限可以取到几千,减少网格数量;对于低雷诺数:如涡轮叶片等,Y+上限可以取到100;对于很低的雷诺数:对数律范围很窄,为了保证Y+ > 15,可能会使边界层网格层数很少,计算结果变差,因此不建议使用壁面函数。

 

2、FLUENT中常用的文件格式类型:dbs,msh,cas,dat,trn,jou,profile等有什么用处?  

在Gambit目录中,有三个文件,分别是default_id.dbs,jou,trn文件,对Gambit运行save,将会在工作目录下保存这三个文件:default_id.dbs,default_id.jou,default_id.trn。

jou文件是Gambit命令记录文件,可以通过运行jou文件来批处理Gambit命令;

dbs文件是Gambit默认的储存几何体和网格数据的文件;

trn文件是记录命令行窗口(transcript)信息的文件。Fluent程序退出后,会生成一个TRN格式的文本文件,文件名以“fluent-日期-时间-随机数字”格式命名。TRN文件中记录了Fluent命令行中所有显示过的文本信息。此文件可在Fluent设置的"Preference - General - 取消勾选 Automatic Transcript"停止生成。

msh文件可以在Gambit划分网格和设置好边界条件之后export中选择msh文件输出格式,该文件可以被Fluent求解器读取。

case文件包括网格,边界条件,解的参数,用户界面和图形环境。

data文件包含每个网格单元的流动值以及收敛的历史纪录(残差值)。Fluent自动保存文件类型,默认为date和case文件。

profile文件边界轮廓用于指定求解域的边界区域的流动条件。例如,它们可以用于指定入口平面的速度场。

读入轮廓文件,点击菜单File/Read/Profile...弹出选择文件对话框,你就可以读入边界轮廓文件了。 写入轮廓文件,你也可以在指定边界或者表面的条件上创建轮廓文件。例如:你可以在一个算例的出口条件中创建一个轮廓文件,然后在其它算例中读入该轮廓文件,并使用出口轮廓作为新算例的入口轮廓。要写一个轮廓文件,你需要使用Write Profile面板(Figure 1),菜单:File/Write/Profile。

bat文件是Fluent启动后生成的一个脚本文件,文件名一般以“cleanup-...”开头。此脚本文件的目的是保证Fluent程序正常退出(使用界面右上方的关闭按钮退出)后,可将所有的对应进程全部结束掉,从而释放系统资源。脚本文件在Fluent程序退出阶段自动执行。关闭Fluent后,此文件即可删除。


四、其它

1、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。

在Gambit中先将需要的zone定义出来,对于要随流体流动我觉得这个可以用动网格来处理   在动网格设置界面 将这个随流体流动的zone设置成刚体这样既可以作为zone不影响流体流通   也可以随流体流动。只是其运动的UDF不好定义,最好根据其流动规律编动网格UDF。


2、2D飞机翼型——典型的可压缩外部流动仿真

在Fluent中,当马赫数在0.3以上时,就不能忽略气体的压缩性。所以对于此类可压缩仿真,应选择密度基求解器,并打开能量方程。

对于外部机翼流动问题,推荐使用单方程的Spalart-Allmaras湍流模型。在材料设置中,将空气的密度项设为"ideal-gas",粘度项设为sutherland方程,系数均为默认即可。

关于操作压力,在Fluent中,对流马赫数大于0.1的流动,操作压力推荐为0。

仿真结束后,显示机翼表面网格的y+值,判断网格是否可以接受。对于Spalart-Allmaras模型,y+值的要求要么y+ = 1,要么y+大于等于30。如果网格大部分都大于30,说明此网格可以接受。


3、什么叫PDF方法?Fluent中模拟煤粉燃烧的方法有哪些?

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。



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