Fluent-卡门涡街算例流程

采用Fluent对卡门涡街进行数值分析的完整算例

卡门涡街算例流程

采用Fluent对卡门涡街进行数值分析的完整算例

动机 自然界几乎所有流动都是瞬态的– 下列情况可以近似为稳态: 忽略瞬态的脉动 引入整体的时间平均来消除瞬态影响

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CFD中使用稳态方法的好处是– 更少的计算资源

– 更容易后处理和分析

许多应用要求使用瞬态求解:– 气动(飞机、机车等) – 涡脱落

– 旋转机械 – 动静干涉，失速，喘振,– 多相流– 自由液面，气泡动力学 – 变形域– 内燃机燃烧，投放 – 瞬态换热 – 瞬态加热或冷却

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瞬态流动的根源 自然发生的瞬态流动– 由于流体中不稳定性的增长或者非平衡的初场引发的瞬态流动

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– 例如：自然对流，湍流涡，流动波(重力波、激波)

强迫瞬态流动– 时间平均的边界条件，源项引起的瞬态流动 – 例子：喷嘴的脉冲，旋转机械的动静干涉

Kelvin-Helmholtz Cloud Instability

Buoyant Box Falling Into a Pool of Water

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瞬态CFD分析 模拟指定时间内的瞬态流场– 可以通过以下方法求解: 稳态解 – 流场不再随时间变化 时间周期解 – 流场形态随时间脉动重复出现

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– 目标可以简化为分析预定时间间隔的流动 自由表面流 移动的激波……

抽取关心的变量– 特征频率 (如：斯德鲁哈尔数)– 时间平均或/RMS值 – 时间相关的参数(如，热固体的冷却时间，污染物的停留时间)

– 特殊数据(快速傅立叶变换)

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瞬态流动模拟流程 激活瞬态求解器 设置物理模型和边界条件– 允许设置瞬态边界条件——UDF 或分布文件

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指定初场– 最好用有物理意义的初场，如稳态流场

求解器设置，监测设置 设置动画和数据输出选择 选择时间步和最大迭代次数 设定时间步数 计算

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激活瞬态求解器 在 General 菜单下选择Transient 按钮:

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开始执行迭代前，需要设置附加的控制 – 求解器设置 – 动画 – 数据输出 /自动保存选项

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选择瞬态时间步长 在Run Calculation菜单中设置时间步长， t

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– t 必须小到能解析和时间相关的特征。确定每个时间步的最大迭代步 内能收敛 – 时间步大致可按照下面公式估计:

– 也可以选择能解析流动特征的时间步(在指定脉动周期的情况下) 指定零时间步时迭代，求解器会仅仅在当前时间步下收敛 对许多瞬态流动，PISO格式有助于加速收敛

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瞬态模型选择 自适应时间步长

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– 基于局部截断误差自动调整时间步长– 可以通过 UDF指定 时间平均的统计 – 在使用 LES 时需要使用

在使用密度基求解器时，Courant 数

定义了:– 密度基显式求解器的全局时间步长 – 密度基隐式求解器的伪时间步长 真实时间步长仍然必须在迭代面板中定义

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瞬态流动模型 – 动画 必须在计算前设置动画 – 动画帧在计算中写出并存储

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创建动画的其他方法 另外一个创建动画的方法是利用Execute Commands 可以通过文本命令或宏定义在预定的迭代 步或时间间隔，执行哪些操作 这种方法在创建高质量的动画结果时有用– 定义生成动画帧(云图、矢量图等)并存储文件的命令. – 利用第三方软件把这些文件链接成动画文件

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(AVI, MPG, GIF, 等)

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执行迭代 最通常的时间推进格式是迭代格式– 求解器在当前时间步收敛然后推进到下一 个时间步 – 当Max Iterations/Time Step 达到时，或 者收敛标准满足时，时间推进到下一步 – 各时间步依次收敛直至达到总时间步

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必须定义初始化– 设置流体域的初始质量和流场的初始状态

非迭代时间推进法 (NITA) 可以用于更 快速的计算时间

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收敛行为 瞬态计算的残差图不一定能说明收敛 下图显示了简单问题的瞬态计算残差图 时间步长的选择应该使得在一个时间步内残差下降三个量级 – 这将确保瞬态行为被解析

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瞬态模拟的技巧 压力-速度耦合采用 PISO 格式，比标准SIMPLE 格式更易收敛 选择合适的时间步长以至每个时间步长内能收敛三个量级

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每个时间步的迭代次数大约20次，减少时间步长比增加每步的迭代次数要 好 记住对瞬态问题，精确的初场和边界条件一样重要，初场一定要符合真实

物理条件 在计算前定义希望得到的动画

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卡门涡街算例总流程 网格生成 读入网格 检查网格 指定求解器类型 设置湍流模型 从材料库中调出材料 设置计算域的介质属性 指定边界条件 求解设置，设置离散格式 初始化 求解 后处理

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网格生成 创建项目文件 创建几何体 初始化块(2D or 3D) 创建parts、创建物质点

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