CFX培训教材瞬态模拟.ppt

A Pera Global Company ? PERA China A Pera Global Company ? PERA China ANSYS CFX 培训教材 第六节：瞬态模拟 安世亚太科技（北京）有限公司 原因 自然界几乎所有流动都是瞬态流动! 在以下假设下，可以认为流动是稳态的: 忽略非稳态波动 采用总/时均方法，忽略流动的波动性 (这也是为什么采用湍流模型模化湍流的原因) 在CFD,首选稳态的计算方法 更小的计算代价 更易处理和分析 很多情况下，要求瞬态求解: 空气动力学(Aerodynamics), 如飞行器、汽车等 – 涡脱落(vortex shedding) 旋转机械Rotating Machinery – 转子/静子相互作用, 停车, 飞逸 多相流Multiphase Flows – 自由液面, 空泡动力学 变形计算域Deforming Domains –缸内燃烧 非稳态热传递Unsteady Heat Transfer – 瞬态加热和冷却 更多 瞬态流动的起源 自然的非稳定性 流动的不稳定性或非稳定的初始流动状态导致非稳定流动 例如: 自然对流, 所有尺度的湍流涡, 流动波(重力波, 冲击波) 强迫非稳定性 时间相关的边界条件, 源项驱动的非稳定流场 例如: 喷嘴处的脉冲流, 转子-静子节间的相互影响 Kelvin-Helmholtz Cloud Instability Rotor-Stator Interaction in an Axial Compressor 瞬态CFD 模拟 瞬态流域的模拟都是基于一个指定的时间周期 可能的求解方法: 稳态求解 – 流动变量不随时间改变 时间周期求解 – 流动变量以某种反复的模式波动 也可以通过指定时间间隔的方法简单的进行流动分析. 自由面流动 冲击波的运动 等. 详细分析关心的量 固有频率 ，如.斯特劳哈尔数(Strouhal Number) 时均(Time-averaged)和/或 均方根(RMS)值 与时间相关的参数 (如. 冷却一个热的固体的时间要求, 污染物的扩散时间) 谱数据 – 快速傅里叶变换(FFT) 20 Timestep = 2 s Initial Time = 0 s Total Time = 20 s Coefficient Loops = 5 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Time (seconds) 5 coefficient Loops 通过计算不同离散时间点的方法完成瞬态模拟 在每个时间点，都需要进行计算迭代 如何求解瞬态问题 对稳态计算也有相似的设置 通常的工作流程： 设置分析类型为Transient 指定瞬态求解时间和时间步长 设置物理模型和边界条件 边界条件可以随时间变化 指定初始条件 最好采用符合实际的物理条件, 比如稳态计算结果 指定求解器设置 设定瞬态结果文件(results files), 瞬态统计(transient statistics), 监测点(monitors points) 运行求解器 如何求解瞬态问题 1. 分析类型 在目录树上编辑Analysis Type，设置option为Transient 设置Time Duration 控制求解结束时间 选项: Total Time 求解的总时间 Time Per Run 不计以前计算的所有时间 Maximum Number of Timesteps 包括以前所完成的计算时间步 Number of Timesteps per Run 对本次求解有效. 不计以前完成的时间步 2. 时间长度和步长 2.时间长度和步长 设置Time Step size 控制两计算时间点之间的间隔 选项: Timesteps / Timesteps for the Run 可采用不同的方式, 例如 0.001 0.001, 0.002, 0.002, 0.003 5*0.001, 10*0.05, 20*0.06 Adaptive 通过设定收敛标准或Courant数的方法，在规定的范围内，时间步可以动态的改变 2.时间长度和步长 在瞬态模拟中，时间步尺寸是一个很重要的参数 求解与时间相关的特征的时候，需要时间步较小 … 实际值 时间 关心的变量 Dt 时间 关心的变量 Dt 时间步较大， 求解点通常不能反映真实的现象 小的时间步， 求解点可以反映真实的现象 2.时间长度和步长 … 为了维持求解器的稳定性，也需要较小的时间步 关心的量可能变化缓慢 (例如. 固体内的稳定变化), 如果其它量(如, 速度)具有较小的时间尺度，就不能采用较大的时间步 Courant数常用于评估时间步: 在一个时间步内，流体通过的网格的数目 Courant数通常介于2 –