1、CFX前處理計(jì)算域,講座 3,計(jì)算域是一些空間的區(qū)域, 流動(dòng)控制方程或是熱傳遞方程在這個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行求解 只有在此次計(jì)算中使用的計(jì)算域中的網(wǎng)格成分被包含,計(jì)算域,流體計(jì)算域,固體計(jì)算域,旋轉(zhuǎn)計(jì)算域,靜態(tài)計(jì)算域,如何創(chuàng)建一個(gè)計(jì)算域,如下所示,選項(xiàng)面板: 基本設(shè)置 位置: 只有裝配或是三維原文件可被選擇 計(jì)算域類型:流體, 固體, 或多孔介質(zhì) 流體列表: 選擇不同的流體 固體列表: 選擇不同的固體材料 坐標(biāo)系: 選擇一個(gè)坐標(biāo)系, 所有的輸入計(jì)算域?qū)⒖歼@個(gè)坐標(biāo)系. 粒子追蹤 (拉格朗日方法): 選擇粒子的類型,計(jì)算域創(chuàng)建,選項(xiàng)面板: 計(jì)算域模型 參考?jí)毫?稍后討論 浮力: - 重力矢量成分 - 參考

2、密度 - 浮力理論在這個(gè)講座的結(jié)尾理論部分中說(shuō)明 運(yùn)動(dòng)計(jì)算域: 靜止或是旋轉(zhuǎn) (角速度和旋轉(zhuǎn)軸,涉及或不涉及交替旋轉(zhuǎn)模型),計(jì)算域創(chuàng)建,參考?jí)毫υO(shè)置,在ANSYS CFX中, 用戶在開(kāi)始一個(gè)模擬前,必須為這個(gè)模擬指定一個(gè)參考?jí)毫? 它代表絕對(duì)壓力數(shù)據(jù),所有的相關(guān)壓力都是基于此而衡量的 參考?jí)毫κ怯糜诒苊馑纳嵛迦霑r(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)誤,也就是說(shuō)當(dāng)在一個(gè)流體區(qū)域內(nèi)動(dòng)壓的差異與絕對(duì)壓力的水平可以比較的時(shí)候. (實(shí)例見(jiàn)下頁(yè)),在定義計(jì)算域時(shí)指定,在定義邊界條件時(shí)指定,參考?jí)毫υO(shè)置,實(shí)例: 對(duì)于低速的大氣空氣流P 是很小的值 (e.g., 1 Pa) 當(dāng)動(dòng)壓的變化動(dòng)壓的差異與絕對(duì)壓力的水平可以比較的時(shí)候 (例如:

3、液體流動(dòng)), 0Pa 的參考?jí)毫梢员皇褂脹](méi)有任何問(wèn)題,沒(méi)有參考?jí)毫?Pabsolute 100, 000 Pa Prange 100, 000 Pa 100, 001 Pa,有參考?jí)毫?Pabsolute 100, 000 Pa Preference 100, 000 Pa Prange_relative 0 - 1 Pa,這些小的壓力變化,在進(jìn)行計(jì)算時(shí)會(huì)由于舍入誤差而被丟失,因?yàn)樗麄冎淮砹说诹鶄€(gè)重要的數(shù)位,這些變化代表了第一個(gè)重要的數(shù)位,參考?jí)毫?邊界條件,在結(jié)果文件中的壓力值不包含靜水壓的貢獻(xiàn), 所以靜水壓的數(shù)值要在結(jié)果加上參考?jí)毫Φ闹挡攀菍?shí)際壓力的值 如果流動(dòng)是考慮浮力的并且參考?jí)毫?/p>

4、設(shè)置為0Pa,靜水壓的貢獻(xiàn)就會(huì)被考慮到結(jié)構(gòu)之中 對(duì)于不考慮浮力的流體來(lái)說(shuō)，靜水壓就不存在 當(dāng)邊界條件和初始條件被指定時(shí)，他們的值是相對(duì)于參考?jí)毫Φ闹?，除了?dāng)系統(tǒng)變量p 按照絕對(duì)壓力的形勢(shì)在CFX表達(dá)式中被使用 (CEL),熱傳遞模型 無(wú)熱傳遞, 等溫, 熱能, 總能 湍流模型 適用于不同復(fù)雜程度的多種湍流模型, 默認(rèn)k-Epsilon 模型 湍流壁面函數(shù) 根據(jù)湍流模型自動(dòng)設(shè)置 反應(yīng)或燃燒模型 只有當(dāng)多組成分在一個(gè)計(jì)算域中同時(shí)被選擇時(shí)，這個(gè)選項(xiàng)才會(huì)被激活 熱輻射 多種熱輻射模型可以被選擇 (細(xì)節(jié)請(qǐng)參閱Radiation Modeling 部分) 附加變量細(xì)節(jié) 當(dāng)附加變量被指定時(shí)，此選項(xiàng)可選,計(jì)算

5、域類型流體模型,在此次講座的理論部分有詳細(xì)說(shuō)明,固體計(jì)算域代表了固體區(qū)域，熱傳導(dǎo)的方程在其中被求解，但是其中沒(méi)有流動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生 (共軛傳熱) 固體計(jì)算與允許設(shè)置不同種類的模型 熱傳導(dǎo)方程 熱能 熱輻射模型 無(wú)輻射模型, 蒙特卡洛模型,計(jì)算域類型固體模型,計(jì)算域多孔區(qū)域,利用這個(gè)模型可以模擬這樣的流動(dòng)現(xiàn)象，即由于幾何形狀過(guò)于復(fù)雜，而無(wú)法進(jìn)行網(wǎng)格劃分的情況,Images Courtesy of Babcock and Wilcox, USA,體積空隙率 模擬阻礙效果和增加流速 當(dāng)?shù)亓黧w體積和總物理體積的比率 多孔損失模型 各項(xiàng)同性損失模型 定向損失模型 在下面有詳細(xì)說(shuō)明,計(jì)算域多孔區(qū)域,1,0.75

6、,0.5,0.25,0,各向同性損失模型 各向同性動(dòng)量損失可以用線性或是二次阻力系數(shù)來(lái)指定，或是通過(guò)使用滲透性和損失系數(shù)來(lái)指定. 這個(gè)模型適用于各項(xiàng)同性多孔區(qū)域。 定向損失模型 在多數(shù)情況下，一個(gè)特定的阻力損失會(huì)發(fā)生在一個(gè)特定的方向上.在流向的垂直方向上抑制流動(dòng)。在這種情況下，就需要一個(gè)能模擬整流器效果的同時(shí)而又無(wú)需構(gòu)建這些阻礙物周圍的幾何細(xì)節(jié)的模型，例如蜂窩器，多孔平板，導(dǎo)向葉片等裝置. 對(duì)于此類的模擬, ANSYS CFX 允許在流向和其垂直方向上各自指定損失系數(shù)。,計(jì)算域多孔區(qū)域,滲透性和損失系數(shù) 這個(gè)模型指定了Darcy法則中的滲透性系數(shù)和損失系數(shù). 表層/ 真實(shí)速度 由內(nèi)碼（由模型假

7、定的）求解出的速度是流體的表層速度. 在多孔區(qū)域中，真實(shí)地流體速度由于流體體積的減小而會(huì)有所增大.有時(shí)一個(gè)損失模型會(huì)依據(jù)于真實(shí)速度而非表層速度建立. 如果這種情況發(fā)生的話，指定的系數(shù)必須進(jìn)行合理的調(diào)整： 滲透性必須乘上空隙率，而損失系數(shù)要除上空隙率的平方.,計(jì)算域多孔區(qū)域,線性和二次阻力系數(shù) 一個(gè)各項(xiàng)同性的源有時(shí)也需要使用線性或是二次阻力系數(shù)來(lái)構(gòu)建CR1 和 CR2. 這些系數(shù)與滲透率和損失系數(shù)的關(guān)系如下： 順流向系數(shù)乘數(shù) 只在定向損失模型中可使用 橫向系數(shù)應(yīng)指定為指定系數(shù)乘上順流向系數(shù). (如果順流向損失包括滲透性，則橫向滲透性要除以，而不是乘上這個(gè)系數(shù)). 橫向乘數(shù)通常在10-100之間.

8、,計(jì)算域多孔區(qū)域,流體列表,在計(jì)算域中待求解的流體 在下拉菜單中選擇當(dāng)前可用的材料 通過(guò)點(diǎn)擊 獲得其他的材料,在材料庫(kù)中部分已存的材料,流體列表,Creating/Editing Materials,一種材料可以通過(guò)在過(guò)程樹(shù)的“Materials” 上單擊右鍵來(lái)進(jìn)行創(chuàng)建或編輯,多組分流體,ANSYS CFX可以模擬任意數(shù)量的混合流體的組分,CTRL,多組分流體,每一個(gè)組分的流體可能有一整套自己的物理特性. ANSYS CFX求解器將會(huì)在流域中的每個(gè)控制體內(nèi)計(jì)算合理的平均值，用以計(jì)算流體流動(dòng). 這些平均值依據(jù)于各組分物理特性的數(shù)值以及每個(gè)組分在控制體內(nèi)的比率. 在多組分流中，假定流體中多種成分在

9、分子的程度上混合，也就是說(shuō)它們有相同的平均速度場(chǎng)，壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)，質(zhì)量的傳輸通過(guò)對(duì)流和擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn). 更復(fù)雜的情況是存在有流體交界面時(shí)，這時(shí)不同的組分在一個(gè)大的尺度上混合, 這樣可能有不同的速度和溫度場(chǎng)，這種情況下我們把它叫做多相流.,可壓縮流體模型,可壓縮流在ANSYS CFX前處理中是通過(guò)使用總能方程連同使用理想流體、或真實(shí)流體、或密度是壓力的函數(shù)的通用流體來(lái)實(shí)現(xiàn)的. ANSYS CFX 可以計(jì)算亞音速 (速度小于音速), 超音速 (速度大于音速)以及跨音速 (速度接近于音速) 的流體. 超音速流動(dòng)現(xiàn)象通常比亞音速或是不可壓縮流體問(wèn)題更難求解.只是由于在超音速流體的特性中存在高度的非線性情況

10、,特別是當(dāng)有激波產(chǎn)生的情況下. 如果在解決超音速的流動(dòng)問(wèn)題時(shí)，當(dāng)?shù)氐鸟R赫數(shù)超過(guò)2, ANSYS CFX求解器會(huì)使用一個(gè)內(nèi)部的迭代來(lái)重新線性化連續(xù)性方程來(lái)穩(wěn)定求解過(guò)程. 輸出的文件將在收斂進(jìn)程中把這個(gè)循環(huán)顯示成一個(gè)額外的連續(xù)性方程曲線 (p-Mass) (在湍流方程后),可壓縮流體模型,對(duì)于可壓縮流體而言，壓力值總是需要在模擬的邊界條件中設(shè)置一個(gè)的, 這個(gè)設(shè)置可以在入口，出口或是自由流出口處設(shè)置 (在瞬態(tài)可壓縮流模擬中，出示條件可以設(shè)置為壓力值). 壓力等級(jí)也可以在指定的位置進(jìn)行設(shè)置，點(diǎn)擊求解器控制對(duì)話框中的高級(jí)標(biāo)簽，使用壓力等級(jí)信息這個(gè)選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置. 如果壓力等級(jí)沒(méi)有被設(shè)置ANSYS CFX求

11、解器將會(huì)在節(jié)點(diǎn)1位置設(shè)置一個(gè)值為0的相對(duì)壓力. 在求解的過(guò)程中，這里可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)的相對(duì)壓力, 如果參考?jí)毫σ埠苄?，?huì)導(dǎo)致負(fù)的絕對(duì)壓力值, 這樣會(huì)產(chǎn)生物理意義上的不一致. ANSYS CFX求解器將會(huì)試圖計(jì)算帶有負(fù)值絕對(duì)壓力的密度，當(dāng)然也會(huì)計(jì)算失敗.,計(jì)算域 相當(dāng)于流體控制方程在其中求解的區(qū)域 要求解的方程取決于在計(jì)算與中所選擇的物理模型,關(guān)鍵點(diǎn),計(jì)算域 理論,控制方程,連續(xù)性方程,動(dòng)量方程,能量方程,其中,守恒方程,物理模型熱傳導(dǎo),在流體域中的熱傳導(dǎo)是通過(guò)能量輸運(yùn)方程來(lái)控制的,源項(xiàng),粘性項(xiàng),對(duì)流項(xiàng),瞬態(tài)項(xiàng),傳導(dǎo)項(xiàng),NONE: 能量輸運(yùn)方程沒(méi)被求解 等溫: 流體的特性是溫度相關(guān)的，但是能量輸運(yùn)方

12、程沒(méi)被求解 熱能: 能量輸運(yùn)方程被求解但是其中不包括粘性項(xiàng)做功 總能: 這種情況模擬了焓的傳輸并包含了動(dòng)能效應(yīng). 這個(gè)模型應(yīng)該用于氣體流動(dòng)，其中流速超過(guò)0.2馬赫, 以及高速液體流動(dòng)，其中粘性熱效果在邊界層中提升，動(dòng)能效應(yīng)變得重要.,物理模型共軛傳熱,在固體域中的熱傳導(dǎo)是使用對(duì)流方程在進(jìn)行模擬的 在固體域中的輻射是可以在CFX中進(jìn)行模擬的 (下面有詳細(xì)說(shuō)明),源項(xiàng),瞬態(tài)項(xiàng),對(duì)流項(xiàng),湍流流動(dòng)是指不穩(wěn)定的，三維的伴隨能量消耗的自然流動(dòng)現(xiàn)象. 更多的湍流將會(huì)導(dǎo)致混合效果的改善，熱傳導(dǎo)的改善，更大的壓力降和更大的噪聲，因此準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)湍流是非常必要的,物理模型湍流,為什么我們需要一個(gè)湍流模型? Navi

13、er-Stokes方程在描述層流和湍流時(shí)是沒(méi)有特別區(qū)分的 隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的增強(qiáng)，大量高階和高次的運(yùn)算式可以進(jìn)行，這樣可以進(jìn)行對(duì)Navier-Stokes方程進(jìn)行直接數(shù)值模擬(Direct Numerical Simulation DNS) . 由于硬件系統(tǒng)的局限，一個(gè)實(shí)用的選擇，也就是CFD中的湍流模型，出現(xiàn)了。,物理模型湍流,RANS 方程 出于工程應(yīng)用的目的，將非穩(wěn)態(tài)的Navier-Stokes方程組按照時(shí)間平均就獲得了 RANS 方程 雷諾平均N-S方程:Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations. 這個(gè)模型是將每個(gè)物理量分解成兩部分：平均值和

14、脈動(dòng)量. 作為時(shí)間平均的副產(chǎn)品,一些未知項(xiàng)就會(huì)在脈動(dòng)量中產(chǎn)生 (雷諾應(yīng)力, 熱以及質(zhì)量流) 湍流模型就是用于在數(shù)學(xué)上模擬這些額外的應(yīng)力和標(biāo)量流量的,物理模型湍流,在此可以選擇許多種湍流模型, 一些有非常特定的應(yīng)用范圍，而另一些則有更廣泛的應(yīng)用和很成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),Eddy-viscosity Models: 1) Zero Equation model. 2) Standard k- model. 3) RNG k- model. 4) Standard k- model. 5) Baseline (BSL) zonal k- based model. 6) SST zonal k- based

15、 model. 7) (k-)1E model.,Reynolds-Stress Models (RSM): 1) LRR Reynolds Stress 2) QI Reynolds Stress 3) Speziale, Sarkar and Gatski Reynolds Stress 4) SMC- model 5) Baseline (BSL) Reynolds Stress model,Eddy Simulation Models: 1) Large Eddy Simulation (LES) transient 2) Detached Eddy Simulation (DES)

16、transient Additional License Required 3) Scale Adaptive Simulation SST (SAS) transient,物理模型湍流,標(biāo)準(zhǔn) k- 模型 這個(gè)模型被稱為“工業(yè)用CFD” 標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗峁┝嗽跀?shù)值計(jì)算消耗和計(jì)算精度之間的一個(gè)優(yōu)異的平衡點(diǎn). 速度和特征長(zhǎng)度都在這個(gè)模型中使用單獨(dú)的輸運(yùn)方程進(jìn)行求解 (湍流動(dòng)能, k, 和湍流耗散率,) 局限 分離預(yù)測(cè) 漩渦 存在大曲率的流線,物理模型湍流,k- 模型 k-模型假定湍流粘性是和湍流動(dòng)能(k)和湍流頻率()相關(guān)的 ，通過(guò)下面的公式: 這個(gè)模型沒(méi)有涉及在k-模型中所需要的復(fù)雜的非線性衰減函

17、數(shù)，因此更準(zhǔn)確也更強(qiáng)健. k- 模型其中的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是在對(duì)低雷諾數(shù)計(jì)算時(shí)，它的近壁面處理能力. 低雷諾數(shù)k-模型通常需要近壁面的y0.2,至少也要y+ 2. 在工業(yè)流中，即使是y+ 2在大多數(shù)情況下也很難保證 ，所以出于這個(gè)原因，一個(gè)新的針對(duì)k-模型的壁面處理方式產(chǎn)生出來(lái). 它可以在一個(gè)低雷諾數(shù)的形式和壁面函數(shù)之間光滑的過(guò)渡.,物理模型湍流,剪切應(yīng)力傳輸 (SST) 模型 基于k- 的SST模型解決了湍流剪切應(yīng)力的傳輸，同時(shí)又在湍流開(kāi)端和在負(fù)壓梯度下產(chǎn)生的氣流分離進(jìn)行了高度準(zhǔn)確的預(yù)測(cè).,SST 結(jié)果和試驗(yàn),k- 不能預(yù)測(cè)氣流分離,Experiment Gersten et al.,物理模型湍流,

18、物理模型湍流和近壁面情況,近壁面區(qū)域內(nèi)的速度分布是很重要的: 壓力降 分離 剪切效應(yīng) 回流 湍流模型通常上適用于模擬邊界層以外的流體. 通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)在邊界層內(nèi)的速度分布形式是多種多樣的,物理模型湍流和近壁面情況,通過(guò)對(duì)近壁面速度分布數(shù)據(jù)變量的縮放，這些數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出一個(gè)可預(yù)測(cè)的形式 (從線性過(guò)渡到對(duì)數(shù)形式) 由于近壁面情況經(jīng)常是可預(yù)測(cè)的，壁面函數(shù)可以用來(lái)決定近壁面的速度分布，因此在近壁面出的細(xì)密的網(wǎng)格并不是必須的,線性,對(duì)數(shù)形式,物理模型湍流和近壁面情況,由于近壁面情況經(jīng)常是可預(yù)測(cè)的，壁面函數(shù)可以用來(lái)決定近壁面的速度分布，因此在近壁面出的細(xì)密的網(wǎng)格并不是必須的,u,y,u,y,邊界層,

19、使用壁面函數(shù)模擬邊界層,不使用壁面函數(shù)模擬邊界層,y+ 值反映了第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與壁面的距離,物理模型湍流和近壁面情況,k-epsilon 模型使用壁面函數(shù)，反之 SST 允許求解邊界層 方針 當(dāng)使用壁面函數(shù)時(shí) (e.g. k-epsilon) 20 y+ 100 并且在邊界層中至少有 10 節(jié)點(diǎn) 當(dāng)求解邊界層時(shí) (e.g. SST) y+ 2 并且在邊界層中至少有 15 節(jié)點(diǎn),使用壁面函數(shù),不使用壁面函數(shù),在自然的 (自由對(duì)流) 和混合的 (自由的有作用力的對(duì)流)流動(dòng) 以及重力起非常重要作用的流動(dòng)中, 需要加進(jìn)浮力源項(xiàng). 浮力是由密度變化驅(qū)動(dòng)的，這種變化能在很多中流動(dòng)情況下發(fā)生，通常是由以下這些因素引起: - 當(dāng)?shù)販囟鹊淖兓?(在自然對(duì)流的流動(dòng)中) - 質(zhì)量分?jǐn)?shù)比率的變化 (在多組分流動(dòng)中) - 相變時(shí)密度的差異