fluent以及流体力学相关知识.docx
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fluent以及流体力学相关知识
Reynolds应力模型通过求解雷诺应力输运方程来封闭離本方程，可计算各独立雷诺应力分M[10-13]o雳诺应力模型中雷诺应力各分最的输运方程为
才（刊何）+q=马+口+%+兀⑴
式中q——对流项
q=$（坷啊）
马——雷诺应力产生项
py=-p
画匹+呢些｝
D首——湍流扩散项
q=-話+以知■+务
%——应力应变再分配项
%=pf
（du；加;）
+
%——耗散项
Sw；9h}
勾=-2A——
OTjt%
由公式（3」）得到的颗粒轨迹是确定的，称为确定轨迹模型。
但事实上，由于湍流的影响，流体在不同时刻，各个方向上都存在着脉动速度，因此”颗粒在流场中的速度.位曽都会受到这种脉动速度的影响。
所以有必要对前面给出的确定轨迹模型做进一步修正，修正后的轨道模型称为随机轨道模型[201,
根据第二章的知识，流体的瞬时速度可以表示为:
u=u^u（3.4）
其中.1/为流体的平均速度.“为流体的湍流脉动速度。
•当湍流模型为雷诺应力模型时，湍流的脉动速度直接由雷诺应力的三个
正应力分童得到;
（3.6）
将公式（14）代入公式（3」）得到赖粒的随机轨道模型：
竹I・
（3.7）
—EL=_（U+u
%1十―丄（W+种S喜曲J
式中…厂强为颗粒的迟豫时间，代表颗粒在湍流中的扩故特性.
F1書戸
3
随机轨道模型
在隧机紈道噗型中.沿苦颗槪筑迫.fluentrr抿分计克过歪中.颗粒轨道方程中的诜体速度为瞬时速度77+“（0.这样，就可以老虑颗粒的韜流扩散“通过这种方法计葺足芻多的代表性颗粗的轨迹（即^numberoftries"）,湍涯对颗粒的随机注影科就丁灯得列老虑“
FLUENT使用/离散随机游走廩鱼在此种模型屮*假定流体的脉动速度杲关于时间的分
段當昴因数口在漬休泯的待徂生存时问间隔内，这个速度咏动保持为當虽，
在由各向穽性扩散占主导地位帥流动中，小颗粒应该具有均匀分布的特征.但随机游走模
世得到％解在物同匕却杲不真实的；与之相反*箱机游走樸型的汁算结杲显示出颗粒在低湍流区域浓集口
4弟：
上次说到了在进行计算结果评估的时候需要做无关性评价，这个无关性的概念应该怎么去理解呢？
哥：
“这里的无关性验证主要是指网格无关性，在一些特殊在场合中可能包括有时间步长无关性检验。
但是稍微有点数值计算常识的人都知道，计算结果不可能与网格大小无关的。
我们这里的无关是一种近似的概念。
;
弟：
“求真相。
”
哥：
“我们先讨论网格无关的概念，步长无关的概念与这个相似。
数值计算中之所以需要网格，是由所采取的算法密切相关的。
当前的主流偏微分方程数值离散方法都是先计算节点上的物理量，然后通过插值在方式求得节点间的值。
因此，从理论上讲，网格点布置得越密集，所得到的计算结果也越精确。
”
哥：
“但是网格不可能无限制的加密。
主要存在的问题有：
风格越密，计算量越大，计算周期也越长。
而我们的计算资源总是有限的。
其次，随着网格的加密，计算机浮点运算造成的舍入误差也会增大。
因此在实际应用中，使用者总是在计算精度与计算开销间寻求一个比较合适的点，这个点所处的位置就是达到网格无关的阈值。
”
弟：
“你的意思是，网格的数量会影响计算精度，也会影响求解开销，这两个东西是相互矛盾的，使用者需要找到一个比较合适的风格密度，不会损失太多的精度，计算开销上也能过得去，对吧？
”
哥：
“嗯，就是这个意思。
实际上，大部分的情况下，网格加密到一定程度后，计算结果的变化已经相当小了
弟：
“我想我有些明白了。
所谓网格无关性验证，实际上就是验证计算结果对于网格密度变化的敏感性。
也就是不断的改变网格的疏密，观察计算结果的变化，若其变化幅度在允许的范围之内，我们就可以说计算值已经与风格无关了。
但是在实际计算过程中，我们应该怎样去操作呢？
”
哥：
“在实际计算之前，我们就应当对计算过程有一个规划，在划分网格的时候，常常需要根据计算机配置估计能处理问题的规模，通常是估计计算网格的数量，正常情况下，1G的内存大概能求解100W网格。
首先划分相对粗糙的网格进行初步计算，对于试算的结果进行评估，在流场趋势基本正确的情况下逐步加密网格，将多次计算结果进行对比，当然这其中有试验数据作为参考的话效果更好。
”
弟：
“如何加密网格呢？
正常情况下计算模型的风格并非均匀分布的啊”哥：
“你说的没错，我们也只能说是大概的加密。
很多前处理网格划分软件都支持全局网格尺寸设置，可以修改全局网格尺寸。
对于模型的敏感位置，可能需要更加精确的网格控制。
在实际计算中，我们采用2倍加密的方式，也就是说，加密后的网格数量大约是之前的两倍，为了达到目的，我们在2D几何中，每次设置全局网格尺寸为加密前的1.4倍，而3D几何则设置为1.26倍。
”
弟：
“恩，网格无关性的概念我清楚了，你再说说时间步长无关性吧”哥：
“我们知道，瞬态计算中的时间步长选取是有讲究的，太大的时间步长会导致计算发散，而时间步长过小的话，又会大大的增加计算时间，因此我们需要选择一个合理的时间步长。
”
哥：
“和网格无关性的原理一样，我们要选择一个对计算结果影响较小而又满足稳定性要求的步长。
具体的选择方式和网格无关性验证步骤是相同的，所不同的只是时间步长没有维数的差异！
”
弟：
“我明白了。
除了你所说的方法，还有没其它更方便的方式呢？
”哥：
“恩，现在很多计算软件都提供一种称之为网格自适应的算法，就是利用计算结果去调整网格，利用此方法也可以达到网格无关性的目的。
关于网格自适应方面的内容，我们以后再探讨！
”
弟：
“好的，谢谢哥，我下去消化一下！
”
5Gambit检查网格质量参数
Area单元面积，适用于2D单元，较为基本的单元质量特征。
AspectRatio长宽比，不同的网格单元有不同的计算方法，等于1是最好的单元，如正三角形，正四边形，正四面体，正六面体等；一般情况下不要超过5：
1.
DiagonalRatio对角线之比，仅适用于四边形和六面体单元，默认是大于或等于1的，该值越高，说明单元越不规则，最好等于1，也就是正四边形或正六面体。
EdgeRatio长边与最短边长度之比，大于或等于1，最好等于1，解释同上。
EquiAngleSkew通过单元夹角计算的歪斜度，在0到1之间，0为质量最好，1为质量最差。
最好是要控制在0到0.4之间。
EquiSizeSkew通过单元大小计算的歪斜度，在0到1之间，0为质量最好，1为质量最差。
2D质量好的单元该值最好在0.1以内，3D单元在0.4以内。
MidAngleSkew通过单元边中点连线夹角计算的歪斜度，仅适用于四边形和六面体单元，在0到1之间，0为质量最好，1为质量最差。
SizeChange相邻单元大小之比，仅适用于3D单元，最好控制在2以内。
Stretch伸展度。
通过单元的对角线长度与边长计算出来的，仅适用于四边形和六面体单元，在0到1之间，0为质量最好，1为质量最差。
Taper锥度。
仅适用于四边形和六面体单元，在0到1之间，0为质量最好，1为质量最差。
Volume单元体积，仅适用于3D单元，划分网格时应避免出现负体积。
Warpage翘曲。
仅适用于四边形和六面体单元，在0到1之间，0为质量最好，1为质量最差。
另外，在Fluent中的窗口键入：
gridquality然后回车，Fluent能检查网格的质量，主要有以下三个指标：
1.Maxiumcellsquish:
如果该值等于1，表示得到了很坏的单元；
2.Maxiumcellskewness:
该值在0到1之间，0表示最好，1表示最坏；
3.Maxium'aspect-ratio':
1表示最好。
6FLUENT不收敛通常的解决方式
1、一般首先是改变初值，尝试不同的初始化，事实上好像初始化很关键，对于收敛。
2、FLUENT勺收敛最基础的是网格的质量，计算的时候看怎样选择CFL数，这个靠经验
3、首先查找网格问题，如果问题复杂比如多相流问题，与模型、边界、初始条件都有关系。
4、有时初始条件和边界条件严重影响收敛性，曾经作过一个计算反反复复，通过修改网格，重新定义初始条件，包括具体的选择的模型，还有老师经常用的方法就是看看哪个因素不收敛，然后寻找和它有关的条件，改变相应参数。
就收敛了
5、A.检查是否哪里设定有误：
比方用mm勺unit建构的mesh,忘了scale;比方给定的边界条件不合理。
B
从算至发散前几步，看presure分布，看不出来的话，再算几步,看看问题大概出在那个区域。
C网格，配合第二点作修正，就重建个更漂亮的，或是更粗略的来处理。
D再找不出来的话，换个solver。
6、解决的办法是设几个监测点，比如出流或参数变化较大的地方，若这些地方的参数变化很小，就可以认为是收敛了，尽管此时残值曲线还没有降下来。
7、调节松弛因子也能影响收敛，不过代价是收敛速度。
亚松弛因子对收敛的影响
所谓亚松驰就是将本层次计算结果与上一层次结果的差值作适当缩减，以避免由于差值过大而引起非线性迭代过程的发散。
用通用变量来写出时，为松驰因子（RelaxationFactors）。
《数值传热学-214》
FLUENT中的亚松驰：
由于FLUENT所解方程组的非线性，我们有必要控制变化。
一般用亚松驰方法来实现控制，该方法在每一部迭代中减少了变化量。
亚松驰最简单的形式为：
单元内变量等于原来的值加上亚松驰因子a与变化的
积：
分离解算器使用亚松驰来控制每一步迭代中的计算变量的更新。
这就意味着使用分离解算器解的方程，包括耦合解算器所解的非耦合方程（湍流和其他标量）都会有一个相关的亚松驰因子。
在FLUENT中，所有变量的默认亚松驰因子都是对大多数问题的最优值。
这个值适合于很多问题，但是对于一些特殊
的非线性问题（如：
某些湍流或者高Rayleigh数自然对流问题），在计算开始时要慎重减小亚松驰因子。
使用默认的亚松驰因子开始计算是很好的习惯。
如果经过4到5步的迭代残差仍然增长，你就需要减小亚松驰因子。
有时候，如果发现残差开始增加，你可以改变亚松驰因子重新计算。
在亚松驰因子过大时通常会出现这种情况。
最为安全的方法就是在对亚松驰因子做任何修改之前先保存数据文件，并对解的算法做几步迭代以调节到新的参数。
最典型的情况是，亚松驰因子的增加会使残差有少量的增加，但是随着解的进行残差的增加又消失了。
如果残差变化有几个量级你就需要考虑停止计算并回到最后保存的较好的数据文件。
注意：
粘性和密度的亚松驰是在每一次迭代之间的。
而且，如果直接解焓方程而不是温度方程（即：
对PDF计算），
基于焓的温度的更新是要进行亚松驰的。
要查看默认的亚松弛因子的值，你可以在解控制面板点击默认按钮。
对于大多数流动，不需要修改默认亚松弛因子。
但是，如果出现不稳定或者发散你就需要减小默认的亚松弛因子了，其中压力、动量、k和e的亚松弛因子默认值分别为0.2，0.5，0.5和0.5。
对于SIMPLEC格式一般不需要减小压力的亚松弛因子。
在密度和温度强烈耦合的问题中，如相当高的Rayleigh数的自然或混合对流流动，应该对温度和/或密度（所用的亚松弛因子小于1.0）进行亚松弛。
相反，当温度和动量方程没有耦合或者耦合较弱时，流动密度是常数，温度的亚松弛因子可以设为1.0。
对于其它的标量方程，如漩涡，组分，PDF变量，对于某些问题默认的亚更松弛可能过大，尤其是对于初始计算。
你可以将松弛因子设为0.8以使得收敛容易。
1什么叫CFL数？
CFL数是收敛条件，具体是差分方程的依赖域必须包含相应微分方程的依赖域，最简单可以理解为时间推进求解的速度必须大于物理扰动传播的速度，只有这样才能将物理上所有的扰动俘获到。
Timesteppingtechnique是指时
间推进技术，一般有统一时间步长和当地时间步长，而选择当地时间步长也就是当地CFL条件允许的最大时间步长，
采用这种方法能够加速收敛，节省计算时间。
R
CFL条件的来历
在有限差分和有限体积方法中的稳定性和收敛性分析中有一个很重要的概念---
---CFL条件。
CFL条件是以Courant,Friedrichs,Lewy三个人的名字命名的，他们最早
在1928年一篇关于偏微分方程的有限差分方法的文章中首次踢出这个概念的时候，并不是用来分析差分格式的稳定性，而是仅仅以有限差分方法作为分析工具来证明某些偏微分方程的解的存在性的。
其基本思想是先构造PDE的差分方程得到一个逼近解的序
列，只要知道在给定的网格系统下这个逼近序列收敛，那么久很容易证明这个收敛解就是愿微分方程的解。
Courant,Friedrichs,Lewy发现，要使这个逼近序列收敛，必须满足一个条件，那就是著名的CFL条件，记述如下：
CFLcondition:
Annumericalmethodcanbeconvergentonlyifitsnumerical
domainofdependencecontainsthetruedomainofdependenceofthePDE,
atleastinthelimitasdtanddxgotozero.
随着计算机的迅猛发展，有限差分方法和有限体积方法越来越多的应用于流体力学的数值模拟中，CFL条件作为一个格式稳定性和收敛性的判据，也随之显得非常重要了。
但值得注意的是，CFL条件仅仅是稳定性（收敛性）的必要条件，而不是充分条件，举例来说，数值流通量构造方法中的算术平均构造，它在dt足够小的情况下是可以满足CFL条
件，但对于双曲问题而言这种构造方法是不稳定，不可用的。
在双曲问题的现格式方法中，一般取CFL数小于1且在1附近的值，这样沿特征线的
传播不至于偏离得太远或者太近，进而可以保证数值解得准确性。
在抛物型问题中对CFL条件的要求要来得更加严格，因为在下一个时间层上的任意一点上的影响域是所有时间层上所有离散点。
怎样在差分格式中体现抛物型问题的这样一个特点呢？
一般对于显式格式，可以取时间步长dt=O（dx〜2）;更好的方法是采用
隐式格式。
7湍流边界中的物理量的设定
（1）湍流强度（TurbuleneeIntensity）
湍流强度定义为速度脉动的均方根与平均速度的比值。
其计算公式如下：
，旦=0.16（Re）」/8
Uavg
式中，Re为雷诺数（一般都用由当量直径算出的雷诺数）。
例如当Re=50000时，根据公式计算出来湍流强度约为4%通常1<10%称为低湍流强度。
1>10%称为高湍流强度，1=5%通常称为中等湍流强度。
l=0.07L
（2）湍流尺度（TurbuleneeLengthScale）湍动能可以通过湍流强度及平均速度进行估算
式中，L为特征尺寸
k=3/2（%gl）2
（3）湍动能（TurbulentKinetieEngergy）
（4）湍流耗散率（TurbulentDissipationRate湍流耗散率可以利用湍动能、湍流尺寸进行估算
‘3/2
3/4k
式中，C.为k-；模型的经验常数，默认值为0.09.
（5）omega计算（SpecificDissipationRate）
k-omega湍流模型中的omega可以通过下式进行估算:
■1/2
k
C1Tl
式中，K为湍动能；C为k-omega模型的经验常数，默认值为0.09
（6）
100的
湍流粘度比（TurbulentViscosityRatio）湍流粘度比」取值范围通常为1-10。
对于雷诺数非常大的内流场，湍流粘度比可能会比较大，如可能达到量级
（7）水力直径（HydraulicDiameter）水力直径可以利用下式进行计算
4A
L
Fluent边界湍流参数的指定通常采用以上参数的组合a对于内流模型，通常选用湍流强度与水力直径组合
b对于外流场计算模型，可以选择湍流强度与长度尺度组合
8边界条件
边界条件包括流动变量和热变量在边界处的值。
它是FLUENT分析很关键的一部分，设定边界条件必茨小心谨煩。
我们总结了Fluent十犬流动入口和出口边界条件供蔘考&
1＞速度入口边界条件，定义进□边界的速度和标量•性质。
2.压力入口边界条件：
定义进口边界的总压和其他的标量值。
队质量流动入口边界条件：
用于在可压缩流中表示进口的质量流量①在不可压流中不需要，因为密度一定时，速度边界就确定了该值。
冬压力出口边界条件用于表示流动出口处的静压不QM他标量〔当存在回流时）.此时用它代晉流出物边界条件能够提高迭代的收敛性！
趴压力远场边界条件：
用于模拟一个具有自由澀戋的可压缩溢动在无穷远处的指定了m赫数和静力条件的情况。
6,济出物边界条件用于模拟溢动出口处的速度和压力边界条件都不知道时的情况。
这禾电懵况在出口处的济动接近完全发展的流动状态是比较合适，该条件假设在出口的向方向除了压力外其他的流动变量的梯度都是6不适用于压缩流的计算。
进口泄口的边界条件用于模拟在进口处有指定的渣动损失系数』济动方向，周围总压无①畐度的有泄口的进口条件空
3,进气凤扇边界条件：
用于模拟一个外部的进气风扇，有指定的压力上升「流动方向和周围的总压和温度。
9,出口泄口边界条件：
出口处的泄口边界条件，但是要求指定静压和温度。
10,排气风扇边界条件：
出口处的冈扇边界/要求指走静压*
Outflow
JOutflow
Zone
不需指定任何速度和压力信息.由内部区域来传递信息.
边界上保持流量平衡.
在Outflow面上所有参数梯度为零近似于充分发展流
适丿4J于incompressibleflows.
不能和PressureInlet合用；入LI只能是velocityinlet.不能用来模拟密度随时间变化的问题.
当存在回流时，很难收敛
不能模拟最终结果存在回流的物理问题.
Components
MagnitudeandDirection
ZoneNeiiit*Ilnlot
\MocitySprcHcaliunMethodMagnituck.NormdluDoundBry
默认值为均匀流动
Rrkn-nce「rumrAbioluk
VelocityMagntfudc（m（sjfi
VurbolencrSprcficatlonMethodIntensitysdR^r<）raulKDiameterhitbulencehtenilty（%j|~
HydraulicDittmelrr（in）4
■Q
constant▼
21
适用于incompressibleflows.
Staticpressure相应分布.
Totalpressure同样用于compressibleflows将有可能导致非物理解.
OKCancel||
速度设定为负值时，可以用来表示出口.但是必须要保证流最平衡.
PressureInlet
（1）
参数确定：
TotalGaugePressure驱便流体运动的能呈.
]i心
.t'Mum:
StaticGaugePressure超音速流动时静压；亚音速时忽略从该边界初始化时有用
TotalTemperatureCompressiblenows：
对于不町压流作为静温.=几„（|+〒M丫
InletFlowDirection
Incompressibleflows:
Pz
2
PressureInlet⑵
注意的是Gaugepressure必须给定.
=p沪昨+
Operatingpressure定义：
DefinetOperatingConditions
同时适用compressible和incompressibleflows.Fluent计算时采用staticpressureandvelocity通过斥力面的通量由内部条件和流动方向决定.
可以被用作模拟“Freb面.
zl
可以被用来模拟自由流.
■
■
•般用于compressible;也可用于incompressibleflows.Totalpressure由输入变量求得.
和pressureinlet相比.收敛性差
[outlet
GaugeRrvtMrr（mm^）0
PrvsturrDiHKI—
ReckkwTeteiTrftriurw（h）330cwtitaM
TiwMimceS^ec4lc4Uoi*Mv«iodtetcnwtyandIS<*tUcUftevtatcn»«y（X）2
Wwlu参数确定：
（a）MassFlowRateor（b）MassFlux
（a）给定恒定的流呈
（b）利用profiles/UDF定义StaticGaugePressure
超音速勺效该边界初始化有效.
TotalTemperature
对于不町压流动为静温.
InletFlowDirection
PressureOutlet
给定staticgaugepressure作为出口处的环境压力.以定义径向的压力分布.
Backflow
收敛过程出现最终结果如此.
适用于compressible和incompressibleflows在超音速条件下，忽略所给定的压力值.
OKJX*
方向是垂直于边界.
Outflow
FbwRateWeighting1
多通道出口
一|Outflow
ZMeName
IOUtflOM-4
不需指定任何速度和压力信息.由内部区域来传递信息.边界上保持流境平衡.
在Outflow面上所有参数梯度为零近似于充分发展流
适丿于incompressibleflows.
不能和PressureInlet合用；入LI只能是velocityinlet.不能用来模拟密度随时间变化的问题.
为存在回流时，很难收敛
不能模拟最终结果存在回流的物理问题.
可以利用PressureOutlet和Oulflowboundaries.
PressureOutlets
Outflow:
出口流量定义如下：
m^RW/SFRWjwhere0FRW为1表示均匀分布
velocityinlet
frw2
其它的边界条件
PressureFarField
模拟idealgaslaw下的流动.通常给定free-streamMachnumber和静态参数.
ExhaustFan/OutletVent
给定压力损失系数（压力降）以及环境参数
Inlet
升级会员 