CFX培训教材06瞬态模拟

APeraGlobalCompany©PERAChinaANSYSCFX培训教材第六节：瞬态模拟安世亚太科技（北京）有限公司APeraGlobalCompany©PERAChina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(vortexshedding)–旋转机械RotatingMachinery–转子/静子相互作用,停车,飞逸–多相流MultiphaseFlows–自由液面,空泡动力学–变形计算域DeformingDomains–缸内燃烧–非稳态热传递UnsteadyHeatTransfer–瞬态加热和冷却–更多APeraGlobalCompany©PERAChina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-HelmholtzCloudInstabilityRotor-StatorInteractioninanAxialCompressorAPeraGlobalCompany©PERAChina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(StrouhalNumber)–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)APeraGlobalCompany©PERAChina20Timestep=2sInitialTime=0sTotalTime=20sCoefficientLoops=524681012141618Time(seconds)5coefficientLoops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APeraGlobalCompany©PERAChina对稳态计算也有相似的设置通常的工作流程：1.设置分析类型为Transient2.指定瞬态求解时间和时间步长3.设置物理模型和边界条件–边界条件可以随时间变化4.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5.指定求解器设置6.设定瞬态结果文件(resultsfiles),瞬态统计(transientstatistics),监测点(monitorspoints)7.运行求解器如何求解瞬态问题APeraGlobalCompany©PERAChina1.分析类型•在目录树上编辑AnalysisType，设置option为TransientAPeraGlobalCompany©PERAChina•设置TimeDuration–控制求解结束时间•选项:–TotalTime•求解的总时间–TimePerRun•不计以前计算的所有时间–MaximumNumberofTimesteps•包括以前所完成的计算时间步–NumberofTimestepsperRun•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APeraGlobalCompany©PERAChina2.时间长度和步长•设置TimeStepsize–控制两计算时间点之间的间隔•选项:–Timesteps/TimestepsfortheRun•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APeraGlobalCompany©PERAChina2.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APeraGlobalCompany©PERAChina2.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2–10之间,但在一些情况下该值稍高也可以接受–平均的Courant数和最大Courant数在每个时间步求解器.out文件中会显示出来小的时间步会加速收敛SizeElementVelocityNumberCouranttDAPeraGlobalCompany©PERAChina•必要的情况下,边界条件可以是时间的函数–速度,质量流,压力条件,温度,等.都能作为函数表达式–在CEL表达式中使用“t”或者“Time”3.边界条件APeraGlobalCompany©PERAChina•最好采用与物理实际符合的初值条件–经常采用稳态计算的收敛解作为初值•瞬态模拟的初值越准确，瞬态计算得到的初值就越精确–前面几个时间步可能不收敛–为了保证求解器的稳定性，瞬态计算的最初阶段需要较小的时间步–计算获得稳定(周期模式)后，可以忽略开始的几个循环246810121416Time(seconds)4.初始化ResidualsAPeraGlobalCompany©PERAChinaTransientscheme定义瞬态项的数值算法两个隐式时间步格式可选:–FirstOrderBackwardEuler(更稳定)–SecondOrderBackwardEuler(更精确)对大多数瞬态模拟，推荐采用默认的SecondOrderBackwardEuler格式TimestepInitialisation控制前一时间步作为后一时间步计算起点的方式–可以与前一求解的时间步初值(PreviousTimestep)保持一致–或求解器可以通过对前一求解的外推(extrapolate),以获得一更好的计算起点•在高Courant数的情况下，不推荐使用–Automatic(默认)模式，根据Courant数的大小在两种模式之间进行切换5.求解控制APeraGlobalCompany©PERAChina•Min.和Max.Coeff.Loops设置每个时间步内的迭代次数的上下限•争取每个时间步可以在3-5个循环内达到收敛–Complexphysicsmayneedmoreloops•如果在最大循环内没有达到收敛，通常来说减小时间步是较好的选择，而不是增加循环次数–不管收敛与否，求解将转到下一个时间步–监测求解很重要5.求解控制APeraGlobalCompany©PERAChina•瞬态结果(TransientResults)–默认只写出最后的res文件•不包含瞬态求解信息–需要在Output控制下定义TransientResults•TransientResults选项–Standard•写出包括全部结果的文件•将占据大量的磁盘空间–Smallest•写出最小文件，该文件依然可以作为重新计算的初值文件(文件依然较大)–SelectedVariables•写出选取的关心的变量，文件将较小•OutputFrequency–控制结果文件写出的频率6.输出控制APeraGlobalCompany©PERAChina•瞬态统计(TransientStatistics)–对求解变量生成求解统计•Option：算法平均(ArithmeticAverage),RMS,Minimum,Maximum,StandardDeviation和Full(everything)•拾取关心的变量•Start和StopIterationList：定义收集统计开始和结束的时间6.输出控制APeraGlobalCompany©PERAChina6.输出控制MonitorPoints通常用于稳态模拟MonitorCoefficientLoopConvergence在时间步内为每个迭代创建监测记录–用于观察关心量在时间步内是否在收敛–默认的仅仅显示时间步末的检测值Tip:监测一个表达式，在求解器管理器中将创建一个瞬态记录图表.与从瞬态结果文件创建图表，这个方法更加容易，而且不需要写出瞬态结果文件APeraGlobalCompany©PERAChina与稳态输出不同的是，瞬态输出在每个时间步都包括Courant数信息显示在每个时间步的开始处通过检测RMS和MAX残差，确保在时间步结束时达到收敛7.输出谢谢©PERAChina