Analysis_CFD-中文

桥梁的CFD分析midasFEATrainingSeriesmidasFEATrainingSeries桥梁的CFD分析操作步骤操作步骤文件打开...1.选择[“CFD_mesh.feb”]I.概要CFD分析是将电算分析方法适用于流体力学领域，确认流体的流动并预测流体作用在结构上的荷载的分析方法。通过数值分析方法直接解粘性流动的支配方程式Navier-Stokes方程来确认详细的湍流的流动趋势，靠现有的分析方法几乎是不可能的。因此，在midasFEA中使用对时间平均的RANS方程式并对湍流模型使用有限体积法来计算流体的速度、压力、密度，并通过这些数据确认流体的流动趋势。桥梁的CFD分析不仅要可视化的确认桥梁周边的气流状态，也是为了计算工程上需要的三分力系数。通过CFD分析可获得计算风的三分力，即升力、阻力、扭矩所需的气动力系数(升力系数、阻力系数、扭矩系数)。1CFD(ComputationalFluidDynamics)分析?CFD分析的必要性相对风洞试验来说设计费用相对较低，所以较为经济。风洞试验虽然可以提供较为准确的气动力系数，但是费用较高，在方案投标阶段就做风洞试验是不太现实的。在方案投标阶段可以使用CFD分析确定合理的桥梁基本截面。可以对各种工况进行验算即便是确定了截面后进行风洞试验，因为条件所限也无法对所有可能发生的情况(例如各种风攻角)进行试验。此时可以对主要工况进行风洞试验，对需要进一步验算的部分通过CFD分析进行补充。可以输出可视化的流体流动特性通过表现流体流动特性的可视化结果，更准确地把握结构的特性。通过数值分析或风洞试验可以准确计算风荷载的大小。仅靠CFD分析并不能完全准确地把握风的影响，应与风洞试验互相补充。CFD分析的优点如下：FEA中CFD分析的步骤生成网格定义流动边界定义流动特性定义非线性分析方法确认收敛与否查看分析结果II.导入模型数据1.分析控制在本例题中打开已经建好的模型进行相关操作。因此将省略一般的建模的过程，仅对CFD分析所需的参数和分析方法进行详细的介绍。首先打开文件“CFD_mesh.feb”。为了做CFD分析，必须在分析控制对话框中将分析类型设置为CFD2D。1定常态非定常态操作步骤操作步骤分析分析控制...1.确认分析类型是否设置成了“CFD2D”。2.使用湍流模型的CFD分析的网格控制1:1.31:1.3相邻单元的大小的变化在各方向上不要超过1:1.3。与桥梁截面接触的边界部分的网格大小可以使用下面公式计算。当模型的坐标系如下图所示时，y方向单元的大小如下。y+值参见下面表格中数据。yy+积分到壁面时(DirectionIntegration)0.5～1使用壁面函数时(UseWallFunction)30～3002RefLyyC0.20.0592RefC使用上面公式确定第一个网格的位置后就可以获得适当的网格分布。网格点的分布可以利用双曲正切分布(HyperbolicTangentDistribution)，这样既可以使网格数最少，又可以保证结果的正确度。桥梁的CFD分析midasFEATrainingSeries2III.CFD分析数据操作步骤操作步骤分析边界条件流体边界条件1.边界组[flowbc]2.如下图所示，网格上、下边界使用对称边界，面对流体流动方向的左右面使用远场(Far-Field)边界、与桥梁截面相邻的边界使用固壁(SolidWall)边界。1.边界条件壁面边界(SolidWall)是流速为“0”(无滑动)，满足绝热状态的边界条件，用于定义与结构物的表面接触的部位。远场边界(Far–Field)是远距离流动条件，主要用于网格的最外侧边界上，适用于流动入口和流动出口。对称边界(Symmetric)适用于流动形成对称的部位，因为流体沿着边界会产生滑动，所以又成为滑动条件。在CFD分析中，所有网格组的边必须与其它网格相邻或被定义为边界条件。操作步骤操作步骤分析分析工况1.点击[添加]2.在名称中输入[Steady]3.在分析类型中选择2DCFD(定常态)4.点击[]输出控制键5.勾选[“速度”,“压力”,“紊流]6.点击[]分析控制键7.参见分析控制对话框输入相应参数8.选择“2DCFD(非定常)”类型定义名称为“Unsteady”的分析工况，重复上面4～7步骤2.分析工况输入流体的密度、粘性系数、音速。输入高度(Attitude)和温度(Temperature)可以按照数据库自动计算流体的特性。流体特性输入在远场之外流入的流体的速度和方向(风攻角)。流场风攻角远场边界64桥梁的CFD分析midasFEATrainingSeries3为了计算气动力系数中的升力和扭矩系数，需要输入桥梁截面的宽度。也用于计算雷诺数。参考长度(用于计算Cl、Cm)参考长度(用于计算Cl、Cm)参考长度(用于计算Cd)使用相似法则本例题中没有使用实际桥梁截面的尺寸，而是将截面的宽度定义为1m。为了获得与实际桥梁截面尺寸相同的结果，需要调整粘性系数和远场流速，使其雷诺数(ReynoldsNo.,Re)和马赫数(MachNo.,M)与实际相同。euLRuL:密度:速度:参考长度:粘性系数VelocitySpeedofSoundM室温下空气的音速约为340m/s，本例题的流速为10m/sec，利用马赫数相似法则，远场流速计算如下，10/340/1/msxMmsmsx=0.0294m/sec实际桥梁的宽度为30m，使用空气的平均密度和粘性系数，并利用雷诺数相似法则，可得粘性系数如下：51.2103010.029411.8eRxex=1.47e-9N·sec/m2910109|定义流动特性|粘性模型一般来说雷诺数越大(约1.0e4)，越接近湍流。虽然用雷诺数不能完全区分层流和湍流，但是在大跨悬索桥或斜拉桥中，风速为10m/sec时雷诺数将达到1.0e7，此时应属于湍流状态。▪层流:不使用湍流模型▪q-ω:使用壁面函数即便在较粗的网格下也能获得较好的结果，是比较稳定的数值计算湍流模型。▪k-ωSST:适用于使空气流动变化较大的钝性形状上的湍流模型。▪k-ωBSL:该模型的改善模型为k-ωSST湍流模型。输入由远场外流入的湍流的特性.▪湍流强度(TurbulentIntensity):在平稳的大气中使用小于1%的值。▪湍流粘度比(TurbulentViscosityRatio):在平稳的大气中使用0.1左右的值。▪使用壁面函数:描述在固壁(SolidWall)附近的湍流状态的经验函数,即便网格比较稀疏也可以获得较好的结果。▪直接积分:直接使用湍流方程的边界条件。|定义非线性分析方法–常态|一般输入截面的高度，也有输入与截面宽度相同的值的。参考长度(用于计算Cd)桥梁的CFD分析midasFEATrainingSeries4开始条件是定常态的分析顺序选项。▪从均匀流场:开始做CFD分析时选择该项。▪从前次流场:完成前一个定常态分析后，在这个状态下继续下一个定常态分析时选择该项。一般来说CFD分析是按照定常态非定常态的顺序进行。定常态的分析的目的并不是为了准确求解流动方程，而是为了把握流动趋势，这个过程是进行非定常分析之前的准备阶段。所以在输入收敛条件时可以不是很准确地输入收敛误差，而是通过迭代计算次数进行调整。在此将误差输入一个很小的值后将迭代次数输入2000。如果误差过大，则迭代计算会过快地终止，所以需要输入一个较小的值。收敛(定常态)用于调整数值计算的稳定性和收敛速度。在定常态分析中是通过调整内部假想的时间来调整分析收敛速度。▪CFL数:调整Navier-Stokes方程中对流项的内部时间增量。▪冯纽曼数:调整Navier-Stokes方程中的扩散项的内部时间增量。▪熵修正(EntropyCorrection):调整Navier-Stokes方程的特征值，使用0~0.25值，值越大数值计算会越稳定，但是解有发散的倾向。当分析过程中数值上出现不稳定时，可以采取下列措施：减小CFL数和冯纽曼数(VonNeumannNumber)。增加熵修正值。收敛速度较慢时与调整CFL数和冯纽曼数相比，调整迭代计算次数会更有效果。▪湍流CFL数:湍流方程的CFL数▪湍流冯纽曼数:湍流方程的冯纽曼数参数输出连续分析所需的结果文件，利用此文件可以继续进行下一个定常态分析或非定常态分析。在结束分析时建立流场文件初始条件不能开始就做非定常态分析，需要在定常态分析的基础上再做非定常态分析。收敛(非定常)在非定常分析中要准确分析流动情况，所以确认收敛特性变得非常重要。|定义非线性分析方法–非定常太|▪从定常态流场:以定常态分析结束后的状态为初始状态进行非定常态分析。▪从连续点:以上一个非定常态分析状态为初始状态进行非定常分析。▪最大子迭代计算步骤数:最大迭代计算次数▪误差:误差范围▪在超过最大迭代计算次数时停止分析:即便不满足收敛误差条件，当迭代计算次数超过最大值时将停止分析的选项。桥梁的CFD分析midasFEATrainingSeries5当将该阶段的分析结果作为下个阶段分析的初始条件时，需要生成连续分析用文件。在步骤结果中建立连续分析用文件3.连续分析定常态分析可以看作是为非定常分析进行的数据初始化阶段。CFD分析的顺序一般是定常态分析非定常态分析。时间步骤▪最终时间:分析结束时间▪时间增量:输入时间增量输入约为气动力系数振动周期1/50～1/100的值。因为分析前不知道气动力系数的振动周期，所以按下列方法预测。▪输出间隔系数:输入10表示每10步输出一个结果。与本例题规模类似的桥梁截面，可以经过1000~2000次反复迭代计算获得稳定的流动状态。第一次分析时应选择“从均匀流场”选项，并为了下一阶段的分析应勾选“在结束分析时建立流场文件”选项。定常态为了确认第一次分析的结果是否可靠，可将迭代计算次数设置为200次后进行第二次分析。如果第一次和第二次分析结果的趋势相同，可以认为具备了非定常分析所需的初始条件。在做非定常分析之前，一定要先做定常分析。因为非定常分析要得到正确的流动状态，所以要确认非线性分析是否收敛。如果第一次分析没有收敛则可调整CFL数和冯纽曼数为初始值的10倍，迭代次数增加到50次后再进行计算。如果还是不能收敛，则可减小时间步长使其收敛。上述调整收敛的建议是对本例题的试算得到的结论，当模型的规模、输入的数据范围、分析方法与本例题相似时，可以参照上面方法，但并不是适用于所有模型。如前所述，在定常态分析中经过2000次的反复迭代计算后进行了非定常态分析，下面查看分析结果。4.分析非定常分析用于调整数值计算的稳定性和收敛速度。在非定常态分析中是通过调整内部假想的时间来调整分析收敛速度。▪CFL数:调整Navier-Stokes方程中对流项的内部时间增量。▪冯纽曼数:调整Navier-Stokes方程中的扩散项的内部时间增量。▪熵修正(EntropyCorrection):调整Navier-Stokes方程的特征值，在非定常分析中使用0结果会好一些。当分析过程中数值上出现不稳定时，可以采取下列措施：减小CFL数和冯纽曼数(VonNeumannNumber)。收敛速度较慢时，可以采取下列措施：增加CFL数和冯纽曼数(最大5倍)。增加迭代计算次数(考虑到计算时间最大调整到50倍)减小时间步长。▪湍流CFL数:湍流方程的CFL数▪湍流冯纽曼数:湍流方程的冯纽曼数参数周期＝α或β桥梁的CFD分析midasFEATrainingSeries6IV.查看结果操作步骤操作步骤结果树形菜单非定常非定常时间步骤3000(150)1.双击[速度TVtX(V)]1.速度2.压力操作步骤操作步骤结果树形菜单非定常非定常时间步骤3000(150)1.双击[压力动-压力”]操作步骤操作步骤特性云图1.修改等值线开关选项[True]2.点击[适用]3.湍流操作步骤操作步骤结果树形菜单非定常非定常时间步骤3000(150)1.双