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2017-03-03 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網
第一章 FLOTRAN 計算流體動力學(CFD)分析概述
FLOTRAN CFD 分析的概念
ANSYS程序中的FLOTRAN CFD分析功能是一個用于分析二維及三維流體流動 場的先進的工
具,使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID 141和FLUID 142 單元,可解決如下問題
:
· 作用于氣動翼(葉)型上的升力和阻力
· 超音速噴管中的流場
· 彎管中流體的復雜的三維流動
同時,FLOTRAN還具有如下功能:
· 計算發(fā)動機排氣系統(tǒng)中氣體的壓力及溫度分布
· 研究管路系統(tǒng)中熱的層化及分離
· 使用混合流研究來估計熱沖擊的可能性
· 用自然對流分析來估計電子封裝芯片的熱性能
· 對含有多種流體的(由固體隔開)熱交換器進行研究
FLOTRAN 分析的種類
FLOTRAN可執(zhí)行如下分析:
· 層流或紊流
· 傳熱或絕熱
· 可壓縮或不可壓縮
· 牛頓流或非牛頓流
· 多組份傳輸
這些分析類型并不相互排斥,例如,一個層流分析可以是傳熱的或者是絕熱的,一個紊
流分析可以是可壓縮的或者是不可壓縮的。
層流分析
層流中的速度場都是平滑而有序的,高粘性流體(如石油等)的低速流動就通常是層流
。
紊流分析
紊流分析用于處理那些由于流速足夠高和粘性足夠低從而引起紊流波動的流體流動情況
,ANSYS中的二方程紊流模型可計及在平均流動下的紊流速度波動的影響。 如果流體的
密度在流動過程中保持不變或者當流體壓縮時只消耗很少的能量,該流體 就可認為是不
可壓縮的,不可壓縮流的溫度方程將忽略流體動能的變化和粘性耗散。
熱分析
流體分析中通常還會求解流場中的溫度分布情況。如果流體性質不隨溫度而變,就可不
解溫度方程。在共軛傳熱問題中,要在同時包含流體區(qū)域和非流體區(qū)域(即固體區(qū)域)
的整個區(qū)域上求解溫度方程。在自然對流傳熱問題中,流體由于溫度分布的不均勻性而
導致流體密度分布的不均勻性,從而引起流體的流動,與強迫對流問題不同的是,自然
對流通常都沒有外部的流動源。
可壓縮流分析
對于高速氣流,由很強的壓力梯度引起的流體密度的變化將顯著地影響流場的性質,A
NSYS對于這種流動情況會使用不同的解算方法。
非牛頓流分析
應力與應變率之間成線性關系的這種理論并不能足以解釋很多流體的流動,對于這種非
牛頓流體,ANSYS程序提供了三種粘性模式和一個用戶自定義子程序。
多組份傳輸分析
這種分析通常是用于研究有毒流體物質的稀釋或大氣中污染氣體的傳播情況,同時,它
也可用于研究有多種流體同時存在(但被固體相互隔開)的熱交換分析。
第二章 FLOTRAN分析基礎
FLOTRAN單元的特點
ANSYS中的FLOTRAN單元,即FLUID141和FLUID142,用于解算單相粘性流體的二維和三維
流動、壓力和溫度分布。對于這些單元,ANSYS通過質量、動量和能 量三個守恒性質來
計算流體的速度分量、壓力、以及溫度。
FLUID141單元
FLUID141單元具有下列特征:
維數(shù):二維
形狀:四節(jié)點四邊形或三節(jié)點三角形
自由度:速度、壓力、溫度、紊流動能、紊流能量耗散、多達六種流體的各自質
量所占的份額
FLUID142單元
FLUID142單元具有下列特征:
維數(shù):三維
形狀:四節(jié)點四面體或八節(jié)點六面體
自由度:速度、壓力、溫度、紊流動能、紊流能量耗散、多達六種流體的各自質
量所占的份額
FLUID141單元 FLUID142單元
FLUID單元的其他特征
FLUID單元的其他特征包括:
· 用于模擬紊流的二方程紊流模式
· 有很多推導結果,諸如:流場分析中的馬赫數(shù)、壓力系數(shù)、總壓、剪應力、 壁面處
的y-plus、以及流線函數(shù);熱分析中的熱流、熱交換(膜)系數(shù)等。
· 流體邊界條件,包括:速度、壓力、紊流動能以及紊流能量耗散率。用戶無 需提供
流場進口處紊流項的邊界條件,因FLOTRAN對此提供的缺省值適用 于絕大多數(shù)分析。
· 熱邊界條件,包括:溫度、熱流、體積熱源、熱交換(膜)系數(shù)。
用戶可使用的坐標系有:笛卡兒坐標系、柱坐標系、極坐標系和軸對稱坐標系。如果所
計算的問題是軸對稱的,激活旋轉(swirl)選項即可算出垂直于對稱平面的速度分量。
使用FLOTRAN單元的一些限制及注意事項
FLOTRAN單元的一些局限性:
· 在同一次分析中不能改變求解的區(qū)域
· 單元不支持自由流面邊界條件
· ANSYS程序的某些特征不能同F(xiàn)LOTRAN單元一起使用
· 使用FLOTRAN單元時不能使用某些命令或菜單
· 當使用ANSYS的圖形用戶界面時,程序將只能顯示那些在菜單和對話框中的
FLOTRAN SetUp部分要求了的特征和選項。
FLOTRAN單元使用中的一些限制
當使用FLOTRAN單元時,要避免使用ANSYS的某些特征和命令,至少,要注意到在使用F
LOTRAN單元時與別的分析稍微有些不同,當使用了無效的命令時,程序會給出相應的警
告或錯誤信息。使用FLOTRAN單元要注意如下幾點(下面所列命令相應的菜單路徑請參見
ANSYS命令手冊或聯(lián)機幫助中的“Commands and Their Location in the GUI”
· FLOTRAN單元不能和其他單元聯(lián)合使用。
· 節(jié)點坐標系必須與總體坐標系一致。
· /CLEAR命令并不破壞業(yè)已存在的FLOTRAN結果文件(Jobname.RFL),這 有助于防止
用戶不小心破壞那些花了很多時間和精力才求得的結果,用戶必 須在操作系統(tǒng)里才能刪
除那些無用的結果文件。
· CP命令通過對自由度進行耦合來形成周期邊界條件,ANSYS命令手冊對CP 命令的描述
是可以只對某些自由度進行耦合,但作FLOTRAN分析時,周期 邊界的所有自由度都將被
耦合。
用戶不能對同一個單元中的節(jié)點進行耦合,相鄰單元間節(jié)點耦合也很困難。
· ADAPT命令不適用于FLOTRAN分析。
· 不能用ANTYPE命令來引入FLOTRAN的瞬態(tài)分析。
· FLOTRAN分析不支持自動時間步長功能,詳見“FLOTRAN瞬態(tài)分析”。
· 如果用戶通過BFCUM、BFDELE或BFUNIF來定義節(jié)點熱源,則ANSYS會 在內部用BFE命令
來代替。
· 不能使用LDREAD,FORC命令來電磁載荷轉換到FLOTRAN分析中,而必須 使用相應的宏
來進行轉換。
· FLOTRAN分析不能使用CE、CECMOD、CEDELE和DEINTF命令。
· FLOTRAN分析不能使用CNVTOL命令來設置收斂容差。
· 不能用DSYM命令來定義FLOTRAN的對稱和反對稱邊界條件。
· FLOTRAN不支持旋轉坐標系中的角加速度向量。
· 在FLOTRAN分析中,使用FLDATA4,TIME命令而不是DELTIM命令來定義 一個載荷步的時
間。
· 對于FLOTRAN分析,不能使用DESOL命令或PRESOL命令來修改節(jié)點的熱 (HEAT)、流
(FLOW)、或流密(FLUX)結果。
· FLOTRAN分析不允許將積分點結果外推到節(jié)點上(ERESX命令)。
· FLOTRAN分析不允許通過鏡象操作來形成單元。
· FLOTRAN分析不能用KBC命令來施加漸變載荷,而必須用多個載荷步來逐 漸改變載荷
。
· FLOTRAN分析不允許用LCCALC、LCDEF、LCFA、LCFI等命令來作不同載荷狀況之間的運
算操作。
· NCNV命令中的收斂工具不能用于FLOTRAN中相互獨立的求解器。
· FLOTRAN分析不允許用NEQUIT命令來定義非線性分析的平衡迭代數(shù)。
· FLOTRAN分析要求節(jié)點坐標系必須是總體的卡爾坐標系,故不能用N命令、NMODIF命令
、和NROTAT命令的旋轉(rotational)域。
· FLOTRAN分析中,FLDATA2,ITER命令和FLDATA4,TIME命令用來控制一 個載荷步中的總
體迭代數(shù)。
· FLOTRAN分析不允許用戶自定義單元。
· FLOTRAN分析中,FLDATA2,ITER命令和FLDATA4,TIME命令用來對寫入 數(shù)據(jù)庫中的結果
進行控制。
· PRNLD命令不能用于FLOTRAN分析中,因其不能將邊界條件作為可打印的 單元節(jié)點載
荷來保存。
· FLOTRAN分析中沒有節(jié)點反力解。
· 部分和預定義求解選項(PSOLVE命令定義)不適用于FLOTRAN各自獨立 的求解器。
· TIME命令不能用在FLOTRAN分析中。
· FLOTRAN用FLDATA1,SOLU命令而不是TIMINT命令來定義瞬態(tài)載荷 步。
· FLOTRAN用FLDATA4,TIME命令而非TRNOPT命令來定義瞬態(tài)分析選項。
FLOTRAN分析的主要步驟
一個典型的FLOTRAN分析有如下七個主要步驟:
1. 確定問題的區(qū)域。
2. 確定流體的狀態(tài)。
3. 生成有限元網格。
4. 施加邊界條件。
5. 設置FLOTRAN分析參數(shù)。
6. 求解。
7. 檢查結果。
第一步:確定問題的區(qū)域
用戶必須確定所分析問題的明確的范圍,將問題的邊界設置在條件已知的地方,如果并
不知道精確的邊界條件而必須作假定時,就不要將分析的邊界設在靠近感興趣區(qū)域的地
方,也不要將邊界設在求解變量變化梯度大的地方。有時,也許用戶并不知道自己的問
題中哪個地方梯度變化最大,這就要先作一個試探性的分析,然后再根據(jù)結果來修改分
析區(qū)域。這些在后面章節(jié)中都有詳述。
第二步:確定流體的狀態(tài)
用戶在此需要估計流體的特征,流體的特征是流體性質、幾何邊界以及流場的速度幅值
的函數(shù)。FLOTRAN能求解的流體包括氣流和液流,其性質可隨溫度而發(fā)生顯著變化,FLO
TRAN中的氣流只能是理想氣體。用戶須自己確定溫度對流體的密度、粘性、和熱傳導系
數(shù)的影響是否是很重要,在大多數(shù)情況下,近似認為流體性質是常數(shù),即不隨溫度而變
化,都可以得到足夠精確的解。
通常用雷諾數(shù)來判別流體是層流或紊流,雷諾數(shù)反映了慣性力和粘性力的相對強度,詳
見第四章。
通常用馬赫數(shù)來判別流體是否可壓縮,詳見第七章。流場中任意一點的馬赫數(shù)是該點流
體速度與該點音速之比值,當馬赫數(shù)大于0.3時,就應考慮用可壓縮算法來進 行求解;
當馬赫數(shù)大于0.7時,可壓縮算法與不可壓縮算法之間就會有極其明顯的差 異。
第三步: 生成有限元網格
用戶必須事先確定流場中哪個地方流體的梯度變化較大,在這些地方,網格必須作適當
的調整。例如:如果用了紊流模型,靠近壁面的區(qū)域的網格密度必須比層流模型密得多
,如果太粗,該網格就不能在求解中捕捉到由于巨大的變化梯度對流動造成的顯著影響
,相反,那些長邊與低梯度方向一致的單元可以有很大的長寬比。
為了得到精確的結果,應使用映射網格劃分,因其能在邊界上更好地保持恒定的網格特
性,映射網格劃分可由命令MSHKEY,1或其相應的菜單Main Menu>Preproce ssor > -Mes
hing-Mesh>-entity-Mapped來實現(xiàn)。
第四步:施加邊界條件
可在劃分網格之前或之后對模型施加邊界條件,此時要將模型所有的邊界條件都考慮進
去,如果與某個相關變量的條件沒有加上去,則該變量沿邊界的法向值的梯度將被假定
為零。求解中,可在重啟動之間改變邊界條件的值,如果需改變邊界條件的值或不小心
忽略了某邊界條件,可無須作重啟動,除非該改變引起了分析的不穩(wěn)定。
第五步:設置FLOTRAN分析參數(shù)
為了使用諸如紊流模型或求解溫度方程等選項,用戶必須激活它們。諸如流體性質等特
定項目的設置,是與所求解的流體問題的類型相關的,該手冊的其他部分詳細描述了各
種流體類型的所建議的參數(shù)設置。
第六步:求解
通過在觀察求解過程中相關變量的改變率,可以監(jiān)視求解的收斂性及穩(wěn)定性。這些變量
包括速度、壓力、溫度、動能 (ENKE自由度) 和動能耗散率 (ENDS自由度) 等 紊流量以
及有效粘性(EVIS)。一個分析通常需要多次重啟動。
第七步:檢查結果
可對輸出結果進行后處理,也可在打印輸出文件里對結果進行檢查,此時用戶應使用自
己的工程經驗來估計所用的求解手段、所定義的流體性質、以及所加的邊界條件的可信
程度。
FLOTRAN分析中產生的一些文件
在ANSYS中進行的大多數(shù)流體分析都是通過多次中斷和重啟動來完成的,通常,
分析人員需要在各個重啟動之間改變諸如松弛系數(shù)等參數(shù)或開關某些項(如求解溫度方
程的開關)。每當用戶繼續(xù)一個分析時,ANSYS程序會自動將數(shù)據(jù)附加在所有的 由FLOT
RAN單元產生的文件中。下面將對FLOTRAN單元產生的所有文件進行說明:
· 結果文件, Jobname. RFL,包含節(jié)點結果。
· 打印文件, Jobname.PFL,包含各量的收斂記錄及進/出口狀態(tài)(如流量等)。
· 壁面文件, Jobname.RSW,包含壁面剪切應力以及Y-Plus信息。
· 殘差文件, Jobname.RDF,包含節(jié)點殘差。
· 調試文件, Jobname.DBG,包含數(shù)學求解器的有關信息。
· 結果備份文件, Jobname.RFO,包含結果文件數(shù)據(jù)的一個拷貝。
· 重啟動文件, Jobname.CFD,包含F(xiàn)LOTRAN的數(shù)據(jù)結構。
結果文件
FLOTRAN分析的結果并不自動保存在ANSYS的數(shù)據(jù)庫中,在每次求解之后,程序會將一個
結果集附加在結果文件Jobname.RLF中。用戶可對結果文件的內容及程序 對結果文件的
更新頻率進行控制,ANSYS命令手冊中對FLDATA5,OUTP命令的介紹就詳細說明了結果文件
會基于用戶的選擇而保存些什么內容。
在一個穩(wěn)態(tài)FLOTRAN分析中,結果文件能保存多少個結果集是沒有限制的,在求解的初
期多保存幾個結果有很多好處:可以比較各結果集之間的變化、可以使用不同的選項或
松弛系數(shù)來從一個分析的較早狀態(tài)重新開始分析。
當開始一個新分析時(在其第一次迭代之前),ANSYS程序會保存一個結果, 然 后在當
中斷發(fā)生時保存再保存結果,在這些事件之間,用戶還可通過設置將一些中間結果附在
結果文件里,這樣就可以從較早的分析狀態(tài)開時,通過激活一些不同的選項和特征來重
新分析,例如,可以通過這種方式來提高分析的穩(wěn)定性。
使用 ANSYS 的覆蓋頻率選項是一個明智的方法,它就可以周期性地保存和更新 一個臨
時的結果集,這樣,當由于斷電或其他系統(tǒng)原因而發(fā)生求解中斷時,總可以有一個可用
的結果集用于重新開始分析。設置覆蓋頻率的方式如下:
命令:FLDATA2,ITER,OVER,value
菜單: Main Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Execution Ctrl
設置附加頻率的方式如下:
命令:FLDATA2,ITER,APPE,value
菜單: Main Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Execution Ctrl
打印文件( Jobname.PFL)
Jobname.PFL文件包含了所有FLOTRAN輸入?yún)?shù)的完整記錄,該信息每在發(fā)出一個求解命
令時就保存一次以完整地記錄整個分析歷程。同時,所有激活了的變量的收斂過程也記
錄了下來,還有一個對結果的總結,即每個性質和自由度的最大最小值,這些記錄的頻
率都由用戶自己設定。所記錄的其他量還有:各記錄量的平均值、質量流的邊界、質量
平衡的計算、所有熱傳導和熱源的相關信息。
節(jié)點殘差文件
節(jié)點殘差文件,即Jobname.RDF,顯示了當前解的收斂好壞程度。在求解過程的每一個
階段,流場、性質場、溫度場都用于對每個自由度計算系數(shù)矩陣和強迫函數(shù),如果解完
全收斂,這些矩陣和強迫函數(shù)將會生成一個與產生它們的速度場一樣的速度場,同時,
矩陣方程的殘差也會變得很小。要得到一個殘差文件,必須至少執(zhí)行一次迭代。
當求解過程發(fā)生振蕩時,殘差的幅值將顯示分析的錯誤所在。(矩陣的主對角元素對殘
差作歸一化處理)這種歸一化使用戶可對自由度的值及其殘差作比較。
對每一個激活了的自由度計算殘差并將其存入殘差文件的方式如下:
命令:FLDATA5,OUTP,RESI,TRUE
菜單:Main Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Additional Out>Residual File
要讀取殘差文件,可通過菜單Main Menu>General Postproc>FLOTRAN 2.1A或命令 FLRE
AD來實現(xiàn)。
重啟動文件
通常,FLOTRAN在一個重啟動的起始處計算數(shù)據(jù)結構,對于一個大模型,這種計算將消
耗大量的時間,為了避免這種重新計算,可要求FLOTRAN將數(shù)據(jù)結構保存在重啟動文件
Jobname.CFD中,FLOTRAN從ANSYS的數(shù)據(jù)庫中產生該文件。
對 Jobname.CFD文件的讀和寫的方式如下:
命令: FLDATA32,REST,RFIL,T
菜單: Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Restart Options>CFD
Restart File
可將RFIL狀態(tài)設置為開(ON)或關(OFF),若設為開,則FLOTRAN開始執(zhí)行分析 時將讀入
重啟動文件,若此時重啟動文件不存在,則將產生一個重啟動文件。
如果在改變了邊界條件之后再進行重啟動分析,則必須覆蓋掉業(yè)已存在的.CFD 文件 以
使得ANSYS能用新的邊界條件進行重新分析,覆蓋.CFD文件的方式如下:
命令: FLDATA32,REST, WFIL,T
菜單: Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Restart Options>CFD Rest
art File
這就使FLOTRAN在下一載荷步產生一個新的重啟動文件,并自動將RFIL狀態(tài)設置為關閉。
當新的重啟動文件產生之后,用FLDATA32,REST,RFIL,T命令使隨后的重啟動能使用新的
重啟動文件。
FLOTRAN重啟動分析(續(xù)算)
用戶可在結果文件 Jobname.RFL中任意一個解集的基礎上開始一個重啟動分析, 重啟
動位置的設置可基于解集號(NSET)、迭代數(shù)(ITER)、載荷步/子步號(LSTP)或瞬 態(tài)分析
的時間(TIME),方式如下:
命令: FLDATA32,REST,lable,value
其中,lable為上面的NSET、ITER、LSTP、TIME等
菜單:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Restart Options>
Restart/Iteratio(或Restart/Load step, Restart/Set, 等)
當重啟動一個分析時,ANSYS將原始的結果文件拷貝到Jobname.RSO中并將重啟動點、所
有在重啟動點之前的結果集、所有的后續(xù)結果集放在新的結果文件中。如果在 FLDATA3
2,REST命令中的value值是一個負值,則將不產生Jobname.RSO文件,而 重啟動的點將由
value的絕對值來指定。
提高收斂性和穩(wěn)定性的常用的工具
ANSYS程序提供幾個有助于收斂和求解穩(wěn)定的工具,理論手冊對其機理有詳述。
松弛系數(shù)
松弛系數(shù)是一個其值介于0和1之間的小數(shù),它表示舊結果與附加在舊結果上以形成新結
果的最近一次計算量之間的變化量。設置松弛系數(shù)的方式如下:
命令:FLDATA25,RELX,lable,value
菜單: Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>DOF Relaxation
Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Prop Relaxation
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>DOF Re
laxation
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Prop R
elaxation
注:命令手冊中對該命令的自由度和性質量有詳述。
慣性松弛
對某個自由度的方程組的慣性松弛就是使其矩陣的主對角占優(yōu)以保持求解的穩(wěn)定性。如
果當一個解在收斂過程中沒有發(fā)生舍入誤差,則慣性釋放的值不會影響到求解的最終結
果。但是通常的求解過程都會發(fā)生舍入誤差,故慣性松弛可能對結果產生影響。用戶可
對動量方程(MOME)、紊流方程(TURB)。壓力方程(PRES) 和溫度 方程(TEMP)施加
慣性松弛,其方式如下:
命令:FLDATA26,STAB,lable,value
菜單:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Stability Parms
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Stability Parms
慣性松弛系數(shù)是以所加項的分母的形式出現(xiàn)的,故其值越小,所起作用越大,其典型值
介于1.0(作用中等)到1.0×10-7(作用很大)之間。
人工粘性
人工粘性用于在梯度較大的區(qū)域平抑速度解。它有助于可壓縮問題的收斂,也有助于對
有分布阻力的不可壓縮問題的速度解進行平抑。對于不可壓縮問題,應使人工粘性的幅
值與有效粘性的幅值處于相同的數(shù)量級。施加人工粘性的方式如下:
命令:FLDATA26,STAB,VISC,value
菜單:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Stability Parms
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Stability Parms
速度限值
速度限值使所求解量不能超出用戶所定義的值,可對速度、壓力和溫度自由度進行限制
(VX、VY、VZ、PRES、TEMP),方式如下:
命令:FLDATA31,CAPP
菜單:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp> Relax/Stab/Cap>Results Capping
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Results Capping
速度限值可消除速度尖峰的不利影響,這種速度尖峰通常發(fā)生在收斂過程中的較早階段
。它還特別適合用于可壓縮流分析,因這類分析中速度尖峰通常使動能項大到產生負的
靜溫。
當對壓力進行限值時,所限的值是由壓力方程解算出來的壓力而不是松弛后的壓力,故
當限值后作重啟動時,壓力值仍有可能超出限值。
注意:當有速度限值時,質量有可能不守恒。
面積積分階次(Quadrature Order)
缺省的用于計算單元面積積分的階次是單點積分,用戶可對其進行控制。對于軸對稱問
題,求解時,該值自動設為2,因為當面積積分階次為2時,可使含有異常形狀單元的問
題收斂到更精確的解。用下面的方式改變動量、壓力、熱或紊流項的面積積分階次:
命令:FLDATA30,QUAD,lable,value
其中,lable為要改變的單元積分,value為積分點的數(shù)目。
菜單:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp> Mod Res/Quad Ord> CFD Quad
Orders
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Mod Res/Quad Ord>CFD Qua
d Orders
FLOTRAN分析過程中應處理的問題
確定總體迭代的數(shù)目
FLOTRAN分析是一個非線性的序列求解過程,故每次分析首先得確定要讓程序執(zhí)行多少
次迭代。一次總體迭代就是對所有相關的控制方程按序列進行求解,并且在求解過程中
流體性質會隨時更新。在瞬態(tài)分析中,時間步循包含了總體迭代循環(huán)。在一個總體迭代
中,程序首先獲得動量方程的近似解,再在質量守恒的基礎上將動量方程的解作為強迫
函數(shù)來求解壓力方程,然后用壓力解來更新速度,以使速度場保持質量守恒。如果要求
了程序求解溫度,則程序會同時求解溫度方程并更新與溫度相關的流體性質。最后,如
果激活了紊流模型,則程序將求解紊流方程并用紊流動能及其耗散率來計算有效粘性和
熱傳導系數(shù),有效粘性和熱傳導系數(shù)將分別代替層流粘性和熱傳導系數(shù)以在平均流上模
擬紊流的影響。用下面的方式定義總體迭代的數(shù)目:
命令:FLDATA2,ITER,EXEC,value(value即為迭代數(shù))
菜單:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp> Execution Ctrl
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Execution Ctrl
收斂監(jiān)測
在FLOTRAN求解過程中,程序在每一個總體迭代里對每一個自由度計算出一個收斂監(jiān)測
量,這些自由度包括:速度(VX、VY、VZ)、壓力(PRES)、溫度(TEMP)、紊流動能(ENK
E)、動能耗散率(ENDS)、以及激活了的多組份傳輸方程(SP01 ~SP06)。收斂監(jiān)測
量就是兩次迭代之間結果改變量的歸一化值,若以F表示任一自由度,則該自由度的收斂
監(jiān)測量可由下式表示:
收斂監(jiān)測量表示變量在當前迭代(kth)的結果和前一次迭代((k-1)th)的結果之間差
值的總和除以當前值的總和,這種求和是在所有節(jié)點上進行的,并且使用的是差值的絕
對值。
在批處理或交互式運行過程中,當求解進行時, 程序的“圖形求解跟蹤(GST)” 功能
將實時顯示出所計算的收斂監(jiān)測量,GST的缺省值在交互運行時是開(ON), 而 在批處
理運行時是關(OFF)。用戶可用下面的方式定義其開關:
命令:/GST
菜單:Main Menu>Solution>Output Ctrls>Grph Solu Track
圖2-1是兩個典型的GST圖形。圖2-1(b)是一個FLOTRAN的瞬態(tài)分析過程,圖中的每一
個尖峰表示了一個新時間步的開始。
在初始階段可能出現(xiàn)的一些振蕩之后,收斂監(jiān)測量的大小將隨著分析過程的收斂而逐漸
減小,但其減小的程度將依賴于幾個因素,諸如:
· 幾何邊界的復雜程度
· 高梯度區(qū)域有限元網格的精度
· 紊流的嚴重程度(由雷諾數(shù)確定)
· 出口邊界處流場的發(fā)展是否充分
當使用圖形求解跟蹤(GST)功能時,還應注意:
· 不單是FLOTRAN分析有GST功能,非線性的結構分析、非線性的熱分析和非 線性的電
磁場分析都有GST功能。詳見各自的分析指導手冊。
· GST可同時顯示多達10條的跟蹤曲線,如果用戶的模型有多于10個的自由度, 則GST將
只顯示前10個自由度的收斂跟蹤曲線。
· 當GST開始顯示時,程序會彈出一個帶STOP按鈕的對話框,用戶可在任意時刻通過點
取該STOP按鈕來中斷求解過程,而后要進行重啟動分析時,可通過執(zhí)行命令SOLVE或其相
應的菜單Main Menu>Solution>Run Flotran來實現(xiàn)。
圖2-1 由GST顯示的收斂監(jiān)測量
(a) 穩(wěn)態(tài)求解
(b) 瞬態(tài)求解
中斷一個FLOTRAN分析
用戶可以定義一個基于壓力和溫度收斂監(jiān)測量的目標值來中斷一個FLOTRAN分析,定義
方式如下:
命令:FLDATA3,TERM,PRES,value
FLDATA3,TERM,TEMP,value
菜單:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp> Execution Ctrl
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Execution Ctrl
壓力和溫度的收斂缺省值都是1.0×10-8,如果沒有激活溫度方程的求解,則程序只檢
測壓力的收斂值是否滿足要求,而若同時激活了流體方程和溫度方程的求解,則二者的
收斂標準都必須同時滿足。在滿足了壓力和溫度的收斂條件或總體平衡迭代數(shù)達到了所
要求的值后,FLOTRAN求解過程就自動中斷。
要中斷一個正在以批處理方式或后臺方式執(zhí)行的FLOTRAN分析,則需在當前工作目錄下
生成一個Jobname.ABT文件 ,該文件的第一行應含有terminate字樣 ,且該 字樣的起始
位置應是第一行的第一列。在每一次總體迭代之前,FLOTRAN都會在當前目錄下搜尋Job
name.ABT文件,如果程序找到該文件并發(fā)現(xiàn)其含有terminate字樣,則立即完成該次總體
迭代并正常中斷程序的執(zhí)行,而且將結果寫入結果文件中。
對一個FLOTRAN分析進行評價
分析員必須回答的兩個問題是:
1. 所作的分析是何時結束的?
2. 所作的分析是否是正確的?
這兩個問題是相互關聯(lián)的,因為,如果沒有正確地設置和正確地分析一個流體問題,它
一般都是不會收斂的。
如果所輸入的初始參數(shù)和所有的邊界條件都是正確的,則當所有變量的收斂監(jiān)測量都停
止增長,以及所有求解量的平均、最大、最小值都不再升降時,求解過程就算是完成了
。然而,這并不能保證所求解的結果是唯一正確的,因為自然界本身并不保證存在唯一
解。振蕩問題(例如:柱體繞流的旋渦脫落問題)用穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)求解技術都不能得到一
個穩(wěn)定的解。要驗證一個分析是穩(wěn)定的或是振蕩的,可以通過對它執(zhí)行大量的迭代求解
來實現(xiàn)。
ANSYS將求解變量的平均、最小、最大值保存在文件Jobname.RFL中,該文件同時還保存
了FLOTRAN的輸入數(shù)據(jù)和計算出的收斂監(jiān)測量、所有自由度的結果總結、層流特性和有效
特性。可用下面的方式來規(guī)定ANSYS進行結果總結的頻率:
命令:FLDATA5,OUTP,SUMF,value
菜單:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp>Additional Out>RFL Out Derived
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Additional Out>RFL Out Derived
驗證結果
驗證求解結果的可靠性是所有分析人員的責任,如果一個FLOTRAN分析得到了非預期的
結果,則應進行下列所示的一些操作,這些操作的大部分都可以在開始一個分析前完成
。即使只進行了零次迭代,ANSYS也會生成一個Jobname.RFL文件并檢查所有的輸入數(shù)據(jù)
。
1. 檢查作為結果總結的一部分而打印出來的質量平衡情況。內部檢查將確定是 否有任
何的可能會通過模型的質量流,允許質量流的邊界條件是:
· 確定的速度邊界條件
· 確定的壓力邊界條件
· 未確定的邊界(這有可能是由于用戶忘了施加邊界條件而致)
ANSYS會將進口和出口邊界編號列表,而這些應與所希望的條件相對應。
2. 在ANSYS里檢查邊界條件,以保證其正確性。
3. 檢查所定義的流體性質及其隨溫度的可變動性正確與否,這可在.RFL文件中方便地
檢查。
4. 檢查用以建立模型的單位制與用以定義流體性質的單位制是否一致。
5. 有時,還需確認與所選選項相聯(lián)系的方程的求解是否正確(例如:可壓縮流 中的壓
力方程)。
6. 如果求解發(fā)散,可能的原因還有:有限元網格不夠精細、或者鄰近出口處流 場梯度
太大,要解決這些問題,可以使用一些諸如慣性松弛等有助于收斂的 手段,本手冊的后
面將詳述各種松弛技術。
7. 如果僅僅只有某個特定的量產生發(fā)散,則可將該量重新初始化到一個單值, 并作重
啟動分析,方式如下:
命令:FLDATA29,MODV
菜單:Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp> Mod Res/Quad Or
d>Modify Results
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp> Mod Res/Quad Ord>
Modify Results
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