CFX前处理—计算域

CFX前处理计算域讲座3计算域是一些空间的区域,流动控制方程或是热传递方程在这个区域内进行求解只有在此次计算中使用的计算域中的网格成分被包含计算域流体计算域固体计算域旋转计算域静态计算域如何创建一个计算域…如下所示选项面板:基本设置位置:只有装配或是三维原文件可被选择计算域类型:流体,固体,或多孔介质流体列表:选择不同的流体固体列表:选择不同的固体材料坐标系:选择一个坐标系,所有的输入计算域将参考这个坐标系.粒子追踪(拉格朗日方法):选择粒子的类型计算域创建选项面板:计算域模型参考压力–稍后讨论浮力:-重力矢量成分-参考密度-浮力理论在这个讲座的结尾理论部分中说明运动计算域:静止或是旋转(角速度和旋转轴,涉及或不涉及交替旋转模型)计算域创建参考压力设置在ANSYSCFX中,用户在开始一个模拟前,必须为这个模拟指定一个参考压力.它代表绝对压力数据,所有的相关压力都是基于此而衡量的参考压力是用于避免四舍五入时产生的错误,也就是说当在一个流体区域内动压的差异与绝对压力的水平可以比较的时候.(实例见下页)在定义计算域时指定在定义边界条件时指定参考压力设置实例:对于低速的大气空气流∆P是很小的值(e.g.,1Pa)当动压的变化动压的差异与绝对压力的水平可以比较的时候(例如:液体流动),0 Pa的参考压力可以被使用没有任何问题没有参考压力Pabsolute~100,000PaPrange~100,000Pa–100,001Pa有参考压力Pabsolute~100,000PaPreference~100,000PaPrange_relative~0-1Pa这些小的压力变化,在进行计算时会由于舍入误差而被丢失,因为他们只代表了第六个重要的数位这些变化代表了第一个重要的数位参考压力:边界条件在结果文件中的压力值不包含静水压的贡献,所以静水压的数值要在结果加上参考压力的值才是实际压力的值如果流动是考虑浮力的并且参考压力设置为0 Pa,静水压的贡献就会被考虑到结构之中对于不考虑浮力的流体来说，静水压就不存在当边界条件和初始条件被指定时，他们的值是相对于参考压力的值，除了当系统变量p按照绝对压力的形势在CFX表达式中被使用(CEL)热传递模型无热传递,等温,热能,总能湍流模型适用于不同复杂程度的多种湍流模型,默认k-Epsilon模型湍流壁面 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数根据湍流模型自动设置反应或燃烧模型只有当多组成分在一个计算域中同时被选择时，这个选项才会被激活热辐射多种热辐射模型可以被选择(细节请参阅RadiationModeling部分)附加变量细节当附加变量被指定时，此选项可选计算域类型流体模型在此次讲座的理论部分有详细说明固体计算域代表了固体区域，热传导的方程在其中被求解，但是其中没有流动现象发生(共轭传热)固体计算与允许设置不同种类的模型热传导方程热能热辐射模型无辐射模型,蒙特卡洛模型计算域类型固体模型计算域多孔区域利用这个模型可以模拟这样的流动现象，即由于几何形状过于复杂，而无法进行网格划分的情况ImagesCourtesyofBabcockandWilcox,USA体积空隙率模拟阻碍效果和增加流速当地流体体积和总物理体积的比率多孔损失模型各项同性损失模型定向损失模型在下面有详细说明计算域多孔区域10.750.50.250各向同性损失模型各向同性动量损失可以用线性或是二次阻力系数来指定，或是通过使用渗透性和损失系数来指定.这个模型适用于各项同性多孔区域。定向损失模型在多数情况下，一个特定的阻力损失会发生在一个特定的方向上.在流向的垂直方向上抑制流动。在这种情况下，就需要一个能模拟整流器效果的同时而又无需构建这些阻碍物周围的几何细节的模型，例如蜂窝器，多孔平板，导向叶片等装置.对于此类的模拟,ANSYSCFX允许在流向和其垂直方向上各自指定损失系数。计算域多孔区域渗透性和损失系数这个模型指定了Darcy法则中的渗透性系数和损失系数.表层/真实速度由内码（由模型假定的）求解出的速度是流体的表层速度.在多孔区域中，真实地流体速度由于流体体积的减小而会有所增大.有时一个损失模型会依据于真实速度而非表层速度建立.如果这种情况发生的话，指定的系数必须进行合理的调整：渗透性必须乘上空隙率，而损失系数要除上空隙率的平方.计算域多孔区域线性和二次阻力系数一个各项同性的源有时也需要使用线性或是二次阻力系数来构建CR1和CR2.这些系数与渗透率和损失系数的关系如下：顺流向系数乘数只在定向损失模型中可使用横向系数应指定为指定系数乘上顺流向系数.(如果顺流向损失包括渗透性，则横向渗透性要除以，而不是乘上这个系数).横向乘数通常在10-100之间.计算域多孔区域流体列表在计算域中待求解的流体在下拉菜单中选择当前可用的材料通过点击获得其他的材料在材料库中部分已存的材料流体列表Creating/EditingMaterials一种材料可以通过在过程树的“Materials”上单击右键来进行创建或编辑多组分流体ANSYSCFX可以模拟任意数量的混合流体的组分CTRL多组分流体每一个组分的流体可能有一整套自己的物理特性.ANSYSCFX求解器将会在流域中的每个控制体内计算合理的平均值，用以计算流体流动.这些平均值依据于各组分物理特性的数值以及每个组分在控制体内的比率.在多组分流中，假定流体中多种成分在分子的程度上混合，也就是说它们有相同的平均速度场，压力场和温度场，质量的传输通过对流和扩散来实现.更复杂的情况是存在有流体交界面时，这时不同的组分在一个大的尺度上混合,这样可能有不同的速度和温度场，这种情况下我们把它叫做多相流.可压缩流体模型可压缩流在ANSYSCFX前处理中是通过使用总能方程连同使用理想流体、或真实流体、或密度是压力的函数的通用流体来实现的.ANSYSCFX可以计算亚音速(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)的流体.超音速流动现象通常比亚音速或是不可压缩流体问题更难求解.只是由于在超音速流体的特性中存在高度的非线性情况,特别是当有激波产生的情况下.如果在解决超音速的流动问题时，当地的马赫数超过2,ANSYSCFX求解器会使用一个内部的迭代来重新线性化连续性方程来稳定求解过程.输出的文件将在收敛进程中把这个循环显示成一个额外的连续性方程曲线(p-Mass)(在湍流方程后)可压缩流体模型对于可压缩流体而言，压力值总是需要在模拟的边界条件中设置一个的,这个设置可以在入口，出口或是自由流出口处设置(在瞬态可压缩流模拟中，出示条件可以设置为压力值).压力等级也可以在指定的位置进行设置，点击求解器控制对话框中的高级标签，使用压力等级信息这个选项进行设置.如果压力等级没有被设置ANSYSCFX求解器将会在节点1位置设置一个值为0的相对压力.在求解的过程中，这里可能会产生负的相对压力,如果参考压力也很小，会导致负的绝对压力值,这样会产生物理意义上的不一致.ANSYSCFX求解器将会试图计算带有负值绝对压力的密度，当然也会计算失败.计算域相当于流体控制方程在其中求解的区域要求解的方程取决于在计算与中所选择的物理模型关键点计算域–理论控制方程连续性方程动量方程能量方程其中守恒方程物理模型热传导在流体域中的热传导是通过能量输运方程来控制的源项粘性项对流项瞬态项传导项NONE:能量输运方程没被求解等温:流体的特性是温度相关的，但是能量输运方程没被求解热能:能量输运方程被求解但是其中不包括粘性项做功总能:这种情况模拟了焓的传输并包含了动能效应.这个模型应该用于气体流动，其中流速超过0.2马赫,以及高速液体流动，其中粘性热效果在边界层中提升，动能效应变得重要.物理模型共轭传热在固体域中的热传导是使用对流方程在进行模拟的在固体域中的辐射是可以在CFX中进行模拟的(下面有详细说明)源项瞬态项对流项湍流流动是指不稳定的，三维的伴随能量消耗的自然流动现象.更多的湍流将会导致混合效果的改善，热传导的改善，更大的压力降和更大的噪声，因此准确的预测湍流是非常必要的ut物理模型湍流为什么我们需要一个湍流模型?Navier-Stokes方程在描述层流和湍流时是没有特别区分的随着计算机计算能力的增强，大量高阶和高次的运算式可以进行，这样可以进行对Navier-Stokes方程进行直接数值模拟(DirectNumericalSimulationDNS).由于硬件系统的局限，一个实用的选择，也就是CFD中的湍流模型，出现了。物理模型湍流RANS方程出于工程应用的目的，将非稳态的Navier-Stokes方程组按照时间平均就获得了RANS方程–雷诺平均N-S方程:ReynoldsAveragedNavier-StokesEquations.这个模型是将每个物理量分解成两部分：平均值和脉动量.作为时间平均的副产品,一些未知项就会在脉动量中产生(雷诺应力,热以及质量流)湍流模型就是用于在数学上模拟这些额外的应力和标量流量的物理模型湍流在此可以选择许多种湍流模型,一些有非常特定的应用范围，而另一些则有更广泛的应用和很成熟的应用经验Eddy-viscosityModels:1)ZeroEquationmodel.2)Standardk-εmodel.3)RNGk-εmodel.4)Standardk-ωmodel.5)Baseline(BSL)zonalk-ωbasedmodel.6)SSTzonalk-ωbasedmodel.7)(k-ε)1Emodel.Reynolds-StressModels(RSM):1)LRRReynoldsStress2)QIReynoldsStress3)Speziale,SarkarandGatskiReynoldsStress4)SMC-ωmodel5)Baseline(BSL)Reynolds'StressmodelEddySimulationModels:1)LargeEddySimulation(LES)[transient]2)DetachedEddySimulation(DES)[transient][AdditionalLicenseRequired]3)ScaleAdaptiveSimulationSST(SAS)[transient]物理模型湍流 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 k-模型这个模型被称为“工业用CFD”标准，因为它提供了在数值计算消耗和计算精度之间的一个优异的平衡点.速度和特征长度都在这个模型中使用单独的输运方程进行求解(湍流动能,k,和湍流耗散率,)局限分离预测漩涡存在大曲率的流线物理模型湍流k-模型k-模型假定湍流粘性是和湍流动能(k)和湍流频率()相关的，通过下面的公式:这个模型没有涉及在k-模型中所需要的复杂的非线性衰减函数，因此更准确也更强健.k-模型其中的一个优势是在对低雷诺数计算时，它的近壁面处理能力.低雷诺数k-模型通常需要近壁面的y<0.2,至少也要y+<2.在工业流中，即使是y+<2在大多数情况下也很难保证，所以出于这个原因，一个新的针对k-模型的壁面处理方式产生出来.它可以在一个低雷诺数的形式和壁面函数之间光滑的过渡.物理模型湍流剪切应力传输(SST)模型基于k-的SST模型解决了湍流剪切应力的传输，同时又在湍流开端和在负压梯度下产生的气流分离进行了高度准确的预测.SST结果和试验k-不能预测气流分离ExperimentGerstenetal.物理模型湍流物理模型湍流和近壁面情况近壁面区域内的速度分布是很重要的:压力降分离剪切效应回流湍流模型通常上适用于模拟边界层以外的流体.通过对实验数据的观测发现在边界层内的速度分布形式是多种多样的物理模型湍流和近壁面情况通过对近壁面速度分布数据变量的缩放，这些数据呈现出一个可预测的形式(从线性过渡到对数形式)由于近壁面情况经常是可预测的，壁面函数可以用来决定近壁面的速度分布，因此在近壁面出的细密的网格并不是必须的线性对数形式物理模型湍流和近壁面情况由于近壁面情况经常是可预测的，壁面函数可以用来决定近壁面的速度分布，因此在近壁面出的细密的网格并不是必须的uyuy边界层使用壁面函数模拟边界层不使用壁面函数模拟边界层y+值反映了第一层网格节点与壁面的距离物理模型湍流和近壁面情况k-epsilon模型使用壁面函数，反之SST允许求解边界层方针当使用壁面函数时(e.g.k-epsilon)20