CFD分析专题-UDF、动网格和多相流

,Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,title style,流 体 机 械结构创新设计技术,UDF,、动网格、多相流,1,、用户自定义函数,UDF,简 介,什么是用户自定义函数（,UDF,）,?,用户自定义函数，或,UDF,，是用户自编的程序，它可以动态的连接到,Fluent,求解器上来提高求解器性能。,标准,C,语言的库函数,Trigonometric, exponential, control blocks, do-loops, file i/o,等。,预定义宏,通过这些预定义宏，可以获得,Fluent,求解器得到的数据。,为什么要使用,UDF,？,标准界面及功能并不能满足每个用户的需要 。,定制边界条件，定义材料属性，定义表面和体积反应率，定义,FLUENT,输运方程中的源项，用户自定义标量输运方程（,UDS,）中的源项扩散率函数等等。,在每次迭代的基础上调节计算值,（需要时）,UDF,的异步执行,方案的初始化。,用户介入,FLUENT,求解器,User-Defined Properties,User-Defined BCs,User Defined INITIALIZE,Segregated,PBCS,Exit Loop,Repeat,Check Convergence,Update Properties,Solve Turbulence Equation(s),Solve Species,Solve Energy,Initialize,Begin Loop,DBCS,Solve Other Transport Equations as required,Solver?,Solve Mass Continuity;,Update Velocity,Solve U-Momentum,Solve V-Momentum,Solve W-Momentum,Solve Mass,& Momentum,Solve Mass,Momentum,Energy,Species,User-defined ADJUST,Source terms,Source terms,Source terms,Source,terms,UDF,基础,单元和单元面被组合为一些区域（,zones,），这些区域规定了计算域（例如，边界条件、源项）,在,UDF,中,域（,zones,）,用,线（,threads,）,来联系。,循环宏（,looping macro,）对线上的所有单元进行操作。,例如：,用面循环宏访问面域,3,（,zone 3,）（入口）上的,563,个面。,每个面的位置都通过对空间上的设置来计算表示,在用户操作界面中，可以自动调用,UDF,中定义的求解器变量,所有的求解器变量，都使用,SI,单位。,运行,UDF,在,FLUENT,中运行,UDF,基础步骤如下,:,创建包涵,UDF,源代码的文件,打开,fluent,，读入,case/data,文件,解释或者编译,UDF,在,FLUENT,中激活,UDF,在计算平台（,Iterate panel,）中设置,UDF,的更新频率,开始计算,例题抛物线入流速度条件,二维弯管中，我们来定义一个抛物线入流速度条件,x,方向上的速度用下面公式定义,第一步 ,准备源代码,函数,inlet_x_velocity,通过,DEFINE_PROFILE,宏来定义,所有,UDF,中的宏都使用,DEFINE_,开头。,inlet_x_velocity,将会在用,户操作界面中选择定义。,在,DEFINE_PROFILE,中，通过,thread,和,nv,分别对域和变量定,义。,宏,begin_f_loop,能循环指向,线上所有的面,f,F_CENTROID,宏表示单元,x,方向的,向量,F_PROFILE,宏代表面,f,上的速度分量,#include udf.h“,DEFINE_PROFILE(inlet_x_velocity, thread, nv),float x3; /* Position vector*/,float y;,face_t f;,begin_f_loop(f, thread),F_CENTROID(x,f,thread);,y = x1;,F_PROFILE(f, thread, nv),= 20.*(1.- y*y,/(.25*.25);,end_f_loop(f, thread),第三步,解释或编译,UDF,解释,UDF,把,UDF,源代码文件输入,Source File Name,列表中。,点击,Interpret,。,FLUENT,控制面板中将会显示汇编语言代码。,编译,UDF,把,UDF,源代码文件输入,Source Files,列表中。,点击,Build,，创建,UDF,库函数。,点击,Load,，读取,UDF,库函数。,如果需要还能清除（,unload,）库函数,Define,User-Defined,Functions,Interpreted,Define,User-Defined,Functions,Compiled,Define,User-Defined,Functions,Manage,比较解释和编译的,UDF,既可以运行时通过读入和,解释,来调用函数，也可以通过使用,FLUENT,中的编译器把函数,编译,到一个公共的函数库。,比较解释和编译代码,解释,解释的程序只是保存在电脑内存中。,按“一个接一个”的基本顺序运行代码。,优势 不需要第三方编译器。,劣势 ,运行慢，占内存。,编译,(,详细内容请参阅,FLUENT,用户手册中的介绍,),UDF,代码被一次性编译成机器语言,(,目标文件,).,高效地运行,UDFs,。,创建能被求解器链接的函数库。,具备很多解释没有的功能，例如并行算法（,mixed mode arithmetic,）、结构申明（,structure references,）等。,第四步,激活,UDF,选择要使用,UDF,的窗口，例子中，我们打开边界条件设置窗口。,点击,X-Velocity,右边的下拉菜单，把,Constant,换成,UDF,函数。,第五步和第六步,运行计算,在,Iterate,对话框中，可以改变,UDF Profile Update Interval,的值,(,默认值为,1).,这个值用来控制,UDF,更新速度,(,如果是非定常，还可以是计算步数和计算步长,),。,运行计算。,例中的数值解,右图显示的是二维弯管中的速度场。,下图显示的是入口的速度矢量，注意,使用的抛物线函数。,宏,宏是,FLUENT,定义的函数。,UDF,通过,DEFINE_,宏定义函数。,变量宏可以调用域上变量和单元信息。,工具宏具有循环功能，线指示器，向量和数值函数。,宏都被定义在头文件中（,header file,）,udf.h,的头文件必须包涵在源代码中。,#include “udf.h”,头文件必须在有效的工作路径中。,一般保存在,Fluent.Inc/src/,路径下,UDF,用户手册中列出了所有经常使用的宏。,Help,More Documentation,DEFINE,宏,任何,UDF,都必须以,DEFINE_,宏开始,:,18,个通用解算器宏和,13,个,离散相模型,宏和多项宏,(,未列出,):,DEFINE_ADJUST(name,domain);,通用目标,UDF,，每个计算步都被调用,DEFINE_INIT(name,domain);,初始化计算域变量,DEFINE_ON_DEMAND(name);,定义“根据需要运行”的函数,DEFINE_RW_FILE(name,fp);,用户读写,case/data,文件,DEFINE_PROFILE(name,thread,index);,defines boundary profiles,定义边界条件,DEFINE_SOURCE(name,cell,thread,dS,index);,defines source terms,定义源项,DEFINE_HEAT_FLUX(name,face,thread,c0,t0,cid,cir);,defines heat flux,定义热流通量,DEFINE_PROPERTY(name,cell,thread);,defines material properties,定义材料属性,DEFINE_DIFFUSIVITY(name,cell,thread,index);,定义,UDS,和特殊的差分格式,DEFINE_UDS_FLUX(name,face,thread,index);,定义,UDS,通量项,DEFINE_UDS_UNSTEADY(name,cell,thread,index,apu,su);,定义,UDS,衰减项,DEFINE_SR_RATE(name,face,thread,r,mw,yi,rr);,定义面反应系数,DEFINE_VR_RATE(name,cell,thread,r,mw,yi,rr,rr_t);,定义,vol,反应系数,DEFINE_SCAT_PHASE_FUNC(name,cell,face);,defines scattering phase function for DOM,定义,DOM,中相散射函数,DEFINE_DELTAT(name,domain);,定义非定常问题中的时间步长变量,DEFINE_TURBULENT_VISCOSITY(name,cell,thread);,定义湍流粘性计算方式,DEFINE_TURB_PREMIX_SOURCE(name,cell,thread,turbflamespeed,source);,定义湍动火焰速度,DEFINE_NOX_RATE(name,cell,thread,nox);,定义,NOx,中的产生和消失系数,线和循环工具宏,cell_t c;,定义,c,为单元线（,cell thread,）,face_t f;,定义,f,为面线（,face thread,）,Thread *t; t,定义,t,为线指针,Domain *d; d,定义,d,为所有线指针,thread_loop_c(t, d),循环访问域,d,中单元线,t,上的所有单元,thread_loop_f(t, d),循环访问域,d,中面线,t,上的所有面,begin_c_loop(c, ct) end_c_loop(c, ct),循环访问单元线,ct,上的所有,c,单元,begin_f_loop(f, ft) end_f_loop(f, ft),循环访问面线,ft,上的所有,f,面,c_face_loop(c, t, n),循环访问线,t,上的所有面单元,c,Thread *tf = Lookup_Thread(domain, ID);,返回域名为,ID,的线指针,ID = THREAD_ID(tf);,返回线指针,tf,指向的域名,（,ID,）,cell_t,face_t,Thread,Domain,是,FLUENT,UDF,数据结构的一部分,几何和时间宏,C_NNODES(c,t);,返回节点,/,单元,C_NFACES(c,t);,返回面,/,单元,F_NNODES(f,t);,返回节点,/,面,C_CENTROID(x,c,t);,返回单元质心坐标于数组,x,中,F_CENTROID(x,f,t);,返回表面中心坐标于数组,x,中,F_AREA(A,f,t);,返回面向量于数组,A,中,C_VOLUME(c,t);,返回单元体积,C_VOLUME_2D(c,t);,返回二维单元体积,(,轴对称模型,),real flow_time();,返回实际时间,int time_step;,返回计算步数,RP_Get_Real(“physical-time-step”);,返回计算步长,单元变量宏,C_R(c,t);,密度,C_P(c,t);,压力,C_U(c,t);,U,方向速度,C_V(c,t);,V,方向速度,C_W(c,t);,W,方向速度,C_T(c,t);,温度,C_H(c,t);,焓,C_K(c,t);,湍流运动能,(k),C_D(c,t);,湍流运动能的分散速率,(),C_O(c,t);,确定的分散速率,(),C_YI(c,t,i);,物质质量分数,C_UDSI(c,t,i);,用户定义的标量,C_UDMI(c,t,i);,用户定义的存储器,C_DUDX(c,t);,速度导数,C_DUDY(c,t);,速度导数,C_DUDZ(c,t);,速度导数,C_DVDX(c,t);,速度导数,C_DVDY(c,t);,速度导数,C_DVDZ(c,t);,速度导数,C_DWDX(c,t);,速度导数,C_DWDY(c,t);,速度导数,C_DWDZ(c,t);,速度导数,C_MU_L(c,t);,层流粘度,C_MU_T(c,t);,湍流粘度,C_MU_EFF(c,t);,有效粘度,C_K_L(c,t);,层流热传导系数,C_K_T(c,t);,湍流热传导系数,C_K_EFF(c,t);,有效热传导系数,C_CP(c,t);,确定的热量,C_RGAS(c,t);,气体常数,C_DIFF_L(c,t);,层流物质扩散率,C_DIFF_EFF(c,t,i);,物质有效扩散率,面变量宏,当使用偏析求解器和显示格式，并且在外界边界条件下，,面变量才能发挥功能。,F_R(f,t);,密度,F_P(f,t);,压力,F_U(f,t);,U,方向上的速度,F_V(f,t);,V,方向上的速度,F_W(f,t);,W,方向上的速度,F_T(f,t);,温度,F_H(f,t);,焓,F_K(f,t);,湍流运动能,F_D(f,t);,湍流运动能的分散速率,F_O(f,t);,确定的湍流运动能分散速率,F_YI(f,t,i);,确定的物质质量分数,F_UDSI(f,t,i);,用户定义的标量,F_UDMI(f,t,i);,用户定义的存储器,F_FLUX(f,t);,通过边界面,f,的质量流速,其它的,UDF,声明,UDF,除了能定义边界值、源项和材料属性，还能进行如下操作：,初始化,每次初始化时执行,求解条件,每步计算时执行,通过壁面的热量,通过设置热量传递系数，定义靠近流体这边壁面的热量扩散和辐射,设置所有的壁面,用户自定义的面和体积变化,读入写入,/,读出写出,case,和,data,文件,读写的顺序必须一样,根据需要执行的功能,不参与求解器的迭代,用户内存管理,用户能管理的内存,多达,500,个内存变量可以定义,UDF,的形式是,:,C_UDMI(cell,thread,index);,F_UDMI(face,thread,index);,可以进行后处理管理,信息都存储在,data,文件中,Define,User-Defined,Memory,用户定义的标量,FLUENT,可以处理多达,50,个用户定义,的标量输运方程,用户定义的变量数量,设置需要使用用户定义的输运方程的域,流量方程,F,DEFINE_UDS_FLUX(name,face,thread,index),DEFINE_UDS_UNSTEADY(name,cell,thread,index,apu,su),如果,需要还可以通过定义不同的用户标量来实现复杂的流量和输运方程,例如,可以定义流体域中的电磁场。,Define,User-Defined,Scalars,用户定义的标量,同样必须的，用户得定义,:,源项,扩散率,如果,申明需要，还要定义,UDF,中每个用户标量的扩散率,每个用户标量的边界条件,确定的流量和值,定义为常数或者使用,UDF,2,、动域,大 纲,介绍和模型建立方法概览,单参考系,(SRF),模型,多重域和多参考系,(MRF),模型,混合面模型,(MPM),滑移网格模型,(SMM),动网格,(DM),模型,概要,附录,介绍,许多工程问题中流体的流域都会不停的移动或者旋转。,平移运动的例子：,火车穿过隧道，容器中液体的纵向晃动等。,旋转运动的例子：,水流通过螺旋推进器，轴向涡轮叶片，放射状泵轮等。,.,两种基础的动域模型建立方法：,如果域在移动时并没有形状上的改变,(,刚性运动,),我们可以在运动坐标系下解算流体流动方程。,动量方程中可以添加附加的加速度项,动坐标系下，解算的问题变成了定常问题,可以和固定域穿过分界面相结合,如果域在移动的同时还会有形状的改变,(,变形,),我们可以用动网格,(DM),技术解算方程,域的位置和形状的改变都可以用时间函数来表示,非定常问题,x,Domain,y,运动坐标系,域随着坐标系转动,动网格,域的形状是个时间函数,运动坐标系和动网格对比,建模方法概览,单参考系,(SRF),整体计算域都置于运动坐标系下。,多参考系,(MRF),选择域中的部分区域置于运动坐标系下。,忽略,相互作用,不变的,混和面,(MPM),在旋转,/,静止域的分界面上，混合模型需要考虑相邻区域相互之间的影响。,忽略,流动中的不均匀圆周运动,不变的,滑移网格,(SMM),特定区域的移动使用移动网格算法,对滑移分界面进行流动变量的插值,非定常问题把边界的相互作用完全考虑进去了，但是计算量比,SRF, MRF,或者,MPM,都更大。,动网格,(DM),和滑移网格相似，但是域随着时间变化可以移动和变形。,网格变形技术都有 弹簧光滑模型，,网格重画和网格拓展,大 纲,介绍和模型建立方法概览,单参考系,(SRF),模型,多重域和多参考系,(MRF),模型,混合面模型,(MPM),滑移网格模型,(SMM),动网格,(DM),模型,概要,附录,建立,SRF,模型介绍,SRF,一般针对,单流域,，只能是绕着某个特定的坐标点，以恒定的速度进行旋转。,为什么使用旋转坐标系,?,非定常,的流域当放在旋转坐标系下来看时，可以认为是,定常,的情况。,定常问题比较容易求解,边界条件简单,低的计算机资源占用,易于进行后处理和分析,注意：旋转坐标系下，可能依然需要使用非定常来求解，例如湍流、流动中周期性不均匀变化、分离等。,例子：风机后缘的脱离涡,壁面条件必须符合下列标准：,随着流域动,的壁面可以是,任意形状,。,固定,(,至于确定的坐标,),的壁面必须是,旋转表面,。,选择旋转周期性边界条件可以提高效率,(,减少网格数量,),SRF,模型中的静止壁面,stationary wall,rotor,baffle,Correct,Wrong!,Wall with baffles,not,a surface,of revolution!,N-S,方程： 旋转坐标系,方程可以在绝对坐标系或者旋转坐标系下求解。,相对速度公式,(RVF),通过把静止坐标系下的,N-S,方程转化为旋转坐标系下获得。,相对速度和相对总内能为依赖变量。,绝对速度公式,(AVF),由相对速度方程得到,绝对速度和绝对总内,能为依赖变量,动量方程中的旋转源项,附录中有相关方程的详细列表,x,y,z,z,y,x,stationary,frame,rotating,frame,axis of,rotation,CFD domain,速度三角形法则,相对速度和绝对速度的关系如下：,在涡轮机组中，这个关系可以用矢量加法法则表示，这个关系称为矢量三角形法则。,公式比较,相对速度方程：,x,方向上动量方程,绝对速度方程：,x,方向上动量方程,Coriolis acceleration,Centripetal acceleration,Coriolis + Centripetal accelerations,SRF,设置：求解器,求解器选项推荐：,Pressure Based,不可压缩，低速（亚音速）可压缩流,Density Based,高速,(,跨音速，超音速,),可压缩流,速度方程推荐：,当从静止域流入时，使用绝对速度方程,(AVF),当为闭域（所有表面都运动）或者从旋转域流入时，使用相对速度方程,(RVF),注意：,RVF,只在偏析求解器中有效,梯度选项,非结构网格选用节点梯度,多面体网格选用最小二乘梯度,SRF,设置：,流体边界条件,使用流体边界条件设置旋转坐标系的坐标原点和方向向量。,方向向量必须是单位向量，如果不是，,Fluent,将会自动,转化成单位向量。,SRF,中的,Motion Type,选择运动参考坐标系（,Moving Reference Frame,）,输入旋转速度,旋转方向使用右手定则,负速度表示速度方向相反,SRF,设置：入口,/,出口边界条件,速度入口：,绝对速度和相对速度可以不使用方程来定义。,压力入口：,通过速度方程来定义总压,压力出口：,当轴向流问题在出口处有旋转时，可以选择径向平衡选项,( radial equilibrium assumption option ),指定的压力为中心压力,SRF,问题的其它边界条件,无反射边界条件,目标质量流出口（,Target mass flow outlet,）,incompressible, RVF,incompressible, AVF,壁面边界条件,在运动参考坐标系下，可以选择壁面是相对坐标还是绝对坐标。,推荐在所有的运动参考坐标系下，壁面条件都设为,选上 “,Moving Wall”,选项,旋转坐标原点和方向的设置和流域中的设置一样,对,静止的表面,(,在绝对坐标下,),输入 零旋转速度，绝对速度（,Absolute,）,对,运动的表面,，输入零旋转速度，相对于邻近的单元域,SRF,问题的求解方法,SRF,问题可能相对较难求解， 因为流域的旋转将会带相当来大的流动梯度。,对于旋转产生的影响，可能需要很好的网格才能求解大梯度。,麻烦情况下需要做的准备,:,确定网格质量足够好,(,最大的单元偏斜, 0.9 0.95).,开始时使用一阶离散方法。,缩小欠松弛因子,/,克朗特数来保证数值稳定性。,当遇到难以开始（,hard-to-start,）问题时，使用,FMG,初始化。,特别需要注意的是压缩机、抽水机和相似应用。,考虑使用瞬态计算来解算问题。,相对于静态的方法，可以提供更好的收敛性。,在时间上使用一阶离散方法，而且大概每次迭代,2-3,步。,一直运行到静态。,大 纲,介绍和模型建立方法概览,单参考系,(SRF),模型,多重域和多参考系,(MRF),模型,混合面模型,(MPM),滑移网格模型,(SMM),动网格,(DM),模型,概要,附录,多重域建模,许多旋转机械问题都有固定部分，不能使用表面旋转来描述,(SRF,无效,),。,这样的系统可以分成,多重流动域,（,multiple fluid zones,）有些域是旋转着的，其它是静止的。,使用一个或多个,分界面,（,interfaces,）把多重域了联系起来。,对于多重域模型中的分界面，下面列出了解算它们的方法：,多重参考系模型,(MRF),定常求解法,对分界面进行简化不考虑不同坐标系间的转动相互作用。,混合面模型,(MPM),定常求解法,不同坐标系间的相互作用都近似成在流域分界面,(mixing planes),上的周期性平均。,滑移网格模型,(SMM),非定常求解法,精确模拟运动和静止域间的相对运动，,但是需要占用很高的计算机资源。,(,固有非定常,).,单体和多体模型间的比较,interface,Single Component,(blower wheel blade passage),Multiple Component,(blower wheel + casing),MRF,模型的介绍,计算域被分为定子和转子。,分界面把域分隔开。,分界面可以是,正交投影,或者,非正交投影,每个流域分别解算各自的流动方程,每个域中都假定流动是静止的,(,非常的近似,),。,在转子中，使用了,SRF,方程。,在定子和转子之间的分界面上，速度向量和速度梯度适当变化，便可以计算得出质量，动量，能量和其它标量。,MRF,不同域之间的相对运动,定子和转子之间，不考虑动力学相互作用。,因为这个特性，,MRF,经常称作“冷冻转子” （,frozen rotor,）方法。,理想状态下，,MRF,分界面上的流动应该都相对相同或者“混合突出”,（,mixed out,）。,MRF,模型的分界面,正交分界面,把相邻的流域分开的内部网格面。,两边的网格必须一样。,非正交分界面,网格单元是物理上分开的。,分界面由两个重叠的面组成。,(type = interface),Fluent NCI,数值算法中，通过分界面的流量使用守恒形式,(,比如：动量，能量，流量守恒,),。,用户创建分界面的方式是：,Define,Grid Interfaces,分界面可以是周期性的,要求一样的平移和旋转偏移。,Conformal interface,Non-conformal interface,分界面形状,包涵旋转流域上分界面的壁面，将和流域一样移动，并且可以是任意形状。,旋转表面允许是静止的。,两个域之间的分界面必须是旋转表面，而且旋转轴和旋转域是一样的。,周期性分界面是可以存在，但是所有域中的周期性角度（或者偏移）必须一样。,Correct,Wrong!,Interface is not a surface,or revolution,stationary zone,rotating zone,Consider a mixing impeller inside a rectangular vessel:,-,Problem can be described with two reference frames or zones.,旋转周期分界面案例,periodic,non-conformal,interface,Each zone has,same periodic,angle (40 deg),Centrifugal compressor stage,MRF,设置,为静止和旋转的流域生成合适的的网格。,可以为单元域选择正交和非正交类型。,为每个旋转流域,(,流体边界条件,),在,Motion Type,选项中选择,Moving Reference Frame,，输入旋转,速度。,SRF,中除了多重域 ，其它都一样,静止域选上静止选项（,Stationary,）,设置其它边界条件，求解器设置,和,SRF,模型设置相同。,MRF,问题的计算方法,和,SRF,问题相同，因为一个或者多个流域的流动梯度比较大，,MRF,问题也比较难解。,相邻单元域间的作用，需要用比默认值更小的欠松弛因子求解。,麻烦情况下需要注意的问题：,确认网格质量足够好,(,最大网格偏斜, 0.9 0.95),，特别是相邻域间分界面周围的网格。,使用,FMG,初始化。,可以使用非定常时间步长的方法，达到和静止状态下稳定解相同的效果。,注意：,MRF,是定常方法和瞬时求解方法不同的概念,!,如果,MRF,的结果不稳定或者不符合实际，你就可能要用非定常滑移网格模型求解。,大 纲,介绍和模型建立方法概览,单参考系,(SRF),模型,多重域和多参考系,(MRF),模型,混合面模型,(MPM),滑移网格模型,(SMM),动网格,(DM),模型,概要,附录,混合平面,(MPM),模型介绍,MPM,模型起初是用来模拟定子,/,转子，叶轮,/,叶片和轴心,/,离心涡轮机组。,同样也能用于很多相同种类的问题。,域是由混合的，单向，旋转和静态流域组成的。,每个域都是“包涵自我”的，都有各自的入口，出口，壁面和周期性边界条件。（例如：每个域都是,SRF,模型）,在每个域中都包涵有恒稳态的,SRF,解，并且每个域的边界调节都互相关联。,混合平面,是指每个域间“相互关联”的域。,边界条件之间通过,周期性平均侧面,流动变量来传递的，这些变量每个迭代步都会进行更新。,侧面可以是径向的，也可以是轴向的。,当解收敛的时候，混合平面边界条件将会调整适应整体的流动条件。,MRF,和,MPM,的比较,MRF,只能在每个情况都具有,相等的周期性,角度的时候使用。,流动性质是贴着,本地的,分界面，可能会导致一些不符合常理的现象出现。,可能需要对奇数个的叶片进行建模，这时就需要,360,度除以这个数目，为叶片流得到相等的周期性角度。,MPM,只需要,每个单向叶片流,的叶片数目。,通过混合流动中的周期性非均匀混合平面分界面得出。,MRF,MPM,radial machines,混合平面构成,混合平面的分界面由上游域,出口,和邻近下游域,入口,组成。,入口,/,出口边界条件必须是下面这几种边界条件中的一种：,压力出口,/,压力入口,Pressure-Outlet / Pressure-Inlet,压力出口,/,速度入口,Pressure-Outlet / Velocity-Inlet,压力入口,/,流量入口,Pressure-Outlet / Mass-Flow-Inlet,MPM,可以同时实现轴向和径向涡轮组叶片流场的模拟。,模拟轴向机械，径向侧面。,模拟径向机械，轴向侧面。,axial machines,MPM,设置,设置流域是运动坐标系和定义域的,速度。,为入口和出口边界条件设置合适的,边界条件类型。,为混合平面对选择上游和下游域。,为侧面插补设置点的数量。,必须和网格中轴向,/,径向设置相同。,混合平面几何（,Mixing Plane Geometry,）,决定了周期性平均的方法,轴向流动机械选择径向（,Radial,）。,径向流动机械选择轴向（,Axial,）。,混合平面控制,欠松弛系数（,Under-Relaxation,）,当使用,0,1,之间的数，表示侧面的,不严格改变。,混合模型的计算方法,因为混合平面模型包括修改混合平面分界面的边界条件，迅速的流动条件的改变可能导致混合平面求解收敛上的困难。,试着降低混合平面的欠松弛因子到,0.1,0.5,之间，可能对解的稳定性有所帮助。,另外一些困难情况下的需要考虑的事情。,确定网格质量足够好,(,最大网格偏斜, 0.9 0.95),。,为难以开始（,hard-to-start,）的问题使用,FMG,初始化。,FMG,初始化适合混合平面模型。,降低欠松弛因子和,/,或者克朗特数。,使用固定的边界条件初始化运行下情况，再使用混合平面法。,大 纲,介绍和模型建立方法概览,单参考系,(SRF),模型,多重域和多参考系,(MRF),模型,混合面模型,(MPM),滑移网格模型,(SMM),动网格,(DM),模型,概要,附录,滑移网格,(SMM),模型介绍,涡轮机组中定子和转子之间的相对运动可能会有,非定常相互作用,。这些相互作用大体上分为下列几种：,位势相互作用,(,压力波相互作用,),尾迹相互作用,震动相互作用,MRF,和,MPM,都忽略了全部的非定,常相互作用，而且限定这些流动,中的效果十分弱。,如果非定常相互作用不可以忽略，,我们可以使用滑移网格模型，把静,止和旋转组成中的相对运动考虑进,去。,wake interaction,Shock,interaction,potential interaction,stator,rotor,滑移网格模型的工作原理,和,MRF,模型相同的是，,非正交分界面,把域分成移动和静止域。,和,MRF,模型不同的是，每个移动域的网格会随着一个时间函数更新，因此把数学问题变为固有非定常。,另外和,MRF,模型不同的是，控制方程有新的移动网格形式，而且在,绝对量固定坐标参考系,下求解。,(,附录中有详细信息,),没有使用运动参考坐标系方程,(,例如：没有,科里奥利,，向心加速度,),。,方程是普通移动,/,变形网格的特殊公式。,假设刚体网格运动和滑移，非正交分界面。,cells at time t,cells at time t+,D,t,moving mesh zone,滑移分界面,MRF,问题中的滑移网格必须符合下列规则：,分界面上的任何传递不能关于自身不变。,位于旋转域和它相邻的静止,/,旋转域,必须是个旋转面,，这个旋转面的转动轴和旋转子域重合。,许多失败的滑移网格模型，很多都是因为网格移动时，分界面,变得不相连！,滑移分界面可以是部分重叠。,可以是：,周期的,壁面,如果是周期的，,边界域必须是周期的,而且都是相同的偏移量。,time,t,= 0,t,+,D,t,Elliptic interface is not a surface of revolution.,滑移网格设置,选择,非定常求解器,（,unsteady solver,）。,定义滑移域的分界面条件类型。,为移动域，在流体边界（,Fluid BC,）对话框中，,选择移动网格,（,Moving Mesh,）,作为移动类型,（,Motion Type,）。,为每对分界面域，创建非正交分界面。,滑移,/,旋转是周期性的，选择周期性（,Periodic,）选项。,变化热量传输，选择双精度,（,Coupled,）。,其它的边界条件和,SRF, MRF,模型设置相同。,SMM,问题计算方法,设置适当的时间步长和每次时间步最大迭代步，得到每个时间步较好的收敛情况。,时间步长不能比移动单元将要移动超过一个固定点所用的时间：,当流动具有,时间周期性,（压力，速度等，随着时间变量的改变不断重复）时，求解的更多设置。,通常需要几次网格的旋转。,好的初始条件可以减少到达时间周期性需要的时间。,D,s = average cell size,w,R,= characteristic velocity of the moving zone (R = mean radius of interface surface),大 纲,介绍和模型建立方法概览,单参考系,(SRF),模型,多重域和多参考系,(MRF),模型,混合面模型,(MPM),滑移网格模型,(SMM),动网格,(DM),模型,概要,附录,什么是动网格,(DM),模型,?,FLUENT,求解中，一种可以适应,移动边界条件,和,/,或者,物体,，并且可以相应的调节网格与之适应的方法。,案例：,在圆柱中，自动位置的移动。,机翼表面的流动。,真空管的打开和关闭。,动脉扩张和收缩。,Volumetric fuel pump,动网格模型：,特点,根据用户自定义的边界,/,物体移动，单元类型和网格形式，,FLUENT,会自动计算出内部节点位置。,弹性相似,(,光滑,),本地重构网格,压条法,2.5 D,用户自定义网格移动,边界,/,物体运动可以根据下列运动类型设定：,圆柱运动（,In-cylinder,）,(RPM,行程长度,曲柄角, ),通过预置文件（,profiles,）或者,UDF,指定的运动,建立在,流动求解,的流体动力学的,耦合运动,，例如：,FLUENT,中的,6,自由度模型（,6 DOF,）。,不同的网格运动形式可以运用在不同的域上。相邻域间的连接可以是非正交的。,弹性相似,(,弹性光滑,),网格的移动就像相连的弹簧，或者是海绵。,连通性并没有改变,;,当使用独立网格形式时，受相关最小变形的限制。,对结构和非结构网格都有效,;,可以运用于结构和非结构网格类型，但是需要特别的控制。,本地网格重构,当超出用户自定义的偏斜和尺度限制范围时，本地的网格节点和单元就会增加或减少。,当单元增加或减少时，连通性便发生了改变。,只有非结构网格有效。,这个过程同时也有光滑作用（具有代表性的是使用光滑合并）,压条法,单元增加或减少随着域的增长或收缩改变。,当单元增加或减少时，连通性也相应改变。,只有结构网格才有效。,混合运用的方法,需要正确的分解来初始生成网格；,压条法,:,阀程区域；,下汽缸区域。,网格重构,:,上汽缸区域。,域间非正交分界面。,动网格设置,选择,非定常求解器,。,选择动网格模型,Define,Dynamic Mesh,。,激活需要的网格方法，设置合适的参数。,在动网格用户操作界面中定义边界运动。,可能需要,UDF,。,其它模型，边界条件和求解器设置和,SRF, MRF,模型相同。,网格运动可以提前查看,Solve,Mesh Motion utility.,通过提前查看，如果网格质量有问题，,Fluent,可以提前发现。,其它动网格选项,2.5 D,网格运动,挤压几何（,extruded geometries,）的特殊网格重构方法。,可以允许三角形网格像,楔,形一样在体积内挤压。,优点,可以比结构网格更好的贴合小裂缝。,用户子定义网格运动,通过,UDF,控制网格的运动。,网格拓扑结构不能发生改变。,优点,可以提供通常弹性相似，网格重构或者压条法不能提供的运动模式。,6,自由度模型,允许网格表面表现出定义了质量，转动惯量的物体的运动特性。,表面运动表现出,CFD,计算中的压力和反作用力。,重力和其它力可以加入力的平衡。,附录和用户手册中关于这些项有更多信息。,大 纲,介绍和模型建立方法概览,单参考系,(SRF),模型,多重域和多参考系,(MRF),模型,混合面模型,(MPM),滑移网格模型,(SMM),动网格,(DM),模型,概要,附录,概 要,五种可以模拟流体流动部分的方法。,单（旋转）参考系模型,多重参考系模型,混合平面模型,滑移网格模型,动网格模型,前三种方法是完全静态定常方法，而滑移网格和动网格则是非定常方法。,选择这些模型，包括部分的，改变这些静态流域到运动参考系或者动网格。,大部分物理模型适合用运动参考系或者动网格（例如：多相，燃烧，传热等）,前面的幻灯片中有更加详细的实践指导。,附 录,运动参考系下的,N-S,方程,相对速度方程,绝对速度方程,动网格问题中的,N-S,方程,N-S,方程,:,旋转参考坐标系,Fluent,中使用的两种不同的方程,相对速度方程,(RVF),包括把固定参考系下的,N-S,方程转换到旋转坐标系下。,使用,相对速度,作为动量方程中的依赖变量。,使用,相对总内能,作为能量方程中的依赖变量。,绝对速度方程,(AVF),从相对速度方程得来。,使用,绝对速度,作为动量方程中的依赖变量。,使用,绝对总内能,作为能量方程中的依赖变量。,注意,: N-S,方程中,RVF and AVF,是,等价,的！,边界条件等价的情况下，两种方程的解应该是相同的。,参考系,x,y,z,z,y,x,stationary,frame,rotating,frame,axis of,rotation,CFD domain,Note:,R,is perpendicular,to axis of rotation,假设和定义,假设,没有交换,( ),特定坐标下的定常旋转,(,w =,constant),通过原点旋转坐标定义坐标,忽略物体的受力，比如重力和其它效果,(,像方程中列出的,),忽略能量源,(,像方程中列出的,),定义,绝对速度,( ) ,流体在静止（绝对）参考坐标系的速度,相对速度,( ) -,流体在旋转参考坐标系下的速度,3-D,可压缩，层流形式的方程在接下来的幻灯片中将会介绍到,(,其它的形式相似,),相对速度方程,(Continuity),(Momentum),(Energy),相对速度方程,(2),(Relative total internal energy),(Fouriers Law),(Viscous stress),旋转坐标系下的相对加速度,Coriolis,acceleration,centrifugal,acceleration,Rothalpy,考虑在旋转参考系下，流动是定常，绝热，无粘流。能量方程可以简化成：,数量 便是,rothalpy,。,从上面可以看出，,rothalpy,在旋转坐标系下，定常，无粘流将是守恒的。,如果粘性流的壁面和参考系一起旋转，,Rothalpy,也可以是守恒的 。,(,因为这时旋转壁面的相对速度为零,),。,绝对速度方程,(Continuity),(Momentum),(Energy),绝对速度方程,(2),(Relative total internal energy),(Fouriers Law),(Viscous stress),旋转坐标系下的加速度,Acceleration reduces to single term involving,rotational speed and,absolute velocity,推荐的速度方程,当入流从静止域进入时，使用绝对速度参考系（,AVF,）,在这种情况下，通常知道的是绝对总压和绝对速度,例子：导管风扇系统中的流动，入流处是个静止管,封闭域（所有的表面是动态的）或者入流冲旋转域进入时，使用相对速度参考系（,RVF,）,在这种情况下，通常知道的是相对总压力和相对速度,例子：圆形洞穴中的旋转流,正如先前知道的，,RVF,和,AVF,等价的，而且两种都能在许多问题中很好的运用。,如果绝对速度梯度量和相对速度梯度量非常不同，相同的网格结果可能会有差异。,使用合适精致的网格时，不同求解方式中的结果应该相似。,运动参考系中的标量方程,运动参考系中普通的标量输运方程形式可以写成下面的形式：,方程中的标量是沿着,相对流线,（,relative streamlines,）的标量。,梯度，源项都是关于运动控制体积来定义的。,例子：湍流模型方程，物质守恒方程等。,N-S,方程：,动网格形式,滑移网格（,aka,动网格）和动网格方程中假设计算域在相对静止参考系下的运动。,计算域没有参考系。,域中任何运动的点都是关于一个给定的时间变化率的位置向量,( ).,可以认为是网格速度,刚体的旋转速度是常数,方程是积分型的。,动网格说明,x,y,z,stationary,frame,axis of,rotation,Moving CFD domain,N-S,方程：,动网格,(1),(Continuity),(Momentum),(Energy),N-S,方程：,动网格,(2),前面所说的方程中，,W,和 分别是移动控制体积中的体积和边界面。,滑移网格模型中，即使,W,在,网格中没有定义，,W,始终是常数。,移动,/,变形模型中，,W,=,W,(t),，而且符合,几何守恒定律,（,geometric conservation law,）,(GCL):,时间导数,(,d,/,dt,),表示的是时间,顺着运动控制体积,的微分。,所有空间梯度都是在静止参考系下计算的。,2.5 D,模型,2.5D,网格本质上是,2D,上的三角形网格沿着特定动域坐标轴拓展而成的，你可能更关注怎样建立这样的模型。,刚体运动是随着运动边界域来运动。,三角形拓展面是通过网格重构和光滑来进行调整的。,拓展三角形网格的对边，然后同时分配变形域，只是使用光滑技术。,用户自定义网格运动,网格运动是通过用户子定义函数（,UDF,）来定义的。,如果使用,UDF,移动网格，将不能产生连通性的改变。,实际运用包括：,叶轮泵,离心泵,轴承,旋转压缩机,6,自由度耦合运动,物体得到的运动，同时考虑了空气动力和瞬间其它力一起的作用，例如重力，推力或者爆破力（例如：为了避免碰撞，初始时推动物体离开飞机或者火箭的力）。,这些情况下，运动和流域是耦合的，我们于是把这种运动叫做,耦合运动,。,Fluent,提供可以计算物体运动轨迹的,UDF,，计算时考虑空气动力,/,动量，重力和爆破力。这个通常叫做,6,自由度（,6-DOF,）求解器,，一般和它相关的,UDF,叫做,6-DOF UDF,。,The 6-DOF UDF,是完全并行的,。,6 DOF,耦合运动,(contd),储箱在马赫数,1.2,时，从,delta,翼形上掉落,(NACA 64A010),爆破力在一个很短的时间起作用。,全非结构网格,使用尺度函数来光滑和网格重构,Fluent,的计算结果和风洞试验数据相稳和！,3,、多相流,简 介,相是指在流场或者位势场中，具有相同的边界条件和动力学特性的同类物质,.,相一般分为固体，液体，气体，同时也有其它的定义形式,:,具有不同化学属性的材料，但具有相同的状态和相,（例如：液体液体，油水）,液体由原相（,primary,）和次相的,混合相,（,secondary,）,组成,原相,(primary),可以认为是连续介质,次相,(secondary),认为是分散在,原相中,可能有很多混合相以不同的大小分布,在不同的位置,相反,多组分流（成分输运）是一种可以用单一的速度和温度来定义所有成分的流动。,Primary Phase,Secondary,Phase,选择多相流模型,为能选择合理的模型，用户需要推理得到下列形式的一些流动参数,:,流动域,微粒,(,连续介质中的气泡，液滴和固体颗粒,),分层,(,流体分界面的长度和域的长度成正比,),多相湍流模型,在颗粒流动中，可以估计出,颗粒体积填充量,Stokes,数,多相流的各种形式,气泡流连续液体介质中的离散气泡，,例如： 减震器，,蒸发器， 喷射装置。,液滴流连续气体介质中的离散液滴，例如,： 喷雾器，燃烧室,活塞流大的气泡在连续液体中,层流,/,自由表面流不能混合的流体有清晰的分离面，例如：自由表面流,粒子流连续液体中的固体颗粒，例如,：旋转分离器，空气清新器，吸尘器，尘埃环境流,流动层流动层反应堆,泥浆流,液体中的质点流，固体悬浮液，沉淀，和水力输运,Gas/Liquid,Liquid/Liquid,Gas / Solid,Liquid / Solid,Slug Flow,Bubbly, Droplet, or,Particle-Laden Flow,Stratified / Free-,Surface Flow,Pneumatic Transport,Hydrotransport, or Slurry Flow,Sedimentation,Fluidized Bed,填充体积和微粒,填充体积,分散型或者密集型,这个和混合相（,secondary phase,）的体积分数有关,分散型,( 10%),内部颗粒间的距离大于颗粒直径两倍，因此，颗粒间的相互作用可以忽略。,密集型,散布率和连续相惯量,多相流中的湍流模型,多相流中的湍流模型非常具有挑战性。,如今，单相湍流模型（例如,k,和,RSM,）只是用在基础相的湍流模