Fluent瞬態(tài)求解的案例
Fluent旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬態(tài)分析的云端高效求解
image_process=/format,webp/quality,q_40" alt="【仿真平臺性能測試】Fluent旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬態(tài)分析的圖3"></p><h2 class="ql-align-justify"><strong>四、仿真平臺對比</strong></h2><p class="ql-align-justify">進(jìn)行Fluent旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬態(tài)分析時，所使用的<span style="color: rgb(25, 27, 31);">SIMFORGE?高性能仿真云</span>與其他兩家仿真云平臺的硬件參數(shù)如下表所示。
展開 考慮熱源的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)有限元求解器
關(guān)鍵詞：熱源，瞬態(tài)，熱傳導(dǎo)，有限元求解器，三角形單元，自研
在《瞬態(tài)熱傳導(dǎo)有限元求解器開發(fā)》一文中，我們介紹了自研的二維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)求解器。
當(dāng)時那個控制方程沒有考慮熱源，邊界條件中只涉及溫度、熱流、對流。然而在很多問題中，熱源才是最關(guān)鍵的邊界條件，比如電發(fā)熱、化學(xué)反應(yīng)生熱。
熱源的處理
熱源是體熱，相對應(yīng)的熱流是面熱。兩者處理方式類似，都是根據(jù)單位熱功率值和幾何尺寸計算熱功率，然后加到控制方程矩陣的右側(cè)，承擔(dān)類似于結(jié)構(gòu)力學(xué)中的“載荷”的功能。
區(qū)別在于，熱源是作用在體上的，單位是W/m3，熱流是作用在面上，單位是W/m2。具體到編程上，熱源要分配到單元的三個節(jié)點上，熱流要分配到單元某個邊的兩個節(jié)點上。
從求解器編程的角度來說，這些邊界條件的處理方式都是固定和通用的。考驗一般出現(xiàn)在實際工程項目中使用自研求解器的時候。
在CAE軟件的開發(fā)中，交互端和求解器端永遠(yuǎn)要解決的問題是，如何讓所有單元始終知道：
（1）它是誰？（材料參數(shù)，幾何參數(shù)）；
（2）它在哪？（和其他單元的相對位置）；
（3）它怎么了？（邊界條件）。
以熱源為例，在交互界面上，我們通過視口選擇單元，指定其體熱功率。那么前端數(shù)據(jù)在生成求解器輸入的時候，就要告知求解器所有單元的編號和其對應(yīng)的體熱功率。
當(dāng)求解器拿到單元編號以后，就需要索引或者計算其面積，并根據(jù)單元三個節(jié)點編號，將功率加到載荷列陣對應(yīng)的位置。
驗證
設(shè)計案例如下，區(qū)域外部為20℃空氣，對流換熱系數(shù)取5W/(m2K)，時間總長18000s，每步時間間隔60s。
自研求解器得到模型中心最終溫度是84.6℃，與商用軟件結(jié)果完全一致。
展開 瞬態(tài)熱傳導(dǎo)有限元求解器開發(fā)
在瞬態(tài)問題的求解中，導(dǎo)數(shù)項可以寫成前后時間變量差值與時間間隔的比值：
代入后得到如下形式：
求解思路
在求解過程中，把Tn+1當(dāng)作未知量，Tn作為已知量。這樣在每個時間點，求解方法和結(jié)構(gòu)有限元方法一致。
初始時候，可以指定一個溫度作為全域已知初始溫度，然后在迭代過程中，Tn和Tn+1會逐漸接近，達(dá)到收斂狀態(tài)。
案例效果
設(shè)計案例如下，同時包含對流換熱邊界條件和熱流，時間總長10000s，每步時間間隔50s。
自研求解器和商用軟件結(jié)果對比如下，從結(jié)果可以看出，自研求解器結(jié)果與商用軟件結(jié)果一致。
自研求解器結(jié)果：最終溫度分布
商用軟件結(jié)果：最終溫度分布
自研求解器結(jié)果：平均溫度時間曲線
商用軟件結(jié)果：平均溫度時間曲線
展開 利用fluent3D求解器進(jìn)行求解
步驟1啟動fluent并選擇求解器3D
步驟2檢查網(wǎng)格并定義長度單位
1．讀入網(wǎng)格文件（下圖為讀入的圖示）
2．確定單位長度為cm
3.檢查網(wǎng)格
4.顯示網(wǎng)格
步驟2創(chuàng)建計算模型
1. 設(shè)置求解器
2.啟動能量方程
2. 使用湍流模型
步驟3設(shè)置流體的材料屬性
步驟4設(shè)置邊界條件
1. 設(shè)置入口1的邊界條件
2.設(shè)置入口2的邊界條件
2. 設(shè)置出流口的邊界條件
步驟5：求解初始化
步驟6：設(shè)置監(jiān)視器
步驟7：保存case和data文件
步驟8：求解計算
殘差曲線圖
出口速度監(jiān)控圖
三． 計算結(jié)果的后處理
步驟1：創(chuàng)建等（坐標(biāo)）值面
1. 創(chuàng)建一個z=4cm的平面，命名為surf-1
2. 創(chuàng)建一個x=0的平面，命名為surf-2
步驟2：繪制溫度與壓強(qiáng)分布圖
1. 繪制溫度分布圖
2.繪制壁面上的溫度分布
3.繪制垂直平面surf-2上的壓力分布
步驟3：繪制速度矢量
1. 顯示在surf-1上的速度矢量
2..顯示在surf-2上的速度矢量圖
以上則是對本模型的詳細(xì)步驟講解，希望能給新手帶幫助！
話說為什么從word復(fù)制圖片會失效?
展開 
workbench 瞬態(tài)動力學(xué) 求解齒輪嚙合的例子。
（8）計算求解。
提示：如果不收斂，可以通過調(diào)試網(wǎng)格質(zhì)量，調(diào)試接觸算法，或者增加一個時間較短的分析步，該分析步用于轉(zhuǎn)速從0rpm斜坡加速到600rpm，而不是階躍加載，這樣利于收斂。
（9）求解完成之后即可查看結(jié)果，等效應(yīng)力如下圖所示。也可以通過接觸工具查看接觸壓力云圖等。
fluent中的壓力求解器和密度求解器
兩種數(shù)值方法：
1.基于壓力求解器：適用于低速、不可壓縮流體。
原理：首先由動量方程求速度場，繼而由壓力方程進(jìn)行修正使得速度場滿足連續(xù)性條件。由于壓力方程來源于連續(xù)性方程和動量方程，從而保證流場的模擬同時滿足質(zhì)量守恒和動量守恒。
分類：分離求解器—順序求解每個變量的控制方程，此算法內(nèi)存效率非常高(離散方程只在一個時刻需要占用內(nèi)存)，收斂速度相對較慢，因為方程以‘解耦’方式求解。對燃燒、多相流問題更加有效。
耦合求解器—內(nèi)存使用量是分離算法的1.5～2倍，收斂速度提高5～10倍。可以和所有動網(wǎng)格、多相流、燃燒、和化學(xué)反應(yīng)模型兼容，收斂速度遠(yuǎn)高于基于密度的求解器。
2.基于密度求解器：適用于高速、可壓縮流體。
原理：直接求解瞬態(tài)N-S方程(此方程理論上是絕對穩(wěn)定的)，將穩(wěn)態(tài)問題轉(zhuǎn)化為時間推進(jìn)的瞬態(tài)問題，由給定的初場時間推進(jìn)到收斂的穩(wěn)態(tài)解，即時間推進(jìn)法。適用于求解亞音速、高超音速等的強(qiáng)可壓縮問題。
展開 Fluent 旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬態(tài)計算（一）
本案例利用Fluent中的滑移網(wǎng)格模型（RBM)，對螺旋槳敞水水動力性能問題進(jìn)行了瞬態(tài)仿真計算。該案例僅對4119槳的瞬態(tài)計算進(jìn)行了簡單演示，其余的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的仿真設(shè)置與本案例基本一致，可按照該案例進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。
本文僅計算了進(jìn)速系數(shù)為0.4的工況，計算結(jié)果與相關(guān)實驗較為接近。
與Fluent MRF 旋轉(zhuǎn)機(jī)械（一）的結(jié)果相比，瞬態(tài)計算結(jié)果與實驗值更為接近。
1 workbench 設(shè)置
1.1 選擇流體流動（帶有Fluent 網(wǎng)格劃分功能的Fluent）和流體流動（Fluent）
由于用的版本較老，因此無法通過一個fluent建立interface，此處為了利用fluent meshing劃分網(wǎng)格，采用了三個fluent模塊。分別進(jìn)行外部流場網(wǎng)格劃分、內(nèi)部流場網(wǎng)格劃分和流場計算。
2 SCDM 設(shè)置
2.1 導(dǎo)入幾何
左邊為入口，右邊為出口。
下圖為外部流場幾何圖。
下圖為內(nèi)部流場幾何圖。
3 FLUENT MESHING設(shè)置
采用了Fluent meshing進(jìn)行前處理，采用多面體的方法對體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。由于穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果比較可信，此處選擇了相同的劃分的方式與尺寸。
4 FLUENT 設(shè)置
4.1 General設(shè)置與網(wǎng)格導(dǎo)入
首先將保存的外部流場網(wǎng)格導(dǎo)入。然后通過附加case文件的方式，將內(nèi)部流場網(wǎng)格導(dǎo)入。
由于是瞬態(tài)求解問題，此處設(shè)置為瞬態(tài)態(tài)計算模式。
4.2 滑移條件設(shè)置
其他的條件設(shè)置與Fluent MRF 旋轉(zhuǎn)機(jī)械（一）一致，因此相同的設(shè)置不再闡述，僅有內(nèi)部流場網(wǎng)格部分不一致。因此對內(nèi)部流場網(wǎng)格進(jìn)行了重新設(shè)置。
4.3 計算設(shè)置
進(jìn)行初始化，以0.0001s的時間步長進(jìn)行計算。
開啟阻力監(jiān)測，本案例阻力尚未達(dá)到穩(wěn)定，但已經(jīng)超過274N。推力仿真表現(xiàn)已優(yōu)于MRF的計算結(jié)果。
展開 使用Fluent進(jìn)行船體CFD瞬態(tài)仿真 ￥5
使用 Ansys Fluent 執(zhí)行船體在逆海波浪中移動的升沉和縱搖仿真示例。流體體積或 VOF 模型用于求解此明渠流動示例。在此示例中，使用明渠波浪邊界條件生成淺層波浪，而使用動態(tài)網(wǎng)格對 wigley 船體的運動進(jìn)行建模。使用用戶定義函數(shù) (UDF) 將運動限制為 4 個自由度 (DOF)。為了避免出口處的數(shù)值反射（非物理結(jié)果/波浪反射），使用了數(shù)值海灘選項。 Fluent 案例文件供下載。
交付文件（2）
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展開 Fluent實用案例 | DEM顆粒瞬態(tài)仿真
本案例利用Fluent中的DEM模型，對管道運輸進(jìn)行流體仿真，主要是對管路顆粒運輸過程進(jìn)行診斷，防止出現(xiàn)顆粒陷入死循環(huán)，導(dǎo)入管路阻塞和浪費。因此進(jìn)行相關(guān)的管路氣力運輸可以按照本文的相關(guān)設(shè)置進(jìn)行仿真計算。
1 workbench 設(shè)置
本案例具體設(shè)置如下圖 ：
2 SCDM 設(shè)置
2.1 導(dǎo)入幾何
本案例的管道模型十分簡單，為幾段簡易管路組成 。具體的幾何模型與邊界條件如下所示：
其中上方為入口邊界條件，下方為出口邊界條件。
3 Fluent Meshing 設(shè)置
3.1 網(wǎng)格設(shè)置
采用 Fluent meshing 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格劃分，并劃分相對應(yīng)的邊界層網(wǎng)格。具體的網(wǎng)格劃分如下圖所示：
4 FLUENT 設(shè)置
4.1 General設(shè)置與網(wǎng)格導(dǎo)入
首先導(dǎo)入網(wǎng)格，然后勾選為瞬態(tài)計算，并選擇壓力基求解器。打開重力選項，由于本案例是以y軸負(fù)向作為重力方向，因此需要再y出設(shè)置為-9.81m/s。
展開 【仿真平臺性能測試】Fluent旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬態(tài)分析
本期選取了CFD領(lǐng)域典型的場景，基于滑移網(wǎng)格方法的旋轉(zhuǎn)機(jī)械流場分析，滑移網(wǎng)格方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)械計算可以獲得定轉(zhuǎn)子之間的時間精確解，精度相比穩(wěn)態(tài)計算更高，計算要求也更苛刻，軟件也是采用CFD領(lǐng)域最常用的仿真軟件Fluent。我們來看下基于“神工坊”高性能工業(yè)仿真平臺的CFD瞬態(tài)計算，和其他仿真云平臺進(jìn)行效率對比如何。
一、模型與網(wǎng)格
采用某品牌空調(diào)室外機(jī)作為瞬態(tài)分析的仿真模型，左側(cè)與后側(cè)的進(jìn)口流域，以及前側(cè)的出口流域都考慮到計算中，并對空調(diào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終網(wǎng)格單元數(shù)868萬，如下圖所示。其中，風(fēng)扇葉片的旋轉(zhuǎn)速度是850rpm。
二、求解設(shè)置
根據(jù)該款旋轉(zhuǎn)機(jī)械的相關(guān)參數(shù)，經(jīng)過理論計算得到該旋轉(zhuǎn)機(jī)械的最大速度為25.6m/s，折合馬赫數(shù)為0.075，為不可壓縮流動，故選擇壓力基求解器，湍流模型選用了適用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的k-ε Realizable模型。對于動區(qū)域計算模型，本次瞬態(tài)計算選擇了網(wǎng)格區(qū)域移動的滑移網(wǎng)格法，仿真的模擬時間為10s，相關(guān)設(shè)置如下。
三、仿真結(jié)果
迭代完成之后仿真云圖如下所示。
四、仿真平臺對比
進(jìn)行Fluent旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬態(tài)分析時，所使用的“神工坊”高性能工業(yè)仿真平臺與其他兩家仿真云平臺的硬件參數(shù)如下表所示。
仿真云平臺
CPU型號
內(nèi)存
主頻
神工坊
AMD EPYC 7742
512G
2.25GHz
仿真云平臺1
Intel Xeon(Cascade Lake) Platinum 8269
64G
2.5GHz
仿真云平臺2
Intel（R）Xeon(R) Platinum 8350C
64G
2.6GHz
計算過程中三個平臺的一些輸出日志如下。
展開 四十三、Fluent增強(qiáng)收斂性-偽瞬態(tài)計算
明渠流動問題，推薦使用Coupled with Volume Fractions耦合求解</p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p>微信公眾號：Fluent學(xué)習(xí)筆記，歡迎大家關(guān)注，可免費獲取文章的cas及dat文件和更多幫助文件</p><p><br></p>
展開 
五十二、Fluent瞬態(tài)可壓縮流動
wx_fmt=png" width="100%"></p><p><br></p><p><br></p><p><strong>3.3 求解器設(shè)置</strong></p><p><br></p><p>基于密度求解器，穩(wěn)態(tài)設(shè)置，不勾選重力，2D Space勾選planar，可參考<a href="http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkwMTAyNTc0Mw==&mid=2247483906&idx=1&sn=beabb90055e30f53003704dcaee268b9&chksm=c0ba58a2f7cdd1b4d5b33c21ce3ba3c1b065a6ecf350ea2c5b2ad9387aad5bb30419a157c940&scene=21#wechat_redirect" rel="noopener noreferrer" target="_blank">文章十四.FLUENT中2D Space設(shè)置</a></p><p><br></p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZyicPH1DZ9AZuoFRAXjM5Qicll1v5zvDDjkwZ7EQic2ljKmmiadHtEIIGLeVJdzfLMfgHpj5kNrLaOm5ibg/640?wx_fmt=png" width="100%"></p><p><br></p><p>注：</p><ol><li>對于可壓縮流動，基于密度的隱式求解器是首選；對于沖擊射流，可選擇基于密度的顯示求解器；對于不可壓縮流動，需要選擇基于壓力的求解器。</li><li>此處穩(wěn)態(tài)計算的結(jié)果將作為后面瞬態(tài)計算結(jié)果的初始值，這樣計算可加快瞬態(tài)計算的收斂性。
展開 ANSYS與FLUENT瞬態(tài)散熱模型對比
最近在做熱分析時，得到這樣一個ansys的算例——帶空金屬板冷卻的瞬態(tài)熱分析，使用fluent軟件進(jìn)行了仿真，與ansys的結(jié)果做以對比。
問題描述如下：一長方形金屬板，板得長度為15cm，板得中央是一個半徑為1cm的圓孔。板得初始溫度為500℃，將其突然放置于溫度為20℃，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為100W/(㎡*℃)的流體介質(zhì)中，試計算：
1）第1s及第50s這兩個時刻金屬板內(nèi)的溫度分布；
2）金屬板上4個頂點在前50s內(nèi)的溫度變化（本文只取左上角點A，如圖1所示）。
該金屬板得基本材料性質(zhì)如下：
密度為5000kg/m3，比熱容為200J/(kg*℃)，導(dǎo)熱系數(shù)為5W/(m*℃)。
圖1
對于這個問題，模型比較簡單，本文對其操作步驟不再詳述，重點在對比ansysy和fluent的仿真結(jié)果上。
圖2
圖3
從上圖中可以看出，Ansys的分析結(jié)果：1s時，A點的最大溫度為499.999℃，最小溫度為464.98℃；50s時，最大溫度為437.713℃，最小溫度為270.812℃。Fluent仿真結(jié)果：1s時，A點的最大溫度為499.99℃，最小溫度為465.37℃；50s時，最大溫度為437.4℃，最小溫度為275.72℃。從上面的兩組數(shù)據(jù)可以看出，兩種軟件的結(jié)果是吻合的，相差在1%左右。
圖4
從上圖中可以看出，ANSYS和FLUENT的結(jié)果趨勢完全吻合，最大相差4%。
針對兩款軟件對此問題的求解的結(jié)果的差別，或許是求解方式上的差別，ansys是基于有限元的求解方法，fluent是基于有限體積的求解方法。
展開 二十九、Fluent瞬態(tài)時間步長與迭代步數(shù)的討論
wx_fmt=jpeg"> </p><p><br></p><p><strong>2.瞬態(tài)設(shè)置</strong></p><p> </p><p>那么瞬態(tài)計算需要注意什么呢？</p><p>Fluent軟件瞬態(tài)計算中有三個比較重要的設(shè)置：Number of Time Steps、Time Step Size和Max Iterations/Time Step</p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZy8D64icnA9ElAziaTGJk7o8PWQnNTziadI6fJ8DY7akypm67Cqic1oia7ky7GKlOZuql7cLXiaDkC2R1ic5A/640?wx_fmt=png"> </p><p> </p><p> </p><p><strong>3.Max Iterations/Time Step</strong></p><p> </p><p>首先，計算 unsteady flow 的時候，fluent 是從前一個時間算到下一個時間的。</p><p><br></p><p>從這個意思上來就認(rèn)為是“time step”，一個時間接一個時間，而每個時間就相當(dāng)于一個準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，因此計算的時候需要 Max Iterations per Time Step，這個就像你在計算穩(wěn)態(tài)時候需要設(shè)置的一樣，在達(dá)到 iteration 次數(shù)之前收斂就完成這個 time step，否則就算到所規(guī)定的次數(shù)。</p><p><br></p><p><strong>4.Number of Time Steps</strong></p><p> </p><p>對穩(wěn)態(tài)，Number of iterations表示迭代次數(shù)，一個迭代次數(shù)就會將所有的網(wǎng)格遍歷一遍，完成一次循環(huán)。
展開 Fluent與Structure單向瞬態(tài)耦合流程的實現(xiàn)
FSI插件加載成功
二．使用流程
1） 首先打開CFD-POST，讀取Fluent的瞬態(tài)計算結(jié)果；
2） 在CFD-POST中，Calculators目錄下選擇MacroCalculators；
3） 在Macro中加載插件文件夾中的“FSI_Transient_Export_Surf.cse”（獲取面上數(shù)據(jù)）或“FSI_Transient_Export_Vol.cse” （獲取體數(shù)據(jù)）；
4） 選擇需要導(dǎo)出數(shù)據(jù)的面或體，選擇需要導(dǎo)出的數(shù)據(jù)類型；
5） 點擊Calculate，導(dǎo)出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)默認(rèn)保存在用戶系統(tǒng)的Documents文件內(nèi)。（至少有3個文件：一個為網(wǎng)格數(shù)據(jù)，一個為時間數(shù)據(jù)，一個為物理量數(shù)據(jù)（每個物理量都會形成一個單獨文件））
網(wǎng)格數(shù)據(jù)
時間數(shù)據(jù)
溫度數(shù)據(jù)
6） 在Structure中添加Import Temperature或Import Pressure邊界。
7） 選擇需要需要加載的面或體，將在CFD-POST中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)導(dǎo)入相應(yīng)的選項，TimeStep Ccontrol選擇yes。
8） Import temperature右鍵Generate導(dǎo)入數(shù)據(jù)。
9） Structure中其他設(shè)置正常進(jìn)行。開始計算。
來源：安世亞太
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