Fluent時間步長
關注創建者：王靖雯 創建時間：2023-04-12
Fluent時間步長的視頻教程
140-中間包流場、鋼液停留時間和夾雜物去除率仿真Workbench2021R2-FLUENT
～Case3 RTD停留時間曲線比較 夾雜物去除率對比 做法見參考文獻[1]（見上圖），去除率=（捕獲顆粒數/總顆粒數）×100% 流場 RTD曲線 夾雜物去除率統計數據
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Fluent時間步長的實例教程
wx_fmt=jpeg" width="100%"> </p><p><br></p><p><strong>2.時間步長的設置</strong></p><p><br></p><p>由前面庫朗數的定義可知，時間步長和庫朗數相互決定，因此設置了庫朗數，那么時間步長就確定了。</p><p><br></p><p><span style="color: rgb(255, 129, 36);">無論是基于什么求解器，Fluent如果可以設置庫朗數，那么軟件會自動計算時間步長，盡管在Run Calculation界面仍然有Time Step Size欄，仍然可以輸入數值，但這欄是不起任何作用的。既不會對計算收斂性起作用，也不代表真正的流動時間，這一點要千萬注意。</span></p><p><br></p><p>實際測試了一下，確實如此，更改庫朗數會改變收斂性和流動時間，而Time Step Size不起作用。</p><p><br></p><p><br></p><p><strong>2.2 基于壓力求解器Pressure-based</strong></p><p><br></p><p>使用基于壓力求解器，速度壓力耦合pressure-velocity scheme 選擇Coupled，在 Solution Controls界面會出現Flow Courant number</p><p><br></p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/8tJMdLVYZy8ib5BucKKic5eRbiagsS3oXAdwHAhUYsmSgaoEDuibeaKb616UrccoBWrwNh4voUzdOyncLibokofarrw/640?
展開 在Fluent中計算帶旋轉部件的模型時常用MRF方法和Moving Mesh方法。兩種方法都需要劃分旋轉區域和固定區域。MRF法的模型固定，以運動的坐標系來模擬旋轉流場，是快速有效的定常計算方法。Moving Mesh法運動的不是坐標系，而是物理模型和部分網格。當旋轉區域及其內部物體的相對速度為0時，整個旋轉域作剛體轉動。在每個時間步需要將interface節點上的流動變量進行傳遞，以實現兩個區域的流場耦合求解。這相對于網格重生成的方法來說可以節省大量的計算成本。
由于Moving Mesh法采用的是非定常方法，計算量較大，因此合理地設定物理時間步和每步的迭代步數就很重要了。前者經驗上往往設為轉速倒數的1/10，轉速單位為rad/s；后者根據需要常設在10~30之間。
在用Moving Mesh進行非定常計算之前，可以先用定場的方式計算流場，這樣可以加快收斂速度，并提高非定常計算前期輸出結果的可信度。同時還要注意旋轉域的物理量往往變化劇烈，需要較密的網格，Pressure discretization建議采用presto!格式。
PS：滑移網格計算量確實挺大，我現在做的全機帶螺旋槳的網格，旋轉域100W，固定域200W，i5-760CPU四核全開，定常計算1000步迭代耗時仍要2h40min，非定常階段耗時14h
展開 </p><p>Fluent軟件瞬態計算中有三個比較重要的設置：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為是“time step”，一個時間接一個時間，而每個時間就相當于一個準穩態，因此計算的時候需要 Max Iterations per Time Step，這個就像你在計算穩態時候需要設置的一樣，在達到 iteration 次數之前收斂就完成這個 time step，否則就算到所規定的次數。</p><p><br></p><p><strong>4.Number of Time Steps</strong></p><p> </p><p>對穩態，Number of iterations表示迭代次數，一個迭代次數就會將所有的網格遍歷一遍，完成一次循環。剛開始給網格的值可能不收斂，甚至和收斂網格相差很大，所以需要多次迭代。</p><p><br></p><p>而對非穩態來說，需要定義流動時間。
展開 瞬態動力學問題求解精度取決于積分時間步長，步長越小計算精度越高。過小的步長會增加計算機的負擔，過大的步長會導致高階模態的響應出錯。因此要得到一個較好的時間步長應遵循以下原則：
1、分析響應的頻率：
時間步長應該小到可以捕捉結構的響應。對NEWMARK積分方案而言，可以使用感興趣的模態階數確定時間步長，
△t=1/（20f）
上式中，△t為時間步長，f為所感興趣的階數頻率。
如果需要計算加速度，則時間步長需要進一步減小。
2、響應一般比載荷慢半拍，階躍載荷尤其如此。需要較小的時間步長以便能夠跟蹤載荷的改變，一般1/180f較為合適。
展開 時間步長是除了單元平衡方程之外，顯示動力學計算的最基礎最重要理論公式
在LS-DYNA中關鍵字*CONTROL_TIMESTEP用于控制求解時間步長，時間步長為每一步有限元積分的長度。計算所需時間步長時，要檢查所有的單元。最小時間步長計算公式
其中▲t是時間步長，α是時間步長縮放因子，L是單元特征長度，c是材料聲速
α（時間步長縮放因子）對應DYNA中的關鍵字TSSFAC。在DYNA官方幫助文檔中對α的解釋為：計算穩定性的考慮，TSSFAC通常設置為0.90（默認值）或者更小。為了減少求解時間，我們希望使用更大的穩定的時間步長，但大于0.90的值通常會導致不穩定。
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時間步長的估算與庫朗數</a></p><p><br></p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZyicPH1DZ9AZuoFRAXjM5QicllVTRj525mZKaOkpibafoSQ1Ev64iamuLibiaV2rDL4Ccr6t2jHAia2wwhSXQ/640?
時間步長是除了單元平衡方程之外，顯示動力學計算的最基礎最重要理論公式
在LS-DYNA中關鍵字*CONTROL_TIMESTEP用于控制求解時間步長，時間步長為每一步有限元積分的長度。計算所需時間步長時，要檢查所有的單元。最小時間步長計算公式
其中▲t是時間步長，α是時間步長縮放因子，L是單元特征長度，c是材料聲速
<p><strong>1. 庫朗數</strong></p><p> </p><p><strong>1.1 概念理解</strong></p><p><br></p><p>什么是庫朗數？庫朗數是用來衡量數值計算穩定性的一個物理量，也被稱為CFL數、CFL準則</p><p>在流體力學仿真軟件中，都能找到庫朗數(Courant number)的解釋和定義。在CFX的幫助文件里給出了一個比較直觀的公式來定義一維網格的庫朗數
<p><strong>1.穩態與瞬態 </strong></p><p> </p><p>穩態與瞬態是流體計算為了方便而提出的概念，實際上任何流動、傳熱問題都應該是瞬態的，因為這些現象總是在時間維度上進行的。</p><p><br></p><p>但是實際上部分流動、傳熱問題在一定的時間之后，不再隨時間而變化，達到了穩定的狀態，當我們只考慮穩定之后的狀態時，就可以用穩態進行計算；而如果我們想要研究達到穩態之前的狀態
作者Cadence CFD 解決方案
關鍵要點
當前向時間步的輸出表達式依賴于自身時，隱式有限差分法用于求解問題。
隱式有限差分方程中會有不止一個未知數。
隱式有限差分法一般用于求解對時間步長沒有限制的問題。
采用數值方法求解偏微分方程
為了求解偏微分方程，通常采用數值方法。基于偽譜 (PS
fluent做化學反應時，在0.1秒，密度接近生成物密度，越往后反應密度越低，怎么回事
(#75)
這是流場的壓力梯度較大，Fluent自身逐步降低時間步長，防止計算發散。我一般的處理辦法是：先將邊界條件上的壓力設置較低點，使得壓力梯度較小一點，等到收斂的感覺差不多，在這個基礎上，逐漸把壓力增大，這樣就不容易發散。
88 在模擬計算過程中出現定義的步長不同，結果就不同。這個現象與fluent模擬時出現的“網格數不同，結果也不同”現象相似，請問這種一般問題出在哪里？
瞬態動力學問題求解精度取決于積分時間步長，步長越小計算精度越高。過小的步長會增加計算機的負擔，過大的步長會導致高階模態的響應出錯。因此要得到一個較好的時間步長應遵循以下原則：
1、分析響應的頻率：
時間步長應該小到可以捕捉結構的響應。對NEWMARK積分方案而言，可以使用感興趣的模態階數確定時間步長，
△t=1/（20f）
上式中，△t為時間步長，f為所感興趣的階數頻率。
如果需要計算加速度
我最近在做液體靜壓導軌的雙向流固耦合分析，主要分析油膜壓力導致的止推板變形。
雙向迭代時發現，時間步長設置為0.05s時可以順利完成迭代，而時間步長設置為0.01s、0.001s、0.0001s等迭代均報錯。
一般選擇較小的時間步長有利于雙向耦合的收斂。但是這里較小的時間步長反而出錯!？實在令人費解~
所建立的模型如下圖所示，模型中的流體域為油膜，固體域為工作臺止推板。在工作狀態下
在Fluent中計算帶旋轉部件的模型時常用MRF方法和Moving Mesh方法。兩種方法都需要劃分旋轉區域和固定區域。MRF法的模型固定，以運動的坐標系來模擬旋轉流場，是快速有效的定常計算方法。Moving Mesh法運動的不是坐標系，而是物理模型和部分網格。當旋轉區域及其內部物體的相對速度為0時，整個旋轉域作剛體轉動。在每個時間步需要將interface節點上的流動變量進行傳遞，以實現兩個區域的流場耦合求解
