Fluent穩(wěn)態(tài)時間的案例
FLUENT管內(nèi)穩(wěn)態(tài)流動
某噴射混合管，其中入口1流速為0.4m/s，溫度為293.15K，入口2流速為1.2m/s，溫度為313.15K，出口壓力為0Pa，請用ANSYS FLUENT求解出壓力與速度的分布云圖。
啟動FLUENT并導(dǎo)入網(wǎng)格
（1）在Windows系統(tǒng)下執(zhí)行“開始”→“所有程序”→ANSYS 18.2→Fluid Dynamics→Fluent 18.2命令，啟動Fluent，進(jìn)入Fluent Launcher界面。
（2）在Fluent
Launcher界面中的Dimension中選擇2D，在Display Options中勾選Display Mesh After
Reading，Embed Graphics Windows和Workbench Color Scheme，單擊OK按鈕進(jìn)入FLUENT主界面。
（3）在FLUENT主界面中，單擊主菜單中File→Read→Mesh按鈕，彈出Select File（導(dǎo)入網(wǎng)格）對話框，選擇相應(yīng)的網(wǎng)格文件，單擊OK按鈕便可導(dǎo)入網(wǎng)格。
（4）導(dǎo)入網(wǎng)格后，在圖形顯示區(qū)將顯示幾何模型。
（5）單擊主菜單中Mesh→Check按鈕，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，確保不存在負(fù)體積。
（6）單擊主菜單中Mesh→Scale按鈕，彈出cale
Mesh（網(wǎng)格縮放）對話框。在Scaling中，選擇Convert Units，Mesh，Mesh Was Created
In選擇In，單擊Scale完成網(wǎng)格縮放，在View Length Unit In中選擇In。
（7）單擊主菜單中File→Write→Case按鈕，彈出Select File（保存項目）對話框，在Case File中填入Valve，單擊OK按鈕便可保存項目。
定義求解器
（1）單擊主菜單中Define→General按鈕，彈出General（總體模型設(shè)定）面板。
展開 【仿真平臺性能測試】Fluent旋轉(zhuǎn)機(jī)械穩(wěn)態(tài)分析
從16核到128核，其仿真計算速度都明顯優(yōu)于其他仿真云平臺，且在相同并行核數(shù)下其仿真計算時間僅為其他仿真云平臺的1/2不到，尤其是在64核并行時，其仿真計算時間更是只有仿真云平臺1的1/3左右。
我們以每個仿真云平臺16核的計算時間為基本單位，計算各個平臺的并行效率，結(jié)果如下圖所示。我們可以發(fā)現(xiàn)“神工坊”高性能工業(yè)仿真平臺的并行效率也是優(yōu)于其他仿真云平臺，且在每個核數(shù)下都保持著較高的并行效率。
結(jié)論
綜上所述，“神工坊”高性能工業(yè)仿真平臺在進(jìn)行Fluent穩(wěn)態(tài)仿真分析時，無論是計算時間還是并行效率，均優(yōu)于其他仿真云平臺。
“神工坊”高性能工業(yè)仿真平臺以超算HPC集群作為硬件支撐，實現(xiàn)了跨節(jié)點(diǎn)大規(guī)模并行計算，可以高效處理大規(guī)模網(wǎng)格模型以及復(fù)雜流場，大大縮短了企業(yè)仿真用時，提升工業(yè)設(shè)計效率。
十四五期間，工業(yè)數(shù)字化將是工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主路線。“神工坊”秉持“算力賦能、協(xié)同創(chuàng)新”的理念，爭做“先進(jìn)算力到仿真算能的轉(zhuǎn)換器”、“離散機(jī)理和垂直仿真場景的連接器”，助力我國工程仿真技術(shù)實現(xiàn)跨越發(fā)展，支撐重大裝備研制創(chuàng)新和工業(yè)設(shè)計研發(fā)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。（ 本文作者：郯俊建）
展開 FLUENT中的非穩(wěn)態(tài)的殘差曲線
FLUENT中可選耦合式和分離式解法。
對于非穩(wěn)態(tài)問題，unsteady, 則會出現(xiàn)時間相關(guān)項的計算方法選項： 如一階隱式，二階隱式、
注意，顯式只是對于耦合顯式求解器有效。
PISO適合于瞬態(tài)模擬，特別是時間步長較大到情況。取1.0的欠松弛因子可以保證計算的穩(wěn)定性。或者網(wǎng)格變形度高的地方。但是對于LES而言，由于LES需要更小的時間步長，因此不適合用PISO。LES 最好使用SIMPLE(C)算法。
Courant Number 用來控制耦合求解的時間步長。時間步長與courantnumber成正比。因此顯式需嚴(yán)格控制時間步長，courant number。
非穩(wěn)態(tài)的殘差圖中，每一次更新都會使殘差變大，因此會是一條振蕩的曲線。此外，x軸是對數(shù)軸，因此每次屏滿了之后都會重新調(diào)X軸，導(dǎo)致曲線彎曲。
時間步長越小，越不容易發(fā)散，特別是顯式計算對時間步長的要求很嚴(yán)格。如果在設(shè)定的最大迭代數(shù)（20）內(nèi)還沒收斂，可能是要減小時間步長或者減小courant數(shù)。
通過殘差曲線來看收斂性：
- 一般的，殘差下降三個數(shù)量級表示至少達(dá)到了定性的收斂，流場的主要特征已經(jīng)形成。
- 壓力基求解器的能量殘差應(yīng)該下降到10-6以下
- 檢查全局通量守恒：檢查（NetResults)應(yīng)該小于通過邊界通量的最小值的1%。（在Reports ->fluxes->mass flowrate->boundaries, 再compute)。
收斂遇到困難？？？？
對一些病態(tài)問題，差質(zhì)量的網(wǎng)格或者不合理的求解器設(shè)置都會出現(xiàn)數(shù)值的不穩(wěn)定性。
變現(xiàn)為殘差曲線上揚(yáng)（不收斂，發(fā)散）或者幾乎水平（不下降）
發(fā)散意味著守恒方程的不平衡增加。
展開 同一模型的瞬態(tài)穩(wěn)態(tài)對比分析（fluent）
摘要：本文針對同一結(jié)構(gòu)和條件進(jìn)行瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析，當(dāng)瞬態(tài)分析經(jīng)過一定時間后，趨于穩(wěn)定，和穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果一致。瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析相互驗證。
00 模型
水流速度40m/s，平板底部固定。
01 穩(wěn)態(tài)分析
02 瞬態(tài)分析
03 結(jié)果對比
穩(wěn)態(tài)分析：
瞬態(tài)分析：
穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析，結(jié)果基本一致。
「CFD案例-Fluent」27 水中穩(wěn)態(tài)傳熱CFD模擬
本案例在ANSYS2020R1中演示了如何利用Fluent進(jìn)行水中穩(wěn)態(tài)傳熱CFD仿真。首先于Solidworks中建立幾何模型，接著導(dǎo)入ANSYS DesignModeler中進(jìn)行前處理，并進(jìn)行命名邊界條件，然后導(dǎo)入ANSYS Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，接著利用Fluent進(jìn)行求解，最后在CFD-POST中進(jìn)行后處理。案例基于3D、穩(wěn)態(tài)求解。
基于Ansys Fluent和Mechanical的血管穩(wěn)態(tài)流固耦合模型
在開物云平臺上找到Workbench，點(diǎn)擊進(jìn)入
在左側(cè)的Toolbox中找到對應(yīng)的模塊：Fluid Flow(Fluent)和Static Structure。
雙擊“Geometry”，進(jìn)入建模功能。
文件-打開-找到保存的模型文件
退回到主界面，在fluid flow(Fluent)中找到mesh,雙擊該圖標(biāo)
在Outline下依次找到Project-Model-Geometry，Geometry下由兩部分組成，其一是血管，其二是血液。由于這部分仿真對象是流體部分，因此找到血管部分，右鍵這個部分，出現(xiàn)上圖所示的菜單，找到其中的Suppress body，點(diǎn)擊，就能抑制血管部分
現(xiàn)在需要將流體部分（也就是血液）進(jìn)行網(wǎng)格劃分。同樣在Outline-Project-Model中找到mesh功能，右鍵mesh，彈出如圖所示菜單欄，點(diǎn)擊“Generate Mesh”，就能得到網(wǎng)格文件。可以看到，自動劃分的網(wǎng)格質(zhì)量比較低，而Fluent對于網(wǎng)格密度要求比較高，因此還需要對該網(wǎng)格的尺寸進(jìn)行改良
在Outline中有“Details of Mesh”，找到Defaults中的Element Size，輸入網(wǎng)格的尺寸。
展開 性能測試｜Fluent穩(wěn)態(tài)分析——旋轉(zhuǎn)機(jī)械流場仿真對比實測
本期選取了CFD領(lǐng)域的典型場景，穩(wěn)態(tài)仿真計算案例——基于MRF方法的旋轉(zhuǎn)機(jī)械流場分析，我們選用的軟件是CFD領(lǐng)域最常用的仿真軟件Fluent。我們來看下基于SimForge?高性能仿真云平臺的CFD穩(wěn)態(tài)計算，和其他仿真云平臺效率對比的情況。
模擬與網(wǎng)格
我們采用某品牌空調(diào)室外機(jī)作為穩(wěn)態(tài)分析的仿真模型，如下圖所示，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，其中，風(fēng)扇葉片的旋轉(zhuǎn)速度是850rpm。
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，本次穩(wěn)態(tài)計算選擇了網(wǎng)格靜止不動的MRF旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系法，計算迭代步數(shù)400步，相關(guān)設(shè)置如下。
仿真結(jié)果
迭代完成之后仿真云圖如下所示：
仿真平臺對比
我們進(jìn)行Fluent旋轉(zhuǎn)機(jī)械穩(wěn)態(tài)分析時,“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：
計算過程中三個平臺的一些輸出日志如下圖所示：
本次仿真并行規(guī)模分別選取了16核、32核、64核、128核（受限于另外兩個平臺無法進(jìn)行跨節(jié)點(diǎn)并行，并行規(guī)模無法進(jìn)一步擴(kuò)大），我們在SimForge?平臺進(jìn)行了256核等更大規(guī)模的并行計算，結(jié)果顯示計算用時會進(jìn)一步縮短。SimForge?高性能仿真云平臺與其他幾家仿真云平臺的計算時間如下圖所示，其中，由于仿真云平臺2最高只能64核并行使用，故圖表中無仿真云平臺2并行規(guī)模為128核的結(jié)果。
可以發(fā)現(xiàn)，SimForge?高性能工業(yè)仿真平臺在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真分析時，表現(xiàn)出了絕對的速度優(yōu)勢。
展開 Fluent仿真實例｜穩(wěn)態(tài)MRF方法在模擬離心風(fēng)機(jī)中的有效性
在圖3中，升壓系數(shù)被繪制為流量系數(shù)的函數(shù)，且Fluent的預(yù)測結(jié)果與數(shù)據(jù)非常吻合。
圖3：升壓系數(shù) vs. 流量系數(shù)
功率系數(shù)結(jié)果如圖4所示。盡管趨勢預(yù)測正確，但與整個流量范圍內(nèi)的試驗數(shù)據(jù)相比，這些系數(shù)預(yù)測值過高，最大誤差約為12%。
圖4：功率系數(shù) vs. 流量系數(shù)
效率比較如圖5所示，反映了功率系數(shù)結(jié)果的差異；但對峰值效率點(diǎn)進(jìn)行了正確預(yù)測，且大部分效率值誤差均在10%以內(nèi)。
圖5：效率 vs. 流量系數(shù)
中等流速下轉(zhuǎn)子和風(fēng)機(jī)外殼上的壓力分布如圖6所示。在這個圖中，可以清楚地看到通過風(fēng)機(jī)的升壓情況，以及外殼中的徑向壓力梯度。
圖6：中等流速下的靜壓等值線
圖7顯示了在圖6所示的中等流速下，從相對速度矢量圖上看出，在這種流速以及更高的流速下，流動是相當(dāng)穩(wěn)定和均勻的。然而，在較低的流速下（未示出），局部回流區(qū)會導(dǎo)致一些葉片通道流動堵塞。在這些條件下，不太適合選用MRF公式對流動進(jìn)行模擬，而需要使用滑移網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬。
圖7：中等流速下中間平面上的速度矢量
總而言之，利用了Fluent CFD求解器在非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格上對后傾離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能計算。 計算結(jié)果與現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)吻合良好。此外，還正確地預(yù)測了重要的性能趨勢，如壓力上升和效率隨流量的變化以及效率峰值點(diǎn)。
這些結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)MRF方法可以有效地計算離心風(fēng)機(jī)的流量。雖然目前的計算是對風(fēng)機(jī)內(nèi)平均流場的合理近似，但可以預(yù)見的是，當(dāng)流體在非常低的流速下開始分解時，流動將變得非常不穩(wěn)定。因此，穩(wěn)態(tài)MRF方法無法滿足精度要求，需要非穩(wěn)態(tài)（滑移網(wǎng)格）來進(jìn)行求解計算。
展開 三十九、Fluent時間步長的估算與庫朗數(shù)
</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(fèi)獲取文章的cas及dat文件和更多幫助文件</p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p>
展開 二十九、Fluent瞬態(tài)時間步長與迭代步數(shù)的討論
</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)。剛開始給網(wǎng)格的值可能不收斂，甚至和收斂網(wǎng)格相差很大，所以需要多次迭代。</p><p><br></p><p>而對非穩(wěn)態(tài)來說，需要定義流動時間。
展開 Fluent滑移網(wǎng)格----物理時間步長的設(shè)定【轉(zhuǎn)】
在Fluent中計算帶旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)區(qū)域和固定區(qū)域。MRF法的模型固定，以運(yùn)動的坐標(biāo)系來模擬旋轉(zhuǎn)流場，是快速有效的定常計算方法。Moving Mesh法運(yùn)動的不是坐標(biāo)系，而是物理模型和部分網(wǎng)格。當(dāng)旋轉(zhuǎn)區(qū)域及其內(nèi)部物體的相對速度為0時，整個旋轉(zhuǎn)域作剛體轉(zhuǎn)動。在每個時間步需要將interface節(jié)點(diǎn)上的流動變量進(jìn)行傳遞，以實現(xiàn)兩個區(qū)域的流場耦合求解。這相對于網(wǎng)格重生成的方法來說可以節(jié)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(shè)定物理時間步和每步的迭代步數(shù)就很重要了。前者經(jīng)驗上往往設(shè)為轉(zhuǎn)速倒數(shù)的1/10，轉(zhuǎn)速單位為rad/s；后者根據(jù)需要常設(shè)在10~30之間。
在用Moving Mesh進(jìn)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(jié)果的可信度。同時還要注意旋轉(zhuǎn)域的物理量往往變化劇烈，需要較密的網(wǎng)格，Pressure discretization建議采用presto!格式。
PS：滑移網(wǎng)格計算量確實挺大，我現(xiàn)在做的全機(jī)帶螺旋槳的網(wǎng)格，旋轉(zhuǎn)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
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fluent做化學(xué)反應(yīng)時，時間越長密度越低？
fluent做化學(xué)反應(yīng)時，在0.1秒，密度接近生成物密度，越往后反應(yīng)密度越低，怎么回事
