渦流模擬的案例
CFD學習：渦流脫落模擬
影響渦旋脫落頻率的因素
表面粗糙度
表面粗糙度導致氣流更早分離，形成更不穩定和更大的渦流。
攻角
在低攻角下，沒有渦流脫落。
隨著攻角的增加，分離開始發生得更早，導致渦旋脫落頻率增加，脫落模式更強。
速度
氣流的速度影響渦流的形成和行為。
高空速意味著高渦流脫落頻率——氣流與結構之間更強的相互作用導致頻繁的渦流脫落。
流動行為
層流（低雷諾數）通常幾乎沒有渦旋脫落。
湍流行為（高雷諾數）會在較高頻率下產生許多較小的復雜模式渦流。
在飛機設計過程中，必須仔細研究上述因素的綜合影響，避免對飛機的安全和性能產生重大影響。一種方法是使用渦旋脫落模擬。
用于分析飛機性能的渦旋脫落模擬
渦流脫落對飛機中引起的升力和阻力有顯著影響。這些空氣動力的預測及其對飛機性能的影響通過基于 CFD 的渦流脫落模擬得到簡化。工程師可以模擬飛機周圍的流動行為來分析渦流脫落頻率并評估其對“鈍體”部件的影響。獲得的結果可以為有關空氣動力學表面設計優化的決策提供信息，從而最大限度地減少渦流脫落對飛機性能和穩定性的影響。
渦旋脫落分析的 CFD 模擬涉及求解與飛機表面周圍流體運動相關的Navier-Stokes 方程。可以分析表面上的壓力分布以計算作用在飛機上的升力和阻力。
展開 減少渦流脫落：使用 CFD 模擬和分析振蕩流型
在數學上，頻率可以表示為：
Fs 是渦流脫落頻率或斯特勞哈爾頻率
S 是斯特勞哈爾數
Vo 是流體流動的速度
D是圓柱體的直徑
通過高效的流體系統分析減少渦流脫落
渦流脫落可能不利于流體流動系統在共振頻率或接近共振頻率下的運行。因此，探索減少渦流脫落的方法至關重要。徹底的渦流脫落分析有助于評估：
鈍體結構及其對渦流形成的影響
流體系統分析——結構材料的機械性能和流體特性（溫度、壓力、速度）
流固耦合過程中系統中產生的應力
共振頻率和 VIV 評估
借助 CFD 工具可以更好地執行分析。這些工具不僅可以幫助模擬渦流脫落行為，而且還可以通過求解與流體相關的 Navier-Stokes 方程來深入了解流動動力學。
如上所述，為減少管道流系統中的渦流脫落，建議提供更多的管道支撐以抵消振動。許多實驗還發現，在鈍體（例如熱電偶套管）上增加螺旋槽有利于最大限度地減少渦流脫落的影響。
CFD 工具可幫助您設計可靠的流動系統
Cadence 的 CFD 工具有助于解決流體通過阻流體時的復雜流動問題。這些工具可以對復雜的渦流脫落行為進行數值模擬，并解決壓力、速度和頻率校正問題——所有減少渦流脫落以優化流體系統所需的關鍵計算。
文章來源：cadence博客
展開 ABAQUS模擬卡門渦流Step by Step操作 ￥3
采用ABAQUS軟件Step by Step演示如何模擬卡門渦流：
【CAE案例】利用三維水動力模型研究模擬澤布魯日港的渦流模式
與基礎工況相比，模擬的渦流模式發生了顯著變化(圖5)。首先，可以看到相同的射流發展(圖5a)。然而，它的位置略有不同。因此初級渦旋的環流略微增強，而形成的次級環流則略弱于基礎工況的次級環流(圖5b)。因此，在使用全場統一的曼寧粗糙度系數后，主渦旋不會隨著時間的推移而消失(圖5c)，最終在退潮階段在港口仍存在有兩個渦流，而不是一個(圖5d)，這與ADCP的測量結果是不一致的。
圖5 在不增加港口沿岸底部摩擦時，渦旋演變過程圖
B．湍流模型/渦流粘度
為了測試水平湍流模型設置對港口模型的敏感性，IMDC的工程師采用了水平渦流粘度恒定為1 m2/s的模型來進行仿真計算。計算表明，采用恒定水平渦流粘度模型時結果比水平渦流粘度約為0.01 m2/s的Smagorinsky格式略高。高粘度系數的使用削弱了港口入口處的射流(圖6a)。隨著時間演進，次級渦旋產生，但仍弱于主渦旋(圖6b)。因此在這種情況下，在退潮開始時，主渦旋仍留在港口(圖6c)，且比次級渦旋略強。然而，隨著時間演進，主渦旋最終消失，流動方向最終與ADCP的測量結果相同(圖6d)。
圖6 采用1m2/s的恒定水平粘滯度的模型計算結果
06 研究結論
IMDC的工程師為了研究澤布魯日港的渦旋，建立了三維水動力的模型。經過對比驗證，水動力模型的計算結果與ADCP的實際測量結果吻合度高。當一個強入流輸入港口，在高水位到達前會形成一個強射流，該射流將產生一個順時針旋轉的主渦旋和一個逆時針旋轉的次級渦旋，其中只有逆時針的次級渦旋在退潮時仍然可見。對水動力模型的敏感性分析表明，計算結果對靠近港口邊緣的河床摩擦非常敏感，且水平渦流粘滯度的變化也會導致港口內出現不同數量的渦。
展開 
基于v2-f 湍流模型模擬強自由渦流
本案例基于COMSOL軟件的v2-f湍流模型模擬了旋流器內的強渦流運動，仿真結果如圖所示：
感興趣的朋友，歡迎交流
某柴油機進氣道數值分析及試驗對比
2.渦流比和平均渦流比
渦流的穩態研究一般是在距缸頭1.75倍缸徑的面上以平行于氣缸軸線的線為中心軸的一個旋流，定義為渦流。渦流比主要是依據在這個平面上速度的切向分量（與氣缸軸平行的速度分量）計算出的。從渦流比分布圖可以看出，渦流比模擬值和試驗值隨著氣門升程的增加變化趨勢一致，均是隨著氣門升程的增加而減小。在小氣門升程時，渦流比值較高，這是由于小氣門升程時，氣流流通面積小，氣門前后壓力差大，導致氣體流速高，缸內氣流旋轉速度大。隨著氣門升程的增大，渦流比逐漸減小。大氣門升程時，渦流比相對較穩定。
進氣道渦流比的試驗值高于模擬值。這是由于渦流比和流量系數成反比，流量系數越大，渦流比越小。
前述流量系數模擬值高于試驗值，所以渦流比模擬值小于試驗值。
計算得到的進氣道平均渦流比模擬值和試驗值分別為1.98和2.12。其模擬值低于試驗值，這也與各個工況點下渦流比的模擬值與試驗值趨勢相一致。
3.缸內氣流
圖4所示為典型的三種工況下缸內氣流流動跡線圖。紅色橢圓內代表經左側氣門進入缸內的流動狀況，紅色箭頭代表經右側氣門進入缸內的流動狀況。
工況1為小氣門升程，此時氣門開度僅1mm，氣流主要繞氣門表面進入氣缸內部，此時前面所述的氣門座圈倒角對提高渦流比作用明顯。從圖中可以看出，氣流經左右兩個進氣門形成一個繞氣缸軸線的強烈漩渦。工況5為中氣門升程，最高達到5mm，此時氣門升程增加，氣流經左右兩側氣門進入氣缸內部形成的漩渦沒有小氣門升程時規則，氣門座圈倒角對氣流的導向作用減小，經右側氣門進入的氣流對經左側氣門進入的氣流形成的干涉加大，導致渦流比減小。
展開 某柴油機進氣道數值分析及試驗對比
結語
柴油機進氣過程中形成的渦流對柴油機的性能有很大影響。本文通過結合模擬分析，結合試驗對比兩種方法對進氣道性能的研究，得出以下結論：
（1）隨著氣門升程增加，流量系數與渦流比的各自模擬值與試驗值的變化趨勢均保持一致；
（2）流量系數模擬值稍大于試驗值，而渦流比模擬值稍小于試驗值；
（3）本柴油機的氣門座圈倒角在小氣門升程時對提高渦流比有明顯作用，但在大氣門升程時沒有作用，需要優化氣門座圈和氣門結構。
Ansys Fluent：CFD 創新史
請耐心等待這個時間旅行場景，因為到 2022 年，Fluent 將成為第一個引入非結構化有限體積、完全駐留的多 GPU 求解器的商業 CFD 軟件，克服卸載限制并擾亂 CFD 模擬市場。
Adjoint求解器于 2014 年首次在 Fluent 中引入，通過使用伴隨靈敏度來驅動設計師不直觀的智能設計更改，從而徹底改變 CFD 模擬的見解。自問世以來，伴隨求解器的可靠性和可用性不斷發展成為一個全面的產品優化框架。
使用 2014 年推出的 Adjoint 求解器通過自動形狀優化來優化設計。
2016 年：Fluent 打破了 170,000 個核心的超級計算記錄
研究和開發高性能計算 (HPC) 以提高 Fluent 的并行可擴展性一直是——而且仍然是——一個重點關注領域。2016 年，Cray Inc. 和斯圖加特大學的高性能計算中心 (HLRS) 將 Fluent 擴展到超過 172,000 個計算機內核，從而創造了新的超級計算世界紀錄，使組織能夠更快地為其產品創建創新和突破性的完整虛擬原型并且比以往任何時候都更有效率。
2017：PUMA 適應和 SBES 湍流模型
商業 CFD 軟件的另一項尖端創新是在 2017 年引入了獲得專利的多面體非結構化網格自適應 (PUMA)。這種自適應技術自動動態地細化網格以跟蹤流中的精細細節。因此，工程師可以在需要的地方獲得所需的精度來捕獲仿真細節，同時將較粗的網格留在其他地方以縮短求解時間。
通過自動細化網格來解決精細細節，同時使用 2017 年推出的多面體非結構化網格自適應 (PUMA) 保留較粗的網格，從而加快求解時間。
同年，應力混合渦流模擬 (SBES) 湍流模型 克服了混合 RANS-LES 模擬的固有問題。
展開 轉貼：有限元的未來是多物理場耦合
在這個摩擦攪拌焊接的模擬過程中，將三維的傳熱分析和二維軸對稱的渦流模擬耦合起來。傳熱分析計算在刀具表面施加熱流密度后，結構的熱分布。可以提取出刀具的位移，熱邊界條件，以及焊接處材料的熱學屬性。接下來將刀具表面處的三維熱分布映射到二維模型上。耦合起來的模型就可以計算在加工過程中熱和流體之間的相互作用。
將基片的電磁、電阻以及傳熱行為耦合起來需要一個真正的多物理場分析工具。一個典型的應用是在半導體的加工和退火的工藝中，有一種利用感應加熱的熱壁熔爐，它用來讓半導體晶圓生長，這是電子行業中的一項關鍵技術。
例如，金剛砂在2,000°C的高溫環境下可以取代石墨接收器，接收器由功率接近10KW的射頻裝置加熱。在如此高溫下要保持爐內溫度的均勻，爐腔的設計至關重要。經過多物理場分析工具的分析，發現熱量主要是通過輻射的方式進行傳播的。在模型內不僅可以看到晶圓表面溫度的分布，還可以看到熔爐的石英管上的溫度分布。
在電路設計中，影響材料選擇的重要方面是材料的耐久性和使用壽命。電器小型化的趨勢使得可在電路板上安裝的電子元件發展迅猛。眾所周知，安裝在電路板上的電阻以及其他一些元件會產生大量的熱，進而可能使得元件的焊腳處產生裂縫，最后導致整個電路板報廢。
多物理場分析工具可以分析出整個電路板上熱量的轉移，結構的應力變化以及由于溫度的上升導致的變形。這樣做可以用來提升電路板設計的合理性以及材料選擇的合理性。
計算機能力的提升使得有限元分析由單場分析到多場分析變成現實，未來的幾年內，多物理場分析工具將會給學術界和工程界帶來震驚。單調的“設計－校驗”的設計方法將會慢慢被淘汰，虛擬造型技術將讓你的思想走得更遠，通過模擬仿真將會點燃創新的火花。
展開 有限元科技內參-有限元行業應用現狀及趨勢探索
在這個摩擦攪拌焊接的模擬過程中，將三維的傳熱分析和二維軸對稱的渦流模擬耦合起來。
傳熱分析計算在刀具表面施加熱流密度后，結構的熱分布。可以提取出刀具的位移，熱邊界條件，以及焊接處材料的熱學屬性。接下來將刀具表面處的三維熱分布映射到二維模型上。耦合起來的模型就可以計算在加工過程中熱和流體之間的相互作用。
半導體晶圓生長
將基片的電磁、電阻以及傳熱行為耦合起來需要一個真正的多物理場分析工具。一個典型的應用是在半導體的加工和退火的工藝中，有一種利用感應加熱的熱壁熔爐，它用來讓半導體晶圓生長，這是電子行業中的一項關鍵技術。
例如，金剛砂在2，000°C的高溫環境下可以取代石墨接收器，接收器由功率接近10KW的射頻裝置加熱。在如此高溫下要保持爐內溫度的均勻，爐腔的設計至關重要。
經過多物理場分析工具的分析，發現熱量主要是通過輻射的方式進行傳播的。在模型內不僅可以看到晶圓表面溫度的分布，還可以看到熔爐的石英管上的溫度分布。
電路設計
在電路設計中，影響材料選擇的重要方面是材料的耐久性和使用壽命。電器小型化的趨勢使得可在電路板上安裝的電子元件發展迅猛。
眾所周知，安裝在電路板上的電阻以及其他一些元件會產生大量的熱，進而可能使得元件的焊腳處產生裂縫，最后導致整個電路板報廢。
多物理場分析工具可以分析出整個電路板上熱量的轉移，結構的應力變化以及由于溫度的上升導致的變形。這樣做可以用來提升電路板設計的合理性以及材料選擇的合理性。
計算機能力的提升使得有限元分析由單場分析到多場分析變成現實，未來的幾年內，多物理場分析工具將會給學術界和工程界帶來震驚。
單調的“設計-校驗”的設計方法將會慢慢被淘汰，虛擬造型技術將讓你的思想走得更遠，通過模擬仿真將會點燃創新的火花。
展開 探討：有限元的未來是什么？
隨著計算機技術的迅速發展，在工程領域中，有限元分析(FEA)越來越多的用于仿真模擬，來求解真實的工程問題。
這些年來，越來越多的工程師、應用數學家和物理學家已經證明這種采用求解偏微分方程(PDE)的方法可以求解許多物理現象，這些偏微分方程可以用來描述流動、電磁場以及結構力學等等。有限元方法用來將這些眾所周知的數學方程轉化為近似的數字式圖象。
需求
早期的有限元主要關注于某個專業領域，比如應力或疲勞，但是，一般來說，物理現象都不是單獨存在的。
例如，只要運動就會產生熱，而熱反過來又影響一些材料屬性，如電導率、化學反應速率、流體的粘性等等。這種物理系統的耦合就是我們所說的多物理場，分析起來比我們單獨去分析一個物理場要復雜得多。很明顯，我們現在需要一個多物理場分析工具。
在上個世紀90年代以前，由于計算機資源的缺乏，多物理場模擬僅僅停留在理論階段，有限元建模也局限于對單個物理場的模擬，最常見的也就是對力學、傳熱、流體以及電磁場的模擬。看起來有限元仿真的命運好像也就是對單個物理場的模擬。
發展
現在這種情況已經開始改變。經過數十年的努力，計算科學的發展為我們提供了更靈巧簡潔而又快速的算法，更強勁的硬件配置，使得對多物理場的有限元模擬成為可能。
新興的有限元方法為多物理場分析提供了一個新的機遇，滿足了工程師對真實物理系統的求解需要。有限元的未來在于多物理場求解。
千言萬語道不盡，下面只能通過幾個例子來展示多物理場的有限元分析在未來的一些潛在應用。
展開 
探討：有限元的未來是什么？
在這個摩擦攪拌焊接的模擬過程中，將三維的傳熱分析和二維軸對稱的渦流模擬耦合起來。
傳熱分析計算在刀具表面施加熱流密度后，結構的熱分布。可以提取出刀具的位移，熱邊界條件，以及焊接處材料的熱學屬性。接下來將刀具表面處的三維熱分布映射到二維模型上。耦合起來的模型就可以計算在加工過程中熱和流體之間的相互作用。
半導體晶圓生長
將基片的電磁、電阻以及傳熱行為耦合起來需要一個真正的多物理場分析工具。一個典型的應用是在半導體的加工和退火的工藝中，有一種利用感應加熱的熱壁熔爐，它用來讓半導體晶圓生長，這是電子行業中的一項關鍵技術。
例如，金剛砂在2,000°C的高溫環境下可以取代石墨接收器，接收器由功率接近10KW的射頻裝置加熱。在如此高溫下要保持爐內溫度的均勻，爐腔的設計至關重要。
經過多物理場分析工具的分析，發現熱量主要是通過輻射的方式進行傳播的。在模型內不僅可以看到晶圓表面溫度的分布，還可以看到熔爐的石英管上的溫度分布。
電路設計
在電路設計中，影響材料選擇的重要方面是材料的耐久性和使用壽命。電器小型化的趨勢使得可在電路板上安裝的電子元件發展迅猛。
眾所周知，安裝在電路板上的電阻以及其他一些元件會產生大量的熱，進而可能使得元件的焊腳處產生裂縫，最后導致整個電路板報廢。
多物理場分析工具可以分析出整個電路板上熱量的轉移，結構的應力變化以及由于溫度的上升導致的變形。這樣做可以用來提升電路板設計的合理性以及材料選擇的合理性。
計算機能力的提升使得有限元分析由單場分析到多場分析變成現實，未來的幾年內，多物理場分析工具將會給學術界和工程界帶來震驚。
單調的“設計-校驗”的設計方法將會慢慢被淘汰，虛擬造型技術將讓你的思想走得更遠，通過模擬仿真將會點燃創新的火花。
展開 ALGOR多物理場分析
真實世界的力學行為通常是多個場同時作用的結果，通過多物理場分析軟件，工程師可以模擬多物理因素共同作用下產品的行為。ALGOR提供了可以模擬結構、熱、流體、靜電等各種自然現象的分析工具，并可以自動地在不同的物理環境分析之間傳遞結果。ALGOR提供的完善而方便的有限元建模、結果評價與顯示的用戶界面FEMPRO為多物理場分析提供了完整的解決方案。
LS-Dyna ICFD不可壓縮流心臟瓣膜模擬 ￥199
隨著計算機計算效率的提高，LES 模型已經成為一種流行的技術，以模擬湍流模型。這些模 型基于以下的假設：大渦旋包含流動的大部分動能并且取決于幾何形狀，而較小的渦旋被認為更通用且獨 立于流動的幾何形狀。因此，LES 模型將對流動應用濾波器，直接解決大渦流，同時模擬較小的渦流。
圖 5 ICFD湍流模型
3. LS-DYNA ICFD 心臟瓣膜模擬
3.1模型介紹
本血流動力學實例突出了 ICFD 求解器的最強 FSI 能力。由于壓力差，心臟瓣膜小葉打開以允 許血液流動。然后，強烈的反壓迫使它們再次關閉，血流量減少。本案列中對于瓣膜和血管壁均采用超彈性材料模型，難點在于當瓣膜在壓力驅動下張開時，會帶動流體網格產生較大的變形，通常為避免網格拉扯出現負體積，一般結合動網格，例如Comsol動網格。但即便如此，仍會存在無法繼續計算的問題，下圖6展示為Comsol拉普拉斯動網格模型，并當網格質量較差時，打開網格重新劃分，但是即使這樣，當變形較大時，計算仍然停止了，上文介紹的ICFD網格自適應技術能夠很好的彌補這點缺陷。
注：Comsol依然強大，只是本人找不到合適的方法，在此沒有說明Comsol軟件能力弱
圖 6 Comsol動網格及網格重新劃分心臟瓣膜模擬
3.2模擬結果展示
圖 7 心臟瓣膜網格自動剖分展示
圖 8 心臟瓣膜仿真流場壓力展示
圖 9 心臟瓣膜打開模擬
展開 使用OpenFOAM的實用大渦仿真（LES）（英文，全套案例） ￥15
利用此情況，你將搭建并運行OpenFOAM中的LES模擬，比較不同的SGS模型，分析渦流脫落、尾流動力學和湍流統計。所有LES結果均與基線k–ω SST RAN模擬進行比較，以突出準確性和計算成本的權衡。課程還提供了實用建模指導，包括網格分辨率要求、時間步選擇、墻體解析與墻體建模的LES概念，以及需要避免的常見陷阱。從工程角度討論湍流尺度的估計和LES結果的解讀。為支持實踐學習，課程包含所有演示的完整OpenFOAM案例文件，以及總結理論概念、建模指南和最佳實踐的額外PDF文檔。課程結束時，您將有信心在實際工程應用中建立、運行和評估LES及混合RANS–LES仿真。
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