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前言CFD是工業(yè)仿真領(lǐng)域重要的分支之一，也是高性能計(jì)算的主要應(yīng)用場(chǎng)景之一。本期選取了CFD領(lǐng)域的典型場(chǎng)景，穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算案例——基于MRF方法的旋轉(zhuǎn)機(jī)械流場(chǎng)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(lái)看下基于“神工坊”高性能工業(yè)仿真平臺(tái)”的CFD穩(wěn)態(tài)計(jì)算，和其他仿真云平臺(tái)效率對(duì)比的情況。

3 FLUENT MESHING設(shè)置采用了Fluent meshing進(jìn)行前處理，采用多面體-核心六面體的方法對(duì)體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。4 FLUENT 設(shè)置4.1 General設(shè)置由于是穩(wěn)態(tài)求解問題，此處設(shè)置為穩(wěn)態(tài)計(jì)算模式。4.2 邊界條件設(shè)置SFS2設(shè)置為無(wú)滑移壁面，其余壁面設(shè)置free slip。

</p><p><br></p><p>但是實(shí)際上部分流動(dòng)、傳熱問題在一定的時(shí)間之后，不再隨時(shí)間而變化，達(dá)到了穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)我們只考慮穩(wěn)定之后的狀態(tài)時(shí)，就可以用穩(wěn)態(tài)進(jìn)行計(jì)算；而如果我們想要研究達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前的狀態(tài)，就必須使用瞬態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

前言CFD是工業(yè)仿真領(lǐng)域重要的分支之一，也是高性能計(jì)算的主要應(yīng)用場(chǎng)景之一。本期選取了CFD領(lǐng)域的典型場(chǎng)景，穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算案例——基于MRF方法的旋轉(zhuǎn)機(jī)械流場(chǎng)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(lái)看下基于SimForge?高性能仿真云平臺(tái)的CFD穩(wěn)態(tài)計(jì)算，和其他仿真云平臺(tái)效率對(duì)比的情況。

關(guān)于Fluent-Meshing的WaterTight封閉幾何的畫網(wǎng)格流程網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)有很多視頻資源，這里不做細(xì)講。 設(shè)置穩(wěn)態(tài)CFD計(jì)算，并啟用粘性湍流模型中的k-e Realizable模型，此模型適用于有個(gè)別網(wǎng)格質(zhì)量稍差且無(wú)強(qiáng)曲率旋轉(zhuǎn)的情形，且對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量要求不高。

穩(wěn)態(tài)熱分析o 核心求解器為 ANSYS Mechanical，適合快速驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)可行性，常作為瞬態(tài)或耦合分析的前置步驟。o 輻射僅支持表面輻射（角系數(shù)計(jì)算），無(wú)法考慮氣體介質(zhì)的輻射吸收 / 發(fā)射。2. 瞬態(tài)熱分析o 需設(shè)置合理時(shí)間步長(zhǎng)（如用自動(dòng)時(shí)間步控制收斂），避免溫度突變導(dǎo)致結(jié)果振蕩。o 支持材料熱導(dǎo)率、比熱容隨溫度變化，適配高溫合金、復(fù)合材料等非線性場(chǎng)景。

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(duì)后傾離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能計(jì)算。 計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。此外，還正確地預(yù)測(cè)了重要的性能趨勢(shì)，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(jì)算離心風(fēng)機(jī)的流量。

本案例利用Fluent中的MRF模型，對(duì)螺旋槳敞水水動(dòng)力性能問題進(jìn)行了仿真計(jì)算。該案例僅對(duì)螺旋槳的穩(wěn)態(tài)計(jì)算進(jìn)行了簡(jiǎn)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(jì)算了進(jìn)速系數(shù)為0.4的工況，計(jì)算結(jié)果與相關(guān)實(shí)驗(yàn)較為接近。

偽瞬態(tài)的作用實(shí)際上是增加收斂性的，當(dāng)你的穩(wěn)態(tài)計(jì)算收斂性不好時(shí)，可以將穩(wěn)態(tài)計(jì)算更改為偽瞬態(tài)計(jì)算，收斂性會(huì)增強(qiáng)。</p><p><br></p><p>當(dāng)然還可以通過(guò)前面所說(shuō)的降低松弛因子的方式來(lái)增強(qiáng)收斂性。

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(duì)后傾離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能計(jì)算。 計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。此外，還正確地預(yù)測(cè)了重要的性能趨勢(shì)，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(jì)算離心風(fēng)機(jī)的流量。雖然目前的計(jì)算是對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)平均流場(chǎng)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(shí)，流動(dòng)將變得非常不穩(wěn)定。

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(duì)體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。由于穩(wěn)態(tài)計(jì)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(chǎng)網(wǎng)格導(dǎo)入。然后通過(guò)附加case文件的方式，將內(nèi)部流場(chǎng)網(wǎng)格導(dǎo)入。

當(dāng)Length Scale被定義時(shí)：，當(dāng)step length factor被定義時(shí)，（表示粒子穿越當(dāng)前網(wǎng)格所需估計(jì)時(shí)間 兩者的不同之處在于，step length factor允許Fluent根據(jù)粒子穿越網(wǎng)格所需的時(shí)間步數(shù)來(lái)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng) 顆粒追蹤選項(xiàng) 穩(wěn)態(tài)粒子追蹤與穩(wěn)態(tài)流動(dòng) 非定常粒子追蹤與穩(wěn)態(tài)流動(dòng) 非定常流動(dòng)中的非定常粒子追蹤，包括相同顆粒與連續(xù)相時(shí)間步長(zhǎng)，

wx_fmt=png"></p><p class="ql-align-center">圖3.求解器界面</p><p>后一步，當(dāng)設(shè)置完時(shí)，計(jì)算機(jī)就會(huì)進(jìn)行計(jì)算了。對(duì)于Run Calculation，分為兩種工況，瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)界面如圖4所示，只需要在Number of Iterations中輸入數(shù)值，表示計(jì)算步數(shù)，然后點(diǎn)擊Calculate就會(huì)進(jìn)行計(jì)算了。

不過(guò)該問題可以通過(guò)添加體積熱量的方式來(lái)彌補(bǔ)，類似于fluent讀取熱量方式。參考文章以前發(fā)布的方法。 另外后處理方式可以采用CFD-post界面來(lái)處理，方便易用。 4. 穩(wěn)態(tài)溫升計(jì)算 除了利用流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，我們還可以采用穩(wěn)態(tài)溫升計(jì)算方法。

本案例利用Fluent中的MRF模型，對(duì)螺旋槳敞水水動(dòng)力性能問題進(jìn)行了仿真計(jì)算。該案例僅對(duì)螺旋槳的穩(wěn)態(tài)計(jì)算進(jìn)行了簡(jiǎn)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(jì)算了進(jìn)速系數(shù)為0.4的工況，計(jì)算結(jié)果與相關(guān)實(shí)驗(yàn)較為接近。

優(yōu)勢(shì)和局限性： 使用matlab求解二維非穩(wěn)態(tài)對(duì)流擴(kuò)散反應(yīng)問題具有以下優(yōu)勢(shì)： 靈活性：matlab提供了豐富的數(shù)值計(jì)算和可視化工具，使得求解過(guò)程更加靈活和方便。 高效性：matlab中的數(shù)值方法和線性代數(shù)求解器可以高效地求解大規(guī)模的方程組，提高計(jì)算效率。 可視化：matlab中的可視化工具可以直觀地展示數(shù)值解，幫助我們更好地理解和分析問題。

1980 年代初期，在謝菲爾德大學(xué)大樓的多位人士的貢獻(xiàn)下，Ansys Fluent成為第一個(gè)具有圖形用戶界面和工作流程而非命令行輸入的商業(yè)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 軟件。隨著它在行業(yè)中的采用，Fluent 的受歡迎程度逐年增加。2006 年 5 月，Fluent Inc. 被 Ansys 收購(gòu)。

再比如水的蒸發(fā)，隨著時(shí)間的推移，水的量一直在減少，因此這樣的過(guò)程就不是穩(wěn)態(tài)的，計(jì)算時(shí)只能用瞬態(tài)計(jì)算。即便是穩(wěn)態(tài)，其前期也一定存在瞬態(tài)這樣一個(gè)過(guò)程。因此黑格爾說(shuō)存在就是合理的，存在就是應(yīng)當(dāng)消亡的。萬(wàn)物都是脆弱易逝的。

求解器算法：SIMPLE和SIMPLEC通常用于穩(wěn)態(tài)，瞬態(tài)計(jì)算推薦使用PISO；當(dāng)網(wǎng)格比較歪斜時(shí)，無(wú)論穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)，PISO較好；（亞松弛因子PISO：壓力項(xiàng)+動(dòng)量項(xiàng)=1）16. 加速收斂方法：設(shè)置合理的初場(chǎng)；調(diào)整松弛因子和庫(kù)朗數(shù)Courant；調(diào)整網(wǎng)格設(shè)置；17. 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證：至少畫三種網(wǎng)格（細(xì)分不同）；比較：壓降、總體傳熱系數(shù)、特征位置上平均壓力或溫度；18.