AVL-FIRE求解器的设置

TM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page1AdvancedSimulationTechnologiesFIREFIRE求解器的设置求解器的设置舒红舒红TM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page2AdvancedSimulationTechnologiesBoundaryconditions边界条件TM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page3AdvancedSimulationTechnologies边界条件入口及出口条件的选择（常规应用）：对于进气歧管稳态计算，一般进口用流量，出口用静压或梯度为零；若是瞬态计算，往往进出口都采用压力边界条件（试验测得的或BOOST算出的瞬态压力值），如果计算不易收敛，则建议进出口都采用流量（出口流量的值要改变符号）对于气道计算，一般在稳压箱入口面加总压，气缸出口处加静压，为了确保计算的收敛，出口面不能有回流，所以气缸的长度至少要为缸径的2.5倍对于冷却水套一般进口定义流量，出口定义静压或梯度为零。建议是有实测的静压值，这样有助于加快计算收敛。TM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page4AdvancedSimulationTechnologies边界条件入口处湍流值的给定：一般“turb.ref.velocity”处填入进口平均速度（可根据流量估算）“%ofmeanvelocity”一般填1-10“%ofhydraulicdiameter”一般填5-10这样Turb.kin.energy及下面两项都会由程序自动算出一般来说，TKE的值大一些对计算收敛有帮助TM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page5AdvancedSimulationTechnologies边界条件某些边界条件的说明：Gradient=0-pressure:起到简化非反射边界条件的作用,适用于压力损失更大及可压缩性更强的情况(见附图,如：Mach=1.9).Gradient=0-allvariables:这意味着变量值在不保证总体连续的情况下被外插,适用于可压缩流动.流量也可作为出口边界条件（负流量）,在出口处不固定诸如:湍流,耗散,温度和被动标量等TM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page6AdvancedSimulationTechnologies„1000次迭代后,‘方案1’收敛的残值比‘方案2’低一个量级.边界条件„进口:massflow+fixedturbulence„出口:staticpressure+not-fixedturb.„进口:staticpressure+fixedturbulence„出口:massflow+not-fixedturb.方案１方案１方案２方案２TM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page7AdvancedSimulationTechnologiesFluidPropertyandInitialCondition流体物性和初始条件TM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page8AdvancedSimulationTechnologies流体物性和初始条件„流体物性可预设为常量(空气,流体或新物性),也可用公式定义„如果有组分输运,物性值会被重新计算„对于空气和可压缩气体,初始值被作为物性值,气体状态方程用于更新三个变量(压力,温度和密度)中定义为0的那个。如果它们都不为0,那么密度被更新„所有变量在全场的初始化可通过均匀初始化和势流场初始化来实现„对于瞬态计算，初始条件必须准确给定，因为后续时间步的结果直接受其影响。柴油机缸内流动计算（进气门关开始）的初始涡流场可在界面直接设定TM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page9AdvancedSimulationTechnologies流体物性和初始条件如果激活1-方程湍流模型(计算湍流粘度),Spalart-Allmaras模型将被采用。迭代几步之后计算将转用实际选择的湍流模型。得到湍流粘度后,初始湍流长度尺度被用于重新计算耗散率和湍动能公式编辑器也可被用于设置初始值计算多孔介质时,可以预设很小的通过多孔介质的初始速度。(这对催化转化器和管摩擦模型的使用是重要的)TM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page10AdvancedSimulationTechnologiesDiscretization离散TM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page11AdvancedSimulationTechnologies离散离散„空间离散:计算边界值和导数„计算边界值:Extrapolate（外差）andMirror（镜面对称）„‘Extrapolated’使用以下的表达式Mirror对于边界网格质量不好的情况更为适用，可作为“默认”选项计算导数的方法:LeastSq.Fit（最小二乘法）andGauss（高斯法）Gauss作为“默认”选项()jPPjPdφφφ−=∇rTM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page12AdvancedSimulationTechnologies离散离散Cellfaceadjustment:动量方程的切向扩散项被法向扩散项的值制约扩散项可表示为:这意味着画线项的值要被第一项的值制约这种处理主要用于湍流方程以及能量方程不建议用它作为默认选项因为如果这种限制在很多单元起作用,那么会影响能量守衡.但是,它对质量不好的网格计算有帮助()2jjjjjPPjjjjjjjjAADAdAdAdφφφφφ⎛⎞=Γ−+Γ∇−⎜⎟⎜⎟⎝⎠rrrrrrrrTM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page13AdvancedSimulationTechnologies„应用了以下限制:Realizabilityconstraints()2220;.ijijijuuijuuuu≥=≤„同时控制局部湍流粘度的最高值，保证计算的稳定性:123min,max(,,)ttkρμμααα⎡⎤=⎢⎥⎣⎦TM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page14AdvancedSimulationTechnologiesRealizabilityconstraints„Realizibilityconstraints-NO„realizibilityconstraints-YES„Realizabilityconstraints可允许提高松弛因子„低风险TM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page15AdvancedSimulationTechnologies-给定速度方向(压力边界条件)-人造的可压缩性-realizibility-稳态计算:URF_velocity=0.8URF_pressure=0.2URF_turbulence=0.6LinuxPC2.4GHz-4hoursRealizabilityconstraintsTM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page16AdvancedSimulationTechnologiesArtificialcompressibility(AC)Artificialcompressibility(AC)„FIREv8.5中,人工可压缩性（ArtificialCompressibility)实现了每个单元采用不同的时间步长，即不容易收敛的单元采用较小的时间步，而易收敛的单元采用较大的时间步„这样松弛因子可以加大„冷却水套通过激活AC，计算速度可提高２倍，即为原来的３倍TMTM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page17AdvancedSimulationTechnologiesSolutionalgorithm算法TM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page18AdvancedSimulationTechnologiesSIMPLE/SIMPLECSIMPLE/SIMPLEC这个算法是从离散的连续方程和动量方程里导出一个压力校正方程SIMPLE和SIMPLEC的差别在于速度的更新方法不同SIMPLEC对于松弛因子的依赖较弱,压力的校正甚至不需要下松弛SIMPLEC对于一些压力-速度耦合起的作用较大的应用会得到更好的结果.而在一些有其他源项的情况下,如较强的湍流,喷雾,燃烧时SIMPLE法算得会更好SIMPLE是默认的选项TM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page19AdvancedSimulationTechnologiesTurbulencemodels湍流模型TM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page20AdvancedSimulationTechnologies湍流模型湍流模型„S-A单方程模型：一般用于高马赫数流动„涡粘性/耗散模型（k-e）：双方程模型。基于Boussinesq假设，隐含湍流是各相同性的，导致对复杂流动的模拟不够准确。优点是计算稳定性好，对计算资源的要求和花费低。适合工程应用。„k-ζ−f：四方程模型，精度和稳定性都较好，推荐使用，计算时间仅比k-e模型多15%。„RSM模型：对每个湍流应力分量的求解能准确模拟湍流应力场及其各相异性。缺点是对计算资源有很高的要求，计算稳定性较差。„AVL复合湍流模型（HTM)：AVL研究发现k-e模型无法准确模拟汽车尾部流动，而应用RSM模型的瞬态流动分析则能很好模拟尾涡脱落现象。为了结合k-e模型与RSM模型的优点，提出了AVL复合湍流模型，其中k-e模型中的Cμ不再是常数，而通过与RSM模型偶合求得。TM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page21AdvancedSimulationTechnologies对湍流应力项的处理对湍流应力项的处理23jiikijijijjikUDUUUPuuDtxxxxxρμδρ⎡⎤⎛⎞∂∂∂∂∂=−++−−⎢⎥⎜⎟⎜⎟∂∂∂∂∂⎢⎥⎝⎠⎣⎦223ijtijijuuSkρμρδ−=−12jiijjiUUSxx⎛∂⎞∂=+⎜⎟⎜∂∂⎠⎝2tkCμμρε=2'3ijijjijijikikjksklkkkkkljiijjiuuuuUuuuuUkUuuuuCuutxxxxxxuupxx∂∂∂∂∂∂∂ν∂∂∂∂∂∂ε∂∂∂δερ∂∂⎡⎤⎛⎞+=−+++⎢⎥⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦⎛⎞−++⎜⎟⎜⎟⎝⎠RSMK-ε-稳定可靠-精度高,,?iijUuupcoupling−动量方程动量方程线性应力－张量关系线性应力－张量关系((Boussinesq)Boussinesq)雷诺应力方程雷诺应力方程TM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page22AdvancedSimulationTechnologies()tkjkjDkkPDtxxμρρεμσ⎤⎡⎛⎞∂∂=−++⎥⎢⎜⎟∂∂⎥⎝⎠⎣⎦132ktkkjkjUDCPCkCDtxkxxεεεμεεερρεμσ⎤⎡⎛⎞⎛⎞∂∂∂=+−++⎥⎢⎜⎟⎜⎟∂∂∂⎥⎝⎠⎝⎠⎣⎦12iikuu=132kkijkjiUDkCPCkCCuuDtxkxxεεεεεε∂εεε∂⎛⎞⎛⎞∂∂=+−+⎜⎟⎜⎟∂∂⎝⎠⎝⎠KK--εεRSMRSM湍流模型湍流模型TM00110/02SolverFIRE8.52008-6-26|Page23AdvancedSimulationTechnologies23jiikijijijjikUDUUUPuuDtxxxxxρμδρ⎡⎤⎛⎞∂∂∂∂∂=−++−−⎢⎥⎜⎟⎜⎟∂∂∂∂∂⎢⎥⎝⎠⎣⎦2'3ijijjijijikikjksklkk