CAE心得体会

1.有关流体瞬态分析时间步长与单元长度关系①用FLUENT计算非稳态问题，是不是在计算时必须保证在每个时间步timestep里都要收敛才行，否则计算结果就不对呢？也就是说，在iteration选项里，maxiterationpertimestep设为一个值，比如500，就是如果500次迭代后仍未收敛，进入下一步迭代，那对结果会有什么影响。对于隐式非定常格式，原则上，每个时间步长内必须保证结果收敛。在fluent的帮助中就有这样的话：“对于不可压流动，在每个时间步内，不可压解必须迭代直至收敛。”另外，我们回归到fluent内部计算的本源，它实质就是一种差分算法，通过不断逼近来获得真实解，这样我们就不难理解为什么在每个时间步长内需要收敛了。maxiterationpertimestep设定的是最大时间步，在单一步长内，如果结果已经收敛，则会自动跳至下一时间进行计算。所以其设定要纵观全局。但对于周期性流动，这种收敛性的要求就相对松动一些。不过你需要多计算几个周期，等计算结果达到对时间的周期状态后，再对结果进行储存。对于显式非定常格式，在Fluent帮助中这样说：“一定记住，对于显式非定常格式，每一个迭代就是一个时间步。”如果每个时间步内结果没有得到收敛，则很有可能你所得到的结果是不真实的，但是一个时间步内的不真实性应该不会影响到下一个时间步长内的计算。因为在每一个时间步开时，fluent都会进行初始化。在单个时间步内，它实际是按照稳态进行计算的。②关于时间步长和网格尺度，一般在计算中，注重courant数，这个数不能太大，最好在1的量级左右，如果是大涡模拟这样的计算则要求更严格，总之这个数尽量小。courant数是网格尺度和时间尺度的比值，是数值上物理上的一种近似对应关系，简单的说，courant数是N，那么就代表一个时间步长流体走过的网格数是N。还有，对于非定常（也就是非稳态，或者瞬态，这种叫法在纯正的流体力学中就是非定常）计算，如果时间微分是显式的，那么需要更加小的时间尺度，对于不同的流动情况，最小时间尺度会有所不同。③在许多计算流体力学的教科书，它的定义为C=ü*delta_t/delta_x，其中u是本地流动速度。Butsometimesforthecompressibleflowsimulations,peopleoftentakeitasC=(u+a)*delta_t/delta_x,inwhichaisthelocalsonicspeed.但有时为可压缩流模拟，人们往往需要为C=（ü+a）*delta_t/delta_x，它在其中一个是当地音速的速度。Courantnumber实际上是指时间步长和空间步长的相对关系，系统自动减小courant数，这种情况一般出现在存在尖锐外形的计算域，当局部的流速过大或者压差过大时出错，把局部的网格加密再试一下。在FLUENT中，用courantnumber来调节计算的稳定性与收敛性。一般来说，随着courantnumber的从小到大的变化，收敛速度逐渐加快，但是稳定性逐渐降低。所以具体的问题，在计算的过程中，最好是把courantnumber从小开始设置，看看迭代残差的收敛情况，如果收敛速度较慢而且比较稳定的话，可以适当的增加courantnumber的大小，根据自己具体的问题，找出一个比较合适的courantnumber，让收敛速度能够足够的快，而且能够保持它的稳定性。FLUENT计算开始迭代最好使用较小的库朗数，否则容易导致迭代发散，修改办法slove－controls－solution，修改courantNumber默认值为1，开始没有经验的改小点，比如0.01，然后逐渐加大。④Courantnumber这个数和所选择的解算器和模型有关，隐式解法在0到1之间，分离接在0到5之间，flunet默认最大值，调低了后，稳定性增加了，但是，所需要的时间增加了。2.关于newmark-beta算法避免强加的位移历程说明，因为强加的位移输入具有（理论上）加速度上的无限突跃，对于Newmark时间积分算法其导致稳定性问题。但对于有些算法，比如Newmark方法，离散线性系统，当gamma1/2时，系统的能量是减少的。当gamma1/2时，系统的能量是增加的。当gamma=1/2，beta=1/4时，系统的能量是震荡的。有的地方称此为：无算法阻尼。LES-smagorinsky湍流模型1．引言湍流是自然界和工程中普遍存在的流动现象，对于湍流问题的深入研究对于自然环境预测和工程建设具有重大意义。传统计算流体力学中描述湍流的基础是Navier-Stokes（N-S）方程，根据N-S方程中对湍流处理尺度的不同，湍流数值模拟方法主要分为三种：直接数值模拟（DNS）、雷诺平均方法（RANS）和大涡模拟（LES）。直接数值模拟可以获得湍流场的精确信息，是研究湍流机理的有效手段，但现有的计算资源往往难以满足对高雷诺数流动模拟的需要，从而限制了它的应用范围。雷诺平均方法可以计算高雷诺数的复杂流动，但给出的是平均运动结果，不能反映流场紊动的细节信息。大涡模拟基于湍动能传输机制，直接计算大尺度涡的运动，小尺度涡运动对大尺度涡的影响则通过建立模型体现出来，既可以得到较雷诺平均方法更多的诸如大尺度涡结构和性质等的动态信息，又比直接数值模拟节省计算量，从而得到了越来越广泛的发展和应用。根据大涡模拟的基本原理可知，建立合理的体现小尺度涡对大尺度涡影响的模型即亚格子尺度应力模型是应用大涡模拟进行湍流模拟的关键环节之一，对模拟结果产生重要影响，为此，国内外持续不断地对亚格子尺度应力模型开展了研究，一些学者已对这些工作进行了总结。近年来，随着研究的深入，一些新的模型开始出现并得到了验证，同时，亚格子尺度应力模型在以格子玻耳兹曼方法（LatticeBoltzmannmethod,LBM）为代表的动力学模型中也得到了大量应用。LBM是在介观层面上构建简化的离散速度动力学模型，即格子模型，通过控制格子模型中虚拟粒子的密度分布函数的演化过程使得计算域中流体在宏观层面上表现出N-S方程控制的性质，LBM-LES为湍流研究开辟了新的途径，因此有必要对亚格子尺度应力模型及其在LBM中的应用进行总结，以期为进一步采用LBM深入研究湍流运动提供参考。2亚格子尺度应力模型亚格子尺度应力模型的构造方式总体上可分为两类：通过能量传输机制体现可解尺度与亚格子尺度间相互作用形式的功能型模型以及根据亚格子尺度的结构信息直接确定亚格子尺度脉动量的结构型模型。功能型模型中以亚格子尺度涡粘模型为主，包括谱空间涡粘模型和物理空间涡粘模型。鉴于物理空间涡粘模型使用范围广泛，且易于和LBM结合，是目前LBM中应用较多的模型，故这里主要对物理空间涡粘模型进行归纳，同时简要介绍谱空间涡粘模型。除此之外，我们也将对常用的结构型模型进行总结。2.1涡粘模型2.1.1物理空间涡粘模型物理空间涡粘模型根据Boussinesq假设将亚格子尺度应力张量与可解尺度的应变率张量联系起来。2.1.1.1Smagorinsky模型Smagorinsky模型基于局部各向同性湍流惯性子区域中的能量传递处于平衡状态理论，假设亚格子尺度耗散与可解尺度湍流向亚格子尺度传递能量相等，可得涡粘系数的表达式，建议采用()1/3xyzΔ=ΔΔΔ，即当量体积过滤尺度，xΔ、yΔ、zΔ为网格尺寸。2ijijS=SS，sC为Smagorinsky常数。模型形式简洁，使用方便，并能较好反映简单湍流能量传输的总体特征，因而得到了较为广泛的应用，也是目前在LBM-LES中使用最多的模型，例如Hou等人]模拟了二维顶盖驱动流，Krafczyk等人模拟了槽道中障碍物绕流，Yu等人计算了方孔射流，Fernandino等人计算了明槽流动，均取得了较好的效果，更多工作可参见Yu等人的总结。需要指出的是，Smagorinsky模型本身存在着一定的缺陷。第一，sC的值需要先验给出，但理论值,0.17sC∞=并不具有普适性，往往需要根据研究问题的不同而调整，例如Deardorff在计算高雷诺数平板伯肃叶流时采用了0.1，剪切流研究中取值在0.1～0.12之间。第二，壁面湍流的近壁区域，主要亚格子应力或亚格子涡粘系数应和垂直壁面距离的三次方成正比，而Smagorinsky模型的涡粘系数在壁面附近是有限值。第三，研究表明，紊动能量传输除了包括级串过程，即由大尺度涡向小尺度涡传递，局部还存在着能量的逆向传递，即逆级串过程。Smagorinsky模型的涡粘系数始终为正，决定了其仅反映了级串过程，从而不能全面体现紊动能量的传输过程。由此可见，改进Smagorinsky模型的缺陷是发展亚格子尺度应力模型的途径之一。2.1.1.2动力学亚格子尺度应力模型针对Smagorinsky模型参数确定存在的缺陷，动力学亚格子尺度应力模型根据可解尺度脉动的局部特性在计算过程中动态求解模型参数。Germano等人采用两个滤波函数—格子滤波函数和检验滤波函数，通过两层滤波上的亚格子应力与可解的相对亚格子应力的关系，动态求得模型参数。该模型经过Lilly的改善，连续两层滤波比以检验滤波函数滤波新增加的亚格子应力，ijM表示相应的应变率张量。模型有效地改进了涡粘系数的求解方式，使得模型参数无需先验给出，而且可以反映近壁的渐近关系，目前已应用于LBM-LES求解的方腔流、平板槽道湍流，传统方法求解的均匀剪切流、平面湍流混合层、标量输移等多种流动的模拟。可以看到，为了实现稳定计算，采用了平均的方法以克服参数的震荡和涡粘系数可能出现的负值。对于简单湍流，通常采用空间平均的方法，即沿着流动的统计均匀方向进行平均。对于不存在统计均匀方向的复杂湍流，则无法应用空间平均，而如果采用系综平均方法就会增加较多的计算量。Meneveau等人在拉格朗日体系下使用时间平均方法获得了合理的模型参数，这种拉格朗日动力学模型已成功地应用于强迫和自由衰减各向同性湍流以及充分发展和过渡槽道流动，槽道颗粒流，使用无结构化变形网格的模拟中，是复杂流动中确定动态涡粘系数的有效方法。2.1.1.3壁面自适应局部涡粘模型针对Smagorinsky模型不能很好地反映壁面附近湍流特性的情况，一方面可以在模型中增加衰减函数。在LBM-LES应用中，Premnath等人计算了平板槽道湍流，与DNS和实验结果符合较好。Derksen对工业生产搅拌罐中的流动以及旋转流动进行了模拟，与实验结果符合较好。两者有共同的缺陷，即需要假设壁面附近的速度分布，同时壁面距离是针对平板边界提出的，对于复杂边界会给其值的确定带来困难。另一方面，Nicoud等人在湍流结构的运动和动力学性质基础上，将转动张量也包含在模型中，构造了壁面自适应局部涡粘模型（Wall-AdaptingLocalEddy-viscositymodel,WALE）。模型不仅能够正确反映近壁区域涡粘系数与垂直壁面距离的三次方成正比的性质，而且由于不含有关于边界几何尺寸的参数，从而易于应用在复杂湍流的模拟中。模型的准确性和精度已在管流、分离流等模拟中得到验证。近来，Weickert等人将其应用在LBM-LES中，计算了槽道流以及障碍物绕流，与传统方法和实验结果符合较好。特别值得说明的是，模型能够合理地给出流态转捩时的结果，这对于实际应用是十分重要的。2.1.1.4剪应力改进型Smagorinsky模型基于边壁湍流中的剪切效应，Lévêque等人[44]在Smagorinsky模型中剔除平均剪应力影响，给出了剪应力改进型Smagorinsky模型（Shear-improvedSmagorinskymodel）。2.1.1.5惯性区一致型Smagorinsky模型Meyers等人根据流动的特点和亚格子尺度的选取，系统研究了参数L/Δ和Δ/η对Smagorinsky模型参数sC的影响，其中L为含能尺度，η为Kolmogorov尺度，认为当实际流动的L/Δ值较小时，Smagorinsky模型不能有效地区分含能尺度和耗散尺度，从而表现出过度的耗散性。2.1.1.