CAE工作步骤

前处理——求解计算——后处理

CFD培训方案传统流程与全新流程对比

CFD培训方案传统流程与全新流程对比

CFD工作原理

  • Fluent 采用的是有限体积法求解（基于守恒性更好有优势
  • 计算域离散成有限控制体
  • 求解控制体上的质量、动量和能量等广义守恒方程

公式：

δδt∫ρϕdV+∮ρϕV⋅dA=∮τϕ∇ϕ⋅dA+∫SϕdV{ { \delta} \over {\delta t} } \int \rho\phi dV + \oint\rho\phi V \cdot dA = \oint \tau_{\phi}\nabla\phi\cdot dA + \int S_{\phi}dV

其中：

δδt∫ρϕdV{ {\delta} \over {\delta t} } \int \rho\phi dV为Unsteady瞬态项

∮ρϕV⋅dA\oint\rho\phi V \cdot dA为Convention对流项

∮τϕ∇ϕ⋅dA\oint \tau_{\phi}\nabla\phi\cdot dA为Diffusion扩散项

∫SϕdV\int S_{\phi}dV为Generation源项

  • 偏微分方程组离散化为代数方程组
  • 用数值求法求解所有的代数方程以获得流场域的解

工作流程

  1. 确定明确目的
  • 关心的结果是什么，这些变量的用途
  • 为了达到模拟目的，仿真可以有哪些选择？（做哪些简化，哪些变量必须使用，分析需要包含哪些物理模型？
  • 需要什么等级的精度/多快得到结果？
  1. 确定模型区域与计算面积
  • 如何把一个完整的物理系统分割出来
  • 计算域的起始位置在哪里？
  • 这些边界是否有充分的边界条件信息
  • 边界条件类型是否能够适合这些信息
  • 能否将计算域延伸到拥有合理数据的点？
  • 是否能够简化或者近似成一个2D或者轴对称模型？
  1. 创建域的实体模型
  • 如何获得一个流体域模型
  • 借助外界CAD模型
  • 从固体结构中提取流体域
  • 使用草图创建
  • 是否能简化几何？

  • 去除使网格变得复杂的不必要的特征？

  • 利用对称性或者周期性？

  • 流动和边界条件是否都具有对称性/周期性？

  • 为了创建边界和计算域，是否需要切分模型？
  1. 划分网格
  • 每一步部分计算域都需要什么样的求解网格？
  • 能否对大梯度区域做出预判？

网格必须体现重要的几何特征，捕捉关心的梯度变化。

是否需要使用自适应网格增加计算。

…

这里只学习基本的网格划分方法

  1. 设置求解器
  • 当拿到一个问题，需要:

定义材料属性

  • 流/固/混合物
  • 选择合适的物理模型

湍流模型，燃烧模型，多相流模型

  • 设置操作条件（包括重力等
  • 设置计算区域条件cell-zone与边界条件boundary
  • 提供初始值
  • 设置求解控制器
  • 设置检测收敛参数
  1. 求解

  • 离散化守恒方程将迭代求解直到收敛

  • 以下情况达到收敛：

  • 两次迭代的流场结果差异小到可以忽略

  • 监测残差趋势能帮助理解这个差异
  • 全局性能达到平恒
  • 全局量的平恒
  • 关心的参数量达到稳定值（接近不变）
  • 监测关心量的变化

上面都达到那就说明收敛

  • 收敛解的精度和以下因素有关：（当前条件下收敛）

  • 适当且精确的物理模型

  • 使用假设

  • 计算结果与网格无关

  • 数值误差

  1. 检查结果

  • 检查结果，提取有用数据(后处理)

  • 可视化工具（定性分析）可以回答以下问题

  • 云图、矢量图、流线图
  • 等值面、体渲染工具
  • 流动是否存在回流区？
  • 关键流动特征是否被求解？
  • 数值报告工具（定量分析）能给出以下量化结果：
  • 力和动量
  • 平均换热系数
  • 面积分和体积分量
  • 通量平衡（流量、热量）
  1. 修正模型（大部分不做）

  • 主要改网格分布

  • 物理模型是否合适？

  • 流动是非稳态流动吗？

  • 是否有三维效应？

  • 边界条件是否正确？

  • 计算域是否足够大？

  • 边界条件是否合适？

  • 边界值是否合理？

  • 网格是否充足？
  • 随着网格的加密，计算结果是否有较大变化，还是与网格无关
  • 网格质量是否需要提高？
  • 模型是否存在低网格质量单元？