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1、1,第七章、,FLOW-3D,数值选项,FLOW-3D,?,v9.3,2,数值选项,?,模拟的主要目标是提供准确的结果,。,?,所有数值选项都默认设置。,大多数模拟用默认设置就可。,大多数求解器使用默认显式的方法,。,?,数值选项包括,。,压力解算器。,时间步长控制。,隐式求解传热，隐式表面张力等。,?,这章节的主要内容是：,什么时候用户需要选择其他数值选项。,这些选项在哪里选择。,3,不可压缩流动的控制方程,?,要求：,动量方程（,1,，,2,或,3,的方向）。,质量守恒。,?,可选：,流体分数（自由表面）,能源平流（传热）,密度平流（可变密度）,湍流,颗粒,?,派生数量,：,应变率，固相分
2、数，非牛顿粘度。,4,动量方程,U,=(,u,v,w,),流速,;,P,压强,;,G,重力和非惯性体加速,;,t,粘性应力张量,;,K,U,拖动（多孔挡板，障碍，两相区,);,RSOR,U,/,r,大量注射液致零速度加速,;,F,其他力：表面张力，电，质量,/,动力,源，颗粒，用户定义的力,.,不可压缩，非牛顿,/,牛顿流动性,：,x,x,x,F,u,RSOR,Ku,G,x,P,z,u,w,y,u,v,x,u,u,t,u,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,r,?,?,r,?,?,?,?,?,?,?,?,1,1,y,y,y,F,v,RSOR,Kv,G,y,P,z
3、,v,w,y,v,v,x,v,u,t,v,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,r,?,?,r,?,?,?,?,?,?,?,?,1,1,z,z,z,F,w,RSOR,Kw,G,z,P,z,w,w,y,w,v,x,w,u,t,w,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,r,t,?,?,r,?,?,?,?,?,?,?,?,1,1,5,质量守恒定律方程,?,?,?,U,r,?,?,?,?,?,?,RSOR,z,w,y,v,x,u,?,?,?,?,?,?,?,?,?,RDIF,RSOR,w,z,v,y,u,x,t,?,?,?,?,?,r,?,?
4、,r,?,?,r,?,?,?,?r,RSOR,质量源,/,汇,RDIF,密度扩散,?,不可压缩流动（用质量源）,?,变密度或可压缩流动（用质量源和漫射）,6,热能传送方程,fs,固相分数（是,T,和溶质浓度的功能）,;,L,潜热,;,k,导热系数,;,C(T),比热,;,h,液体,/,墙体传热系数,;,T,wall,壁温,;,RISOR,能量源,/,汇,;,RIDIF,湍流扩散,L,fs,dT,T,C,I,T,),1,(,),(,?,?,?,?,7,流体的体积对流方程,?,?,?,?,?,?,FSOR,FDIF,Fw,z,Fv,y,Fu,x,t,F,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,
5、?,?,?,?,?,?,?,?,运动学上的运动方程：,VOF,功能运动是根据在,流动性里的速度场。,F=1.0-,fluid,F=0.0-,void,U,FDIF-,流体分数扩散。,FSOR-,流体体积源,/,汇。,8,控制体积解决方法,FLOW-3D,解决在交错网格有限差分方程。,在控制体积单元里的位置和条件,(i,j,k),?,压力，温度，标量储存在单元中心。,?,强调速度和计算是在单元的表面。,9,计算单元编号条件,第一次真正的单,元是,i=2,j=2,k,=2,第一次真正的单元,是,i=3,j=3,k=3,?,单元是自动被加在网格边执行边界条件,：,1,层为大多数的边界条件,(,sym
6、metry,wall,velocity,outflow,grid overlay,),。,压力、周期和跨层块边界需要两层。,?,只有真正的单元（见在白色下面）都显示在图里,。,10,FLOW-3D,数值选项,时间步距,控制,压力解算,器,显式或隐,式求解,流体界面,平流,动量平,流,速度场,选项,11,时间步长控制,?,时间步距的主要用途（称为,dt,和,delt,）：,模拟时间步距向前（每个称为循环步）,保持准确和稳定的模拟,?,时间步长受到各种因素的控制：,?,t,在以前的时间步距。,稳定极限,(,?,t,不能大于稳定性,),。,一些关于前一个周期的压力迭代（当,AUTOT=1,）。,用户
7、定义最大的,?,t(DTMAX),?,FLOW-3D,?,控制整个模拟时间步长：,1.,掠过所有的计算单元,.,2.,在每个单元格相关稳定性准则计算,.,3.,确定所有单元的最低标准,.,4.,最大稳定时间步长,=,?,t,=,全球稳定的最低标准,.,12,控制时间步长,?,在模拟完成时间上的时间步长控,制通过,FLOW-3D,的基础来选定。,?,时间步长控制,-Model Setup-,Numerics,标签,.,?,初始时间步长,-,默认,=1.0E-6,完成时间,;,可以有效地启动模拟,.,?,最小时间步长,-,默认,=1.0E-06 x,初始的时,间步长,;,防止模拟失控（非常小的,?
8、,t,）,.,?,最大时间步长,-,默认值是稳定极限,。,13,在,FLOW-3D,?,时间步长控制,选择的间步长有三个因素影响：,1.,稳定,2.,精确度,3.,效率,稳定,-,最明确的方法需要对时间步长限制所,谓,稳定性准则,。时间步长始终是低于最,低标准的稳定性。稳定的标准自动确定,在每个周期的开始,.,精确度,-,每个周期时间步长增加不能超过,5,。,效率,-,平衡时间步长,vs,收敛。,较大的时间步长需要更多的压力,/,粘滞,/,热量,收敛。,FLOW-3D,可减少时间步长（稳定,以下）来实现更快的收敛。,稳定性和,收敛,固定大,小,14,时间步长的稳定性标准,Limit,Code,
9、Fluid Convection-X Direction,CX,Fluid Convection-Y Direction,CY,Fluid Convection-Z Direction,CZ,Viscous Stress,VS,Free Surface,FS,Surface Tension,ST,Thermal Conduction(fluid or solid),CD,Heat Transfer,HT,?,稳定性标准确定在激活物理模型的每个周期开始。,?,两个字母的代码表明适用于该物理模型稳定性的标准。,?,求解摘要在“长期印刷”间隔列出了所有稳定性标准。,?,求解消息文件在“短期印刷”的间
10、隔列出控制稳定标准,.,15,隐式方法加快模拟？,x-,explicit convective time-step limit=1.51646E-06 at cell(10,57,6)in mesh block 2,y-,explicit convective time-step limit=2.46870E-06 at cell(11,57,7)in mesh block 2,z-,explicit convective time-step limit=1.15658E-06 at cell(10,57,6)in mesh block 2,x-,implicit convective tim
11、e-step limit=6.06859E-06 at cell(26,56,14)in mesh block 2,y-,implicit convective time-step limit=6.87478E-06 at cell(38,21,44)in mesh block 1,z-,implicit convective time-step limit=7.64813E-06 at cell(38,30,43)in mesh block 1,free surface time-step limit=,1.37319E-03 at cell(16,6,7)in mesh block 2,t
12、hermal conduction time-step limit=2.15091E-04 at cell(18,17,8)in mesh block 2,wall heat transfer time-step limit=1.55914E-04 at cell(7,56,9)in mesh block 2,典型的信息为了稳定性极限的时间步长,.,?,显式求解的诊断综述,?,搜索“短的印刷时间步长,的稳定性极限”,?,什么是物理过程的模拟限,制？,所指出的最小极限,.,?,如果删除最小的限度（隐,式）下一个最大的？,16,压力解算器,在,FLOW-3D,有三个压力求解器可用到,.,?,SOR
13、,从头到尾连续松驰,.,相对良好的连接几何,.,相当统一的网格单元,.,短小的模拟,.,SOR,收敛应该在,10,?,15,左右,.,?,ADI,交替方向隐式,.,大单元的,aspect ratios,（,?,10:1,）,在,SMP,平行面没有良好的比例,.,?,GMRES,不能适应特殊环境的最小残留的方法,.,处理复杂，适应计算良好的领域,.,大单元,aspect ratios,的收敛,.,内存要求大,-,当使用,SOR,和,ADI,不衔接,.,在,SMP,平行面比例非常大,.,GMRES,方法收敛次数应为,2,?,7.,17,压力迭代收敛,输入小于,1,的正值,迭代,可以收紧。不建议使用
14、,大于,1,的值,输入正,值,迭代,也可以,收紧,18,稳态流动,以稳态流来加速方,式可以通过设置一,个很大的数字,.,如输,入,1.0e6,这个选项只能用在没有传热的,Confined Flows,(one fluid,no,sharp interface),19,显式,/,隐式求解选项,?,显式和隐式求解器可用于粘性应力，热传导，表面张力,，弹性应力，泡沫压力，,GMO/,流动偶合,和平流动力。,通常默认显式方法。,?,显式方法：,精确的,.,当几何和流动是相对简单时液体快速流动的,实现简单数字,.,需要时间步长限制（稳定性标准）以确保稳定,.,?,隐式的方法：,允许比显式的方法更大的时间
15、步长,.,通常需要收敛求解。,可能会或可能不会产生精确的解决方案。,20,界面平流选项,?,通过,FLOW-3D,模拟类型的基础,上选择,VOF,平流方法。,?,Automatic,通过,FLOW-3D,模,拟类型的基础上自动选择的方法,。,?,默认的选择是通常良好的工作,?,高级平流方法可供选择。当对,流体积时使用误差较大（少数的,）。,21,F-Packing,?,F-packing,算法用于在具有重,大自由表面崩溃流动来消除小,洞或“,foaming,”的。该算法通,过建立在流体单元内部小的不,确定的分歧，其中哪个流体分,数小于,0.99,。这是只使用在一,个自由表面流动的液体。,默认值
16、为,1.0,当你输入,0,时,Packing,就没发生,22,-1,0,1,2,3,4,5,0.00,0.20,0.40,0.60,0.80,1.00,1.20,1.40,Simulation Time-sec,%,F,l,u,i,d,V,o,l,u,m,e,L,o,s,s,IFVOF=4,IFVOF=5,IFVOF=6,Comparison of VOF Advection Methods,Weir Example Simulation,IFVOF=4(Default)for One Fluid with Free Surface,IFVOF=5 Unsplit Lagrangian,IFV
17、OF=6 Split Lagrangian,IFVOF=4,6,建议具有较强的流动循环,23,VOF,平流方法对角流动,的比较,IFVOF=4 vs 5,IFVOF=4,IFVOF=5,24,在高压压铸,VOF,平流方法的比较,?,填充阶段,:,填充模拟,.,填充时间,?,0.048s.,高湍流,.,模拟目标：找到被困气体,.,?,VOF 4 vs 5,比较,.,?,IFVOF=4,方法液量保持良好,，预计被困气体。,?,IFVOF=5,的方法显示大型对,流流动错误。,25,VOF,平流方法的总结,方法,优点,缺点,IFVOF=,4,1.,简单地实现数字,.,2.,包含的所有信息：,F,NF,
18、AF,和,VF,。,3.,良好的单向准确性,.,4.,有许多特殊情况的逻,辑，例如在出口边界,.,在,2D,和,3D,流动量守恒和界面跟踪减,少准确性。,IFVOF=,5,1.,在跟踪复杂流动急,剧界面里的良好性,。,2.,改进表面张力行为,.,1.,没有圆柱坐标的支持。,2.,在,FA,VOR,是大约的部分块单元,准确性减少。,3.,在旋涡流动有大量的错误结果,(,流动损失）。,IFVOF=,6,1.,在跟踪复杂流动急,剧界面里的良好性,。,2.,较好的均衡表面张,力行为,.,1.,圆柱坐标支持,9.3,版本进度。,2.,在部分块单元,IFVOF=4,。,3.,非保守的制定，体积误差不代,表
19、大量的损失,/,增加,.,26,动量平流,?,4,个动量（速度）平流选项,:,IORDER=1 1,st,动量平流,.,IORDER=2 2,nd,为中心差动,.,IORDER=3 2,nd,为逆风单一性保留,.,IORDER=4 3,rd,为逆风单一性保留,.,?,大部分模拟默认,1,st,:,计算效率,预计大部分流动特性,?,建议用高阶动力方法有如下,:,1.,旋转流动,.,2.,二次流动特征,.,27,高阶动力的应用涡流,/,旋转流动的模拟,?,涡流,/,旋转流动的特点,:,1.,旋转的主要流程,.,2.,二次流动的特点往往是重要的,.,?,旋涡流动的例子,:,1.,沉淀池,.,2.,涡
20、流喷嘴,.,28,Sediment Collection Tank Simulation,General Concept,淤泥流入,出水,固体缺陷,?,主要旋流两面中心,+,二次流动,.,?,利用“茶杯效应”,.,?,较重的固体聚集在中心,.,目标：模拟主旋转流动和二次流动。,只有流动的计算,-,没有固体,.,29,在圆槽总共速度的实验结果,?,上图显示槽附近收集,?,数字代表一小部分的入口速度,?,预计沿中心线强涡旋,?,在涡流,1.2,倍速度大于入口速度,涡流,30,模拟结果,IORDER=1,?,Initally solid-body rotation,?,No vortexing se
21、en near axis,?,1st order advection dissapates vortex,?,Try higher order momentum advection,?,默认的,1st,平流,IORDER=1,，,计算效率是很多,问题，但太多的,对角线速度分量,扩散而准确预测,旋流,。,31,模拟结果,IORDER=2,?,速度是不是合,理不稳定,?,IORDER=2,不建议自由面,模拟,不稳定,?,由于,IORDER=2,是已知的强循环与自由表面流动的不稳定，但预计不会,履行好这个问题。事实上，模拟很快变得不稳定，产生不合理的流速。,?,若要使用,IORDER=2,针对此问题
22、，用户需要取代对称边界条件的自由表,面。然而，并非涡旋预测以及自由表面时被删除，因为不能动用流动在槽中,心。这降低了在轴角动量增加。,32,模拟结果,IORDER=4,?,流体运动初始化为,solid-body,旋转,?,良好的预测轴附近看到涡旋,?,三阶捕获良好的流动以及平流,?,IORDER=4,在流动中的,一个圆形槽旋流模拟预测。,?,在流体运动是初始化为坚,实的物体旋转，启动是有利,益于稳态流。,?,使用,IORDER=4,在槽附,近的出口有强烈的涡旋预测,。水坑（沉没在槽中心）是,勉强可以解决涡旋约,10,个计,算单元。涡旋仍然可以准确,预测。,?,三阶平流是必要的强烈圆,周运动预测，主要是沿着对,角线网格流动的地方。,33,平流方法总结,?,1,st,（,IORDER=1,）,最佳无二次流动,溢洪道和河流流动,斜流扩散,?,2,nd,（,IORDER=2,）,不稳定圆形自由表面流动,良好的循环，流动被限制,?,2,nd,IORDER=3,稳定，并非所有二次流动特性被俘,?,IORDER=4,最佳旋转流动模拟,抓获二次流动特性,34,总结,?,FLOW-3D,模拟规定了最合理的,默认值,.,?,需要时只使用高阶方法,.,?,注意导师建议,.,
