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1、ANSYS CFX 培训教材第六节：瞬态模拟,安世亚太科技（北京）有限公司,原因,自然界几乎所有流动都是瞬态流动!在以下假设下，可以认为流动是稳态的:忽略非稳态波动采用总/时均方法，忽略流动的波动性(这也是为什么采用湍流模型模化湍流的原因)在CFD,首选稳态的计算方法更小的计算代价更易处理和分析很多情况下，要求瞬态求解:空气动力学(Aerodynamics),如飞行器、汽车等 涡脱落(vortex shedding)旋转机械Rotating Machinery 转子/静子相互作用,停车,飞逸多相流Multiphase Flows 自由液面,空泡动力学变形计算域Deforming Domains
2、 缸内燃烧非稳态热传递Unsteady Heat Transfer 瞬态加热和冷却更多,瞬态流动的起源,自然的非稳定性流动的不稳定性或非稳定的初始流动状态导致非稳定流动例如:自然对流,所有尺度的湍流涡,流动波(重力波,冲击波)强迫非稳定性时间相关的边界条件,源项驱动的非稳定流场例如:喷嘴处的脉冲流,转子-静子节间的相互影响,Kelvin-Helmholtz Cloud Instability,Rotor-Stator Interaction in an Axial Compressor,瞬态CFD 模拟,瞬态流域的模拟都是基于一个指定的时间周期可能的求解方法:稳态求解 流动变量不随时间改变时间
3、周期求解 流动变量以某种反复的模式波动也可以通过指定时间间隔的方法简单的进行流动分析.自由面流动冲击波的运动等.详细分析关心的量固有频率，如.斯特劳哈尔数(Strouhal Number)时均(Time-averaged)和/或 均方根(RMS)值与时间相关的参数(如.冷却一个热的固体的时间要求,污染物的扩散时间)谱数据 快速傅里叶变换(FFT),20,Timestep=2 sInitial Time=0 sTotal Time=20 sCoefficient Loops=5,2,4,6,8,10,12,14,16,18,Time(seconds),5 coefficient Loops,通过
4、计算不同离散时间点的方法完成瞬态模拟在每个时间点，都需要进行计算迭代,如何求解瞬态问题,对稳态计算也有相似的设置通常的工作流程：设置分析类型为Transient指定瞬态求解时间和时间步长设置物理模型和边界条件边界条件可以随时间变化指定初始条件最好采用符合实际的物理条件,比如稳态计算结果指定求解器设置设定瞬态结果文件(results files),瞬态统计(transient statistics),监测点(monitors points)运行求解器,如何求解瞬态问题,1.分析类型,在目录树上编辑Analysis Type，设置option为Transient,设置Time Duration控制
5、求解结束时间选项:Total Time求解的总时间Time Per Run不计以前计算的所有时间Maximum Number of Timesteps 包括以前所完成的计算时间步Number of Timesteps per Run对本次求解有效.不计以前完成的时间步,2.时间长度和步长,2.时间长度和步长,设置Time Step size控制两计算时间点之间的间隔选项:Timesteps/Timesteps for the Run可采用不同的方式,例如0.0010.001,0.002,0.002,0.0035*0.001,10*0.05,20*0.06Adaptive通过设定收敛标准或Cou
6、rant数的方法，在规定的范围内，时间步可以动态的改变,2.时间长度和步长,在瞬态模拟中，时间步尺寸是一个很重要的参数求解与时间相关的特征的时候，需要时间步较小,实际值,时间步较大，求解点通常不能反映真实的现象,小的时间步，求解点可以反映真实的现象,2.时间长度和步长,为了维持求解器的稳定性，也需要较小的时间步关心的量可能变化缓慢(例如.固体内的稳定变化),如果其它量(如,速度)具有较小的时间尺度，就不能采用较大的时间步Courant数常用于评估时间步:在一个时间步内，流体通过的网格的数目Courant数通常介于2 10之间,但在一些情况下该值稍高也可以接受平均的Courant数和最大Cour
7、ant数在每个时间步求解器.out文件中会显示出来小的时间步会加速收敛,必要的情况下,边界条件可以是时间的函数速度,质量流,压力条件,温度,等.都能作为函数表达式在CEL表达式中使用“t”或者“Time”,3.边界条件,最好采用与物理实际符合的初值条件经常采用稳态计算的收敛解作为初值瞬态模拟的初值越准确，瞬态计算得到的初值就越精确前面几个时间步可能不收敛为了保证求解器的稳定性，瞬态计算的最初阶段需要较小的时间步计算获得稳定(周期模式)后，可以忽略开始的几个循环,2,4,6,8,10,12,14,16,Time(seconds),4.初始化,Residuals,Transient scheme定
8、义瞬态项的数值算法两个隐式时间步格式可选:First Order Backward Euler(更稳定)Second Order Backward Euler(更精确)对大多数瞬态模拟，推荐采用默认的Second Order Backward Euler格式Timestep Initialisation控制前一时间步作为后一时间步计算起点的方式可以与前一求解的时间步初值(Previous Timestep)保持一致或求解器可以通过对前一求解的外推(extrapolate),以获得一更好的计算起点在高Courant数的情况下，不推荐使用Automatic(默认)模式，根据Courant数的大小在
9、两种模式之间进行切换,5.求解控制,Min.和 Max.Coeff.Loops设置每个时间步内的迭代次数的上下限争取每个时间步可以在3-5个循环内达到收敛Complex physics may need more loops如果在最大循环内没有达到收敛，通常来说减小时间步是较好的选择，而不是增加循环次数不管收敛与否，求解将转到下一个时间步监测求解很重要,5.求解控制,瞬态结果(Transient Results)默认只写出最后的res文件不包含瞬态求解信息需要在Output控制下定义Transient ResultsTransient Results选项Standard写出包括全部结果的文件将
10、占据大量的磁盘空间Smallest写出最小文件，该文件依然可以作为重新计算的初值文件(文件依然较大)Selected Variables写出选取的关心的变量，文件将较小Output Frequency控制结果文件写出的频率,6.输出控制,瞬态统计(Transient Statistics)对求解变量生成求解统计Option：算法平均(Arithmetic Average),RMS,Minimum,Maximum,Standard Deviation和Full(everything)拾取关心的变量Start和Stop Iteration List：定义收集统计开始和结束的时间,6.输出控制,6.输出控制,Monitor Points通常用于稳态模拟Monitor Coefficient Loop Convergence在时间步内为每个迭代创建监测记录用于观察关心量在时间步内是否在收敛默认的仅仅显示时间步末的检测值Tip:监测一个表达式，在求解器管理器中将创建一个瞬态记录图表.与从瞬态结果文件创建图表，这个方法更加容易，而且不需要写出瞬态结果文件,与稳态输出不同的是，瞬态输出在每个时间步都包括Courant数信息显示在每个时间步的开始处通过检测RMS和MAX残差，确保在时间步结束时达到收敛,7.输出,谢谢,A Pera Global Company PERA China,
