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1、其次章F1.oTRAN分析基一、F1.OTRAN单元的带点1、F1.UID141单元2、F1.UlDl42单元3、F1.UID二、运用F1.OTRAN单元的一些限制与用意*现三、F1.OTRAN单元运用中的一些限制四、FlQTRAN分析的主要步骤五、F1.OTRAN分析中产生的一些文件六、提高收敛性和稔定性的常用的工具七、FIQTRAN分析过程中应处理的问题F1.OTRAN单元的特点ANSYS中的F1.OTRAN单元，即F1.UID141和F1.UID142,用于解算单相粘性流体的二维和三维流淌、压力和温度分布。对于这些单元，ANSYS通过质玻、动量和能用三个守恒性质来计算流体的速度重量、压力
2、、以与温度。F1.UID141单元F1.UID141单元具有卜列特征：维数：二维形态：四节点四边形或三节点三角形自由度：速度、压力、温度、紊流消能、紊流能址耗散、多达六种流体的各自质量所占的份额F1.ulDI42单元F1.UID142单元具有下列特征：维数：三维形态：四节点四面体或八节点六面体自由度：速度、压力、温度、紊流消能、紊流能量耗散、多达六种流体的各自质量所占的份额口OF1.UIDl41单元F1.UID142单元F1.UID单元的其他郴EF1.UlD单元的其他特征包括： F1.oTRAN分析中没有节点反力解。 部分和预定义求解选项（PSO1.VE吩咐定义）不适用于F1.OTRAN各自独
3、立的求解器。 TIME吩咐不能用在F1.OTRAN分析中。F1.OTRAN用F1.DATA1,SdU吩咐而不是TjIIINT吩咐来定义瞬态载荷步。 F1.OTRAN用F1.DATA4jTIME吩咐而非TRNOPT吩咐来定义瞬态分析选项.F1.OTRAN分析的主要步It一个典型的F1.OTRAN分析有如下七个主要步骤:1 .确定问题的区域。2 .确定流体的状态。3 .生成有限元网格。4 .施加边界条件。5 .设置F1.oTRAN分析参数。6 .求解。7 .检杳结果。第一步：确定问题的区域用户必需确定所分析问题的明确的范围，将问题的边界设置在条件已知的地方，假如并不知道精确的边界条件而必需作假定时
4、，就不要将分析的边界设在旅近感爱好区域的地方，也不要将边界设在求解变最变更梯度大的地方。有时，或许用户并不知道自己的问题中哪个地方梯度变更最大，这就要先作一个摸索性的分析，然后再依据结果来修改分析区域。这些在后面率节中都有详述。其次步：确定流体的状态用户在此须要估计流体的特征，流体的特征是流体性质、几何边界以与流场的速度幅值的函数。F1.OTRAN能求解的流体包括气流和液流，其性质可随温度而发生显著变更，F1.oTRAN中的气流只能是志向气体。用户须自己确定温度对流体的密度、粘性、和热传导系数的影响是否是很重要，在大多数状况下，近似认为流体性质是常数，即不随温度而变更，都可以得到足够精确的解。
5、通常用雷诺数来判别流体是层流或紊流，留诺数反映了惯性力和粘性力的相对强度，详见第四章.通常用马赫数来判别流体是否可压缩，详见第七章。流场中随意一点的马赫数是该点流体速度与该点音速之比值，当马栋数大于03时，就应考虑用可压缩算法来进行求解；当马赫数大于07时，可压缩算法与不行压缩算法之间就会有极其明显的差异。第三步：生成有限元网格用户必需事先确定流场中哪个地方流体的梯度变更较大，在这些地方，M格必需作适当的谢整。例如：假如用了紊流模型，荒近壁面的区域的网格密度必需比层流模型密得多，假如太粗，该网格就不能在求解中捕获到由于巨大的变更梯度对流淌造成的显著影响，相反，那些长边与低梯度方向样的单元可以有
6、很大的长宽比。为了得到精确的结果，应运用映射网格划分，因其能在边界上更好地保持恒定的网格特性，映射网格划分可由吩咐MSHKEY,1或其相应的菜单MainMenuPreproceSSor-MeShing-MeShA饮产MaPPed来实现C第四步：篦加边界条件可在划分网格之前或之后对模型施加边界条件，此时要将模型全部的边界条件都考虑进去，假如与某个相关变最的条件没有加上去，则该变属沿边界的法向值的梯度将被假定为零。求解中，可在重启动之间变更边界条件的值，假如需变更边界条件的值或不当心忽视r某边界条件，可无须作重启动，除非该变更引起了分析的不稳定。第五步：设置F1.OTRAN分析参数为了运用诸如紊流
7、模型或求解温度方程等选项，用户必需激活它们。诸如流体性质等特定项目的设置，是与所求解的流体问题的类型相关的，该手册的其他部分具体描述了各种流体类型的所建议的参数设置。第六步：求解通过在视察求解过程中相关变量的变更率，可以监视求解的收敛性与稳定性。这些变量包括速度、压力、温度、动能（ENKE自由度）和动能耗散率（ENDS自由度）等紊流量以与有效粘性（EVIS）。一个分析通常须要多次重启动。第七步：检查结果可对输出结果进行后处理，也可在打印输出文件里对结果进行检查，此时用户应运用自己的工程阅历来估计所用的求解手段、所定义的流体性质、以与所加的边界条件的可信程度。F1.OTRAn分析中产生的一些文件
8、在ANSYS中进行的大多数流体分析都是通过多次中断和重启动来完成的，通常，分析人员须要在各个重启动之间变更诸如松弛系数等参数或开关某些项（如求解温度方程的开关）。每当用户接着一个分析时，ANSYS程序会自动将数据附加在全部的由F1.OTRAN单元产生的文件中。下面将对F1.oTRAN单元产生的全部文件进行说明： 结果文件，Jobname.RF1.,包含节点结果。 打印文件，Jobname-PF1.,包含各量的收敛记录与进/出口状态（如流量等）。 壁面文件，Jobname1RSW,包含壁面剪切应力以与Y-PIUS信息。 残差文件，JObname.RDF,包含节点残差。 调试文件，Jobname.
9、DBG,包含数学求解器的有关信息。 结果备份文件，Jobname.RFO,包含结果文件数据的一个搏贝。 重启动文件，Jobname.CFD,包含F1.C）TRAN的数据结构。结果文件F1.OTRAN分析的结果并不自动保存在ANSYS的数据库中，在每次求解之后，程序会将一个结果集附加在结果文件Jobname.R1.F中。用户可对结果文件的内容与程序对结果文件的更新频率进行限制，ANSYS吩咐手册中对F1.DATA5,。UTP吩咐的介绍就具体说明白结果文件会基于用户的选择而保存些什么内容。在一个稳态F1.oTRAN分析中，结果文件能保存多少个结果集是没有限制的，在求解的初期多保存几个结果有许多好处
10、：可以比较各结果集之间的变更、可以运用不同的选项或松弛系数来从一个分析的较早状态重新起先分析。当起先一个新分析时（在其第一次迭代之前），ANSYS程序会保存一个结果，然后在当中断发生时保存再保存结果，在这些事务之间，用户还可通过设置将一些中间结果附在结果文件里，这样就可以从较早的分析状态开时，通过激活一些不同的选项和特征来由新分析，例如，可以通过这种方式来提高分析的稳定性。运用ANSYS的网盖频率选项是一个明智的方法，它就可以周期性地保存和更新一个临时的结果集，这样，当由于断电或其他系统缘由而发生求解中断时，总可以有一个可用的结果集用于重新起先分析。设置覆盖频率的方式如下:吩咐：F1.DATA
11、2,ITERrOVER,value菜单：MainMenuSolutionF1.OTRANSetUpExecutionCtrl设置附加频率的方式如下：吩咐：F1.DATA2,ITERrAPPE,value菜单：MainMenuSolutionF1.OTRANSetUpExecutionCtrl打印文件(Jobname.PF1.)JobnameTF1.文件包含全部F1.OTRAN输入参数的完整记录，该信息每在发出一个求解吩咐时就保存一次以完整地记录整个分析历程。同时，全部激活r的变量的收敛过程也记录r下来，还有一个对结果的总结，即每特性质和自由度的最大最小值，这些记录的频率都由用户自己设定。所记录
12、的其他所还有：各记录最的平均值、质最流的边界、质量平衡的计算、全部热传导和热源的相关信息C节点残差文件节点残差文件，即JobnameFDF,显示了当前解的收敛好坏程度。在求解过程的每一个阶段，流场、性质场、温度场都用于对每个自由度计算系数矩阵和强迫函数，假如解完全收敛，这些矩阵和强迫函数将会生成一个与产生它们的速度场一样的速度场，同时，矩阵方程的残差也会变得很小。要得到一个残差文件，必需至少执行一次迭代。当求解过程发生振荡时，残差的幅值将显示分析的错误所在C(矩阵的主对角元素对残差作归一化处理)这种归一化运用户可对自由度的值与其残差作比较。对每一个激活了的自由度计算残差并将其存入残差文件的方式
13、如卜吩咐：F1.DATA5,OUTPfRESIfTRUE菜单：MainMenuSohtionF1.OTRANSetUpAdditionalOutResidualFile要读取残羌文件，可通过菜单MainMenuGeneralPostprooF1.OTRAN2.1A或吩咐F1.READ来实现。启动文件通常，F1.oTRAN在一个重启动的起始处计克数据结构，对于一个大模型,这种计算将消耗大量的时间，为了避开这种重新计算，可要求F1.oTRAN将数据结构保存在重启动文件Jobname.CFD,F1.OTRAN从ANSYS的数据库中产生该文件。对Jobname.CFD文件的读和写的方式如下：吩咐：F1
14、.DATA32,A,E,57;RFI1.,T菜单：MainMenuPreproces8orF1.OTRANSetUpRestartOption8CFD.RestartFile可将RFI1.状态设置为开(ON)或关(OFF),若设为开，则F1.OTRAN起先执行分析时将读入重启勖文件，若此时重启动文件不存在，则将产生一个重启动文件。假如在变更了边界条件之后再进行重启动分析，则必需覆盖掉业已存在的CFD文件以使得ANSYS能用新的边界条件进行重新分析，覆盖.CFD文件的方式如下：吩咐：F1.DATA32,RES。WFI1.fT菜单:MainMenuPreprocessorF1.OTRANSetUp
15、ReatartOptionsCFDRestartFile这就使F1.OTRAN在下一载荷步产生一个新的重启动文件，并自动将RFI1.状态设置为关闭C当新的重启动文件产生之后，用F1.DATA32,/eES。麻71.,7吩咐使随后的重启动能运用新的重启动文件.F1.OTRANlJS动分析(好)用户可在结果文件Jobname.RF1.中随意一个解集的基础上起先一个重启动分析，重启动位置的设置可基于解集号(NSET)、迭代数(ITER)、栽荷步/子步号(1.STP)或瞬态分析的时间CnME),方式如下：吩咐：F1.DMA32,RESTJable.value其中，aRe为上面的NSET、ITER、1.
16、STPTIME等菜单：MainMenuPreproces8rF1.OTRANSetUpRestartOptionsReStart/Iteratio(或ReStart/1.oad8tqp,Reetart/Set,等)当重启动一个分析时，ANSYS将原始的结果文件指贝到Jobname-RSO中并将重启动点、全部在重启动点之前的结果集、全部的后续结果集放在新的结果文件中。假如在F1.DATA32,QfST吩咐中的ValUe值是一个负值，则将不产生JObnamC.RSO文件，而重启动的点将由ValUe的均定值来指定。提高收敛性和稳定性的常用的工具ANSYS程序供应几个有助于收敛和求解稳定的工具，理论手
17、册对其机理方详述。松弛系数松弛系数是一个其值介于0和1之间的小数，它表示旧结果与附加在旧结果上以形成新结果的最近一次计算盘之间的变更过。设置松弛系数的方式如卜吩咐：F1.DATA25,A*5,;Iablefvalue菜单MainMenuPreproce88orF1.OTRANSetUpRdax/StabCapDOFRelaxationMainMenuPreproces8orF,1.OTRANSetUpRdax/StabCapPropRelaxation.MainMenuSolutionF1.OTRANSetUpRdaxStabCapDOFRdaxationMainMenuSolutionF1.
18、OTRANSetUpRdaxStabCapPropRelaxation注：吩咐手册中对该吩咐的自由度和性质就有详述C惯性松弛对某个自由度的方程组的惯性松弛就是使其矩阵的主对角占优以保持求解的稳定性。假如当个解在收敛过程中没有发生舍入误差，则惯性稀放的值不会影响到求解的最终结果。但是通常的求解过程都会发生舍入误差，故惯性松弛可能对结果产生影响。用户可对动处方程（MoME）、紊流方程（TURB）o压力方程（PRES）和温度方程（TEMP）施加惯性松弛，其方式如下：吩咐：F1.DATA26,STAB1Iable,value菜单MainMelmAPreProCeasOrAF1.oTRANSetUpRd
19、axStabCapStabilityParmsMainMenuSolutionF1.OTRANSetUPRdaxStab/CapStabflityParms惯性松弛系数是以所加项的分母的形式出现的，故其值越小，所起作用越大，其典型值介于1.O（作用中等）到1.OXlO-7（作用很大）之间。人工粘性用于在梯度较大的区域平抑速度解C它有助于可压缩问题的收敛,也有助于对彳分布阻力的不行压缩问题的速度解进行平抑。对于不行压缩问题，应使人工粘性的幅值与有效粘性的幅值处于相同的数量级。施加人工粘性的方式如下:吩咐：F1.DATA26,S7F,VISCrvalue菜堂MainMenuPreprocessor
20、F1.OTRANSetUpRdaxStabCapStabflityParmsMainMenuSolutionF1.OTRANSetUpRdaxStabCapStabilityParme速度限值速度限值使所求解量不能超出用户所定义的值，可对速度、压力和温度自由度进行限制（VX、VYxVZ、PRES、TEMP）,方式如下：吩咐：F1.DATA31,G4PP菜单MainMenuPreproce8orF1.OTRANSetUpRdaxStabCapResult8CcpingMainMenuSolutionF1.OTRANSetUpRdaxStabCapResultsCapping速度限值可消退速度尖峰
21、的不利影响，这种速度尖峰通常发生在收敛过程中的较早阶段。它还特殊适合用于可压缩流分析，因这类分析中速度尖峰通常使动能项大到产生负的静温C当对压力进行限值时，所限的值是由压力方程解算出来的压力而不是松弛后的压力，故当限值后作重启动时，压力值仍有可能超出限值。留意：当有速度限值时，质珏有可能不守恒。积积分阶次(QUadratUreorder)缺省的用于计算单元面积积分的阶次是单点积分，用户可对其进行限制。对于轴对称问题，求解时，该值自动设为2,因为当面积积分阶次为2时，可使含有异样形态单元的问题收敛到更精确的解：用下面的方式变更动量、压力、热或紊流项的面积积分阶次：吩咐：F1.DATA30,QUA
22、DJable,value其中，aHe为要变更的单元积分，依We为积分点的数目。菜单：MainMenuPreprocessorF1.OTRANSetUpModRes/QuadOrdCFD.QUadOrdersMainMenuSolutionF1.OTRANSetUpModRes/QuadOrdCFDQuadOrdersF1.OTRAN分析过程中应处理的问题确定总体迭代的数目F1.OTRAN分析是一个非线性的咛列求解过程，故每次分析首先得确定要让程序执行多少次迭代。一次总体迭代就是对全部相关的限制方程按序列进行求解，并且在求解过程中流体性质会随时更新。在瞬态分析中，时间步循包含了总体迭代循环。在一
23、个总体迭代中，程序首先获得动员方程的近似解，再在质疑守恒的基础1:将动量方程的解作为强迫函数来求解压力方程，然后用压力解来更新速度，以使速度场保持质量守恒。假如要求了程序求解温度，则程序会同时求解温度方程并更新与温度相关的流体性质，最终，假如激活了紊流模型，则程序将求解紊流方程并用素流淌能与其耗散率来计算彳效粘性和热传导系数，有效粘性和热传导系数将分别代替层流粘性和热传导系数以在平均流E模拟紊流的影响。用下面的方式定义总体迭代的数目：吩咐：F1.DATA2,ITER,EXEC,value(ValUe即为迭代数)菜单：MainMenuPreproce88orF1.OTRANSetUpExecut
24、ionCtrlMainMenuSolutionF1.OTRANSetUpEbcecutionCtrl在F1.OTRAN求解过程中，程序在每一个总体迭代里对每一个H由度计算出一个收敛监测量，这些自由度包括:速度（VX、VYxVZ）、压力（PRES）、温度（TEMP）、紊流淌能（ENKE）、动能耗散率（ENDS）、以与激活了的多组份传输方程（SPOlSP06）收敛监测取就是两次迭代之间结果变更故的归一化值，若以表示任一自由度，则该自由度的收敛监测量可由下式表示：|心中|收敛监测量.J割用收敛监测量表示变僦在当前迭代（k，h）的结果和前一次迭代（k-l）6）的结果之间弟值的总和除以当前值的总和，这种
25、求和是在全部节点上进行的，并且运用的是型值的肯定值。在批处理或交互式运行过程中，当求解进行时，程序的“图形求解跟踪（GST）w功能将实时显示出所计算的收敛监测越，GST的缺省值在交互运行时是开（ON）,而在批处理运行时是关（OFF）。用户可用下面的方式定义其开关：吩咐：/GST菜单：MainMenuSolutionOutputCtrlsGrphSoluTrack图2-1是两个典型的GST图形。图21（b）是一个F1.OTRAN的瞬态分析过程，图中的每一个尖峰表示了一个新时间步的起先。在初始阶段可能出现的一些振荡之后，收敛监测量的大小将随着分析过程的收敛而渐渐减小，但其减小的程度将依靠于几个因素
26、，诸如： 几何边界的困难程度 高梯度区域有限元网格的精度 紊流的严峻程度（由宙诺数确定） 出口边界处流场的发展是否充分当运用图形求解跟踪（GST）功能时，还应留意： 不单是F1.oTRAN分析有GST功能，非线性的结构分析、非线性的热分析和非线性的电磁场分析都有GST功能。详见各自的分析指导手册。 GST可同时显示多达10条的跟踪曲线，假如用户的模型有多于10个的自由度，则GST将只显示前10个自由度的收敛跟踪曲线。 当GST起先显示时，程序会弹出一个带SToP按钮的对话框，用户可在随意时刻通过点取该SToP按钮来中断求解过程，而后要进行重启动分析时，可通过执行吩咐SO1.VE或其相应的菜单M
27、ainMenuSohtionRunFlotran来实现。Cumu1aXvQNumbC(b)图2-1lliGST显示的收敛监测量（八）稳态求解(b)瞬态求解中断一个F1.OTRAN分析用户可以定义一个基于压力和温度收敛监测量的目标值来中断个F1.oTRAN分析，定义方式如下：吩咐：F1.DATA3,TERM,PRES,valueF1.DATA3,TERM,TEMP,value菜单：MainMenuPreproces8orF1.OTRANSetUpExecutionCtrlMainMenuSolutionF1.OTRANSetUpExecutionCtrl压力和温度的收敛缺省值都是1.OXlO%假
28、如没有激活温度方程的求都，则程序只检测压力的收敛值是否满意要求，而若同时激活r流体方程和温度方程的求解，则二者的收敛标准都必需同时满意。在满意r压力和温度的收敛条件或总体平衡迭代数达到r所要求的值后，F1.oTRAN求解过程就自动中断。要中断一个正在以批处理方式或后台方式执行的F1.OTRAN分析，则需在当前工作书目下生成一个JobnameABT文件，该文件的第一行应含有terminate字样，且该字样的起始位置应是第一行的第一列。在每一次总体迭代之前，F1.OTRAN都会在当前书目下搜寻Jobname.即文件，假如程序找到该文件并发觉其含有terminate字样,则马上完成该次总体迭代并正常
29、中断程序的执行，而且将结果写入结果文件中。对一个F1.OTRAN分析进行评价分析员必需回答的两个问题是：I.所作的分析是何时结束的？2所作的分析是否是正确的？这两个问题是相互关联的，因为，假如没有正确地设置和正确地分析一个流体问题，它一般都是不会收敛的。假如所输入的初始参数和全部的边界条件都是正确的，则当全部变肽的收敛监测破都停止增长，以与全部求解成的平均、最大、最小值都不再升降时，求解过程就算是完成了。然而，这并不能保证所求解的结果是唯一正确的，因为自然界本身并不保证存在唯一解:振荡问题（例如：柱体绕流的旋涡脱落问题）用稳态或瞬态求解技术都不能得到一个稳定的解C要验证一个分析是稳定的或是振荡
30、的，可以通过对它执行大量的迭代求解来实现。ANSYS将求解变量的平均、及小、最大值保存在文件庚力Aame.RF1.中，该文件同时还保存F1.OTRAN的输入数据和计算出的收敛监测啾、全部自由度的结果总结、层流特性和有效特性。可用下面的方式来规定ANSYS进行结果总结的频率：吩咐：F1.DATA5,。U阴SUMFrvalue菜单：MainMenuPrqroce8sorF1.OTRANSetUpAdditionalOutRF1.OutDerivedMainMenuSolutionF1.OTRANSetUpAdditionalOutRF1.OutDerived脸证求解结果的牢靠性是全部分析人员的责任
31、，假如一个F1.OTRAN分析得到r非预期的结果，则应进行下列所示的一些操作，这些操作的大部分都可以在起先一个分析前完成.即使只进行r零次迭代，ANSYS也会生成一个Jobname.RF1.文件并检杳全部的输入数据.I.检杳作为结果总结的一部分而打印出来的庾量平衡状况。内部检杳将确定是否有任何的可能会通过模型的质量流，允许质量流的边界条件是: 确定的速度边界条件 确定的压力边界条件 未确定的边界（这有可能是由于用户忘了施加边界条件而致）ANSYS会将进口和出口边界编号列表，而这些应与所希望的条件相对应。2 .在ANSYS里检杳边界条件，以保证其正确性。3 .检杳所定义的流体性质与其随温度的可变
32、动性正确与否，这可在RF1.文件中便利地检查。4 .检杳用以建况模型的单位制与用以定义流体性质的单位制是否一样。5 .有时，还需确认与所选选项相联系的方程的求解是否正确（例如：可压缩流中的压力方程）。6 .假如求解发散，可能的缘由还有：有限元网格不够精细、或者邻近出口处流场梯度太大，要解决这些问题，可以运用些诸如惯性松弛等有助于收敛的手段，本手册的后面将详述各种松池技术“7 .假如仅仅只有某个特定的量产生发散，则可符该量重新初始化到一个单值，并作重启动分析，方式如下：吩咐：F1.DATA29,MODV菜单：MainMenuPreprocessorF1.OTRANSetUpModRes/QuadOrdModifyResultsMainMenuSohtionF1.OTRANSetUpModReQuadOrdModifyResults
