概念简介
大致流程
首先介绍下大致的6步流程,这一点在Workbench中写的很清楚,在此我对每个步骤进行大致解读
1.确定你研究的东西是流体,并且使用Fluent来进行模拟
2.对流体进行建模,对于难以描述出流体长什么样子的一般采用先建出模型,再进行体积抽取的方法。例如房间内的空气流动、水杯里的水和管道里的流体等。亦或者对其进行流体外包,例如人体周围空气的流动、物体周围的流体流动等。这一步出来的文件应为标准工业三维模型格式(catpart、iges、model等等)
3.网格化,针对流体进行网格化分解,网格数越多,结果越精准,但是后期的求解对计算机的内存和计算能力消耗越大。这一步出来的文件应为网格文件(.mesh)
4.设置,在Fluent中设置各种条件、材料属性和计算方法。这一步出来的文件为Fluent工程文件(.cas)
5.求解,对设置好的工程进行拟合计算。记得先初始化,然后再计算。网格数过多或者计算过慢可以考虑削减网格数、采用云计算和设置并行分布式计算等方法。这一步出来的还是Fluent工程文件,只不过带着计算结果(.dat)
6.导出结果,这一步在Fluent中也可以完成,也可以借助CFD-Post等结果后处理软件对其进行美化。这一步出来的一般都是图片结果,做动画的话就是动画帧,拿剪辑软件串一下就行。
其次要明确,仿真模拟的对象是什么,什么是边界条件,我们应选用什么湍流模型等一些基础的概念。
仿真对象
在制作模型时,我们一定要确定网格化的对象是流体,别建好模型,对模型本体进行网格划分,下图是对杯子里的水研究的举例。
边界条件(boundary condition)
边界条件是指求解域的边界的状态,简单来说就是我们研究的对象与外界环境的交互,例如速度流入、质量流出和壁面等等。边界条件的设置详细程度直接影响仿真的精度
在该图中,绿色部分为壁面边界,橙色为求解区域,我们已知并需要设置的是左侧壁面的温度,右侧的壁面温度是求解结果。当然在真实情况下需要设置的条件还需更多,例如壁面的材料类型,滑移程度等等,如果是动边界还需要设置速度旋转等。
Fluent中所给出的边界条件类型,其实从字面意思就能看出来,质量流入流出、压力流入流出、速度流入(速度出用负数表示即可)和边界等,根据情况需要选择正确的出入类型
湍流模型(Viscous Model)与Navier-Stokes方程
为方便理解,这里引入其直角坐标方程形式
NS方程(Navier-Stokes方程)是描述流体运动的基本方程,它由质量守恒方程和动量守恒方程组成。NS方程能够描述流体的粘性行为和速度场,但是对于湍流的描述并不充分。层流区可以通过NS方程进行求解近似和预测,但是到了湍流,流动开始变得混沌与振荡,雷诺数也相应地变大,所以我们要引入湍流模型。
湍流模型是对湍流现象进行建模和描述的数学模型。它们的主要目的是描述湍流的平均流动特性,如湍流运动的速度、压力和湍流强度。湍流模型通常基于流体的平均特性和流体运动的统计学方法,对于较大规模的湍流模拟例如建筑物内的气流组织和城市群之间的气流组织等,最常用的是标准k-epsilon模型,其中右侧的epsilon经验值Ansys均已给出。
迭代与残差
在Fluent计算时会出现个这么个窗口
这个叫做残差(Residuals)曲线,代表着仿真的拟合误差。当所示例的曲线接近平缓时代表着每一次迭代的计算结果趋近于稳定。当然也会出现
启动时注意事项
Fluent启动时设置好仿真维度,求解线程数,一般线程数就是计算机的逻辑核心数,这样能大幅度提高计算速度。若有高精度需求可以勾选双精度的选项。家境富裕有NVIDIA工作站系列的显卡则可勾选GPGPU的选项