2022年fluent相关知识点集锦3.docx

名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -VOF 模型所谓 VOF 模型（详见第20.2 节）,是一种在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法；当需要得到一种或多种互不相融流体间的交界面时,可以采纳这种模型；在 VOF 模型中,不同的流体组分共用着一套动量方程,运算时在全流场的每个运算单元内,都记录下各流体组分所占有的体积率；VOF 模型的应用例子包括分层流,自由面流淌,灌注,晃动,液体中大气泡的流淌,水坝决堤时的水流,对喷射衰竭（jet breakup ）表面张力 的推测,以及求得任意液气分界面的稳态或瞬时 分界面；20.1.1VOF 模型的概述及局限 概述（ Overview ）Overview and Limitations of the VOF Model VOF 模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的 volume fraction 来模拟两种或三种不能混合的流体；典型的应用包括推测,jet breakup、流体中大泡的运动（the motion of large bubbles in a liquid ） 、the motion of liquid after a dam break 和气液界面的稳态和瞬态处理（the steady or transient tracking of any liquid-gas interface ） ；局限（ limitations ）下面的一些限制应用于 FLUENT 中的 VOF 模型： 你必需使用 segregated solver. VOF 模型不能用于 coupled solvers. 全部的掌握容积必需布满单一流体相或者相的联合；的区域中没有任何类型的流体存在； 只有一相是可压缩的；2 VOF 模型不答应在那些空Streamwise periodic flow either specified mass flow rate or specified pressure drop cannot be modeled when the VOF model is used. Species mixing and reacting flow cannot be modeled when the VOF model is used. 大涡模拟紊流模型不能用于 VOF 模型； 二阶隐式的 time-stepping 公式不能用于 VOF 模型；VOF 模型不能用于无粘流；The shell conduction model for walls cannot be used with the VOF model. 稳态和瞬态的 VOF 运算在 FLUENT 中 VOF 公式通常用于运算时间依靠解,但是对于只关怀稳态解的问题,它也可以执行稳态运算； 稳态 VOF 运算是敏锐的只有当你的解是独立于初始时间并且对于单相有明显的流入边界； 例如, 由于在旋转的杯子中自由表面的外形依靠于流体的出事水平,这样的问题必需使用 time-dependent 公式；另一方面,渠道内顶部有空气的水的流淌和分别的空气入口可以采纳 steady-state 公式求解；！ ！对于涉及到表面张力的运算,建议你在Multiphase Model panel 中为 Body Force Formulation 打开 Implicit Body Force ；这样做由于压力梯度和动量方程中表面张力的部分平稳,从而提高明白的收敛性；接触角（w in Figure 20.2.2 ）就是壁面和接触面切线的夹角,量度了在 Wal l 面板的成对的列表中第一相的值；例如, 假如你设置 oil 和 air 相的接触角在 Wal l 面板中（as shown in Figure 20.6.14 ） , w 量度在oil 相内；90 度,就是没有壁面支持的影响（也就是,接触面垂直于支持 第 1 页,共 22 页 对于全部对默认值是面） ；例如,接触角为45 度,相当于水沿着容器面爬行,通常是水在玻璃上；细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -20.7.1VOF 模型的求解策略（Solution Strategies for the VOF Model ）为了提高VOF 模型求解的精度和收敛性,几条建议列举如下：59 Setting the Reference Pressure Location 参考压力的位置应当移动到能削减压力运算的位置；心或靠近点（ 0,0,0） ；你可以通过指定新的Conditions panel. 中移动这个位置；Define Operating Conditions. 默认的情形, 参考压力的位置在单元中 Reference Pressure Location 在 Operating 你挑选的位置应当在这样的区域,那里总是包含密度最小的流体（也就是,气相, 假如你计算的有一个气相和一个或多个液相）压；这是由于当给定相同的速度分布时高密度流体的静变化大于低密度流体；假如相对压力为零的区域显现在压力变化小的区域,将比压力变化出 现在大的非零值的区域带来少的运算量；例如, 在包含空气和水的系统,参考压力的位置选 在布满空气的区域而不选在布满水的区域是特别重要的；Pressure Interpolation Scheme 对全部的VOF 运算,你应当使用body-force-weighted pressure interpolation scheme or the PRESTO. scheme. Solve Controls Solution. Discretization Scheme Selection for the Implicit and Euler Explicit Formulations 当 the implicit or Euler explicit scheme 使用时,为了提高相间界面的清晰度（sharpness）你应当采纳second-order or QUICK discretization scheme 为 volume fraction equations ；Solve Controls Solution. Pressure-Velocity Coupling and Under-Relaxation for the Time-Dependent Formulations 设置求解器的另一个变化是在你使用的速度压力耦合方案和欠放松因子中；通常瞬变流计 算 建议采纳 PISO 方案； 使用 PISO 时答应增加全部欠放松因子的值,而不会减弱解的稳固；1 并且能达到预期的稳固和收敛速度（要求每一时 通常你能增加全部变量的欠放松因子到 间步内用较少的迭代次数）；对于在四边形和三角形网格上的运算,用PISO 方案时为了提高 稳固性建议为压力选欠放松因子为 0.7-0.8；Solve Controls Solution. 当用 FLUENT 进行任何模拟时,假如欠放松因子设置为1 时,解显现不稳固、发散行为,欠放松因子必需减小；提高稳固性的另一个方法是减小时间步长；Under-Relaxation for the Steady-State Formulation 假如你使用稳态隐式的VOF方案,为了提高稳固性,全部变量的欠放松因子应设置在0.20.5 之间；VOF 模型对 VOF 运算你可以产生如下所列项目的图象显示和数据汇报：.Volume fraction of phase-n in the Phases. category 第 2 页,共 22 页 .Density of phase-n in the Density. category .Molecular Viscosity of phase-n in the Properties. category 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -. Thermal Conductivity of phase-n in the Properties. category . Specific Heat of phase-n in the Properties. category . Enthalpy of phase-n in the Temperature. category . Total Enthalpy of phase-n in the Temperature. category . Total Energy of phase-n in the Temperature. category . Internal Energy of phase-n in the Temperature. category The non-phase-specific variables that are available e.g., Molecular Viscosity a n d Thermal Conductivity represent mixture quantities. The thermal quantities listed above will be available only for calculations that include the energy equation. 20.8.2 显示单相的速度矢量（Display Velocity Vectors for Individual Phases ）对混合和欧拉运算,使用 Vector panel 显示单相的速度矢量是可能的；Display Vectors. 为了显示特殊相的速度矢量,在 Vector Of 下拉列表中选 phase-n Velocity 这里 phase-n 被感爱好相的名字所代替,例如,air-bubbles Velocity ；你也可选 Relative phase-n Velocity 来显示相对于移动参考体系的相的速度；为了显示混合相速度 m v （仅与混合模型的运算相关）,挑选 Veloci ty （or Relative Velocity for the mixture velocity relative to a moving reference frame.）20.8.3 报告单相的流量（Report Fluxes for Individual Phase ）当你使用 Flux Reports panel 运算通过边界的流量时,你应当指出报告是对混合相的仍是对单相的；Report Fluxes. 挑选 mixture 在 Phase 下拉列表中在面板底部来报告混合相流量,或者挑选相的名字来报告所选相的流量；20.8.4 报告单相在壁面上的力（Reporting Forces on Walls for Individual Phase ）对欧拉运算,当你使用 Force Reports panel 来运算力或壁面边界上的动量时,你应当指定你想要为之运算力的单相；Report Forces. 在面板左边的 Phase 下拉列表中挑选你所要选的相的名字；20.8.5 报告单相的流量比率 Reporting Flow Rates for Individual Phase 63 你可以使用 report/mass-flow text 命令来获得每一相（或混合相）通过每一流淌边界上的质量流量比率；report mass-flow 当你指定感爱好的相（混合相或者单相）指 定相质量流率所通过的区域；举例如下：/report> mf mixture water air domain id/name mixture air ,FLUENT 将列出每个区域,区域后面跟着是所细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 3 页,共 22 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -zone 10 spiral-press-outlet: -1.2330244 zone 3 pressure-outlet: -9.7560663 zone 11 spiral-vel-inlet: 0.6150589 zone 8 spiral-wall: 0 zone 1 walls: 0 zone 4 velocity-inlet: 4.9132133 net mass-flow: -5.4608185 假如你选的是 VOF 模型,输入如下：. number of phases . VOF formulation see Section 20.6.4 . optional implicit body force formulation see Section 20.6.11 20.6.4 挑选 VOF 公式（ Selecting the VOF Formulation ）为了指定使用的VOF 公式,在Multiphase Model panel 中 VOF Parameters 下挑选合适的 VOF Scheme；FLUENT 中可用的 VOF 公式如下：1 Time-dependent with the geometric reconstruction interpolation scheme: 当 VOF 解中对时 间精确的瞬态行为感爱好时,应当选这个公式；为了使用这个公式,选 Geo-Reconstruct（default）作为 VOF Scheme；FLUENT 将 自动为时间打开非稳态公式和一阶离散格式在 Solver panel. 2 Time-dependent with the donor-acceptor interpolation scheme ：假如你的网格中包含很多扭曲（ twisted）的 hexahedral cells,建议你使用这个公式代替time-dependent formulation with the geometric reconstruction scheme ；在这种情形下,选用 the donor-acceptor scheme 能得到更精确的结果；使用这个公式,选 Donor-Acceptor as the VOF Scheme ；FLUENT 将自动为时间打开非稳态公式和一阶离散格式在 Solver panel. 3 Time-dependent with the Euler explicit interpolation scheme：由于 the donor-acceptor scheme 仅对 quadrilateral and hexahedral 网格有效,它不能用于 hybrid mesh containing twisted hexahedral cells ；这种情形下,你应使用the time-dependent Euler explicit scheme；这个公式也能用在 the geometric reconstruction scheme 不能给出中意结果的其它情形时,否就流淌的运算变得不稳固；使用这个公式,select Euler Explicit as the VOF Scheme ；FLUENT 将自动为时间打开非稳态公式和一阶离散格式在 Solver panel. 当 the Euler explicit time-dependent formulation 有更少的运算耗费时,相间的界面不在象用比 the geometric reconstruction scheme the geometric reconstruction scheme 推测的一样明显；为削减这种扩散,建议为体积份额方程选用二阶离散格式；另外,为了获得更清晰的界面,在用the implicit scheme 运算之后,你可以考虑返回来用the geometric reconstruction scheme；4 Time-dependent with the implicit interpolation scheme: 瞬态行为不感爱好,但是最终的稳态解独立于初始流淌条件的 inflow boundary, 可以使用这个公式；32 假如你要查找稳态解和中间的 /或者你不让每相有明显使用这个公式,select Implicit as the VOF Scheme, and enable an Unsteady calculation in the Solver panel opened with the Define/Models/Solver. menu item. ！ ！上面为the Euler explicit time-dependent formulation 争论的结果也适用于the 第 4 页,共 22 页 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -implicit time-dependent formulation 述；为了提高相界面的清晰度,你应谨慎考虑以上所5 Steady-state with the implicit interpolation scheme ：假如你要查找稳态解和中间的瞬态行为不感爱好,并且最终的稳态解不被初始流淌条件影响而每相有明显的 inflow boundary,这个公式可以使用；使用这个公式,select Implicit as the VOF Scheme. 争论的结果也适用于the implicit ！ ！上面为Euler explicit time-dependent formulationsteady-state formulation ；为了提高相界面的清晰度,你应谨慎考虑以上所述；！ ！ 对于 the geometric reconstruction 和 donor-acceptor schemes, 假如你使用了conformal grid（也就是,在两个子边界相交的边界上网格节点的位置是一样（identical ）的）,你必需保证在这个区域内没有双边（0 厚度）壁面；假如有,你必需split them, as described in Section 5.7.8. 20.6.8 为 VOF 模型定义相（ Defining Phases for the VOF Model ）在 VOF 运算中为主相和其次相指定必要的信息和它们的相互作用的说明由下面给出；！ ！通常,你可以你喜爱的任何方式指定主相和其次相；考虑你的挑选如何影响问题的设置是一种很好的想法,特殊是在复杂的问题中；例如,对区域一部分中的一相,34 假如你方案 patch 其初始体积份额为 1,指定这个相为其次相更便利；同样,假如一相是可压缩的,为了提高解的稳固性,建议你指定它为主相；！ ！记住,只能有一相是可压缩的；确定你没有挑选可压缩材料（也就是对密度使用可压缩抱负气体定律的材料）为多于一相的；See Section 20.6.16 for details. 如在 Section 20.2.8 中争论的,表面张力影响的重要性取决于毛细管数 Cadefined by Equation 20.2-16的值,或者 Weber number ,Wedefined by Equation 20.2-17.假如Ca>>1 或者 We<<1,表面张力的影响可以忽视；！ ！留意假如你在表面张力有重大影响的运算区域内使用四边形或六边形网格,表面张力影响的运算会更精确；假如你在整个区域内不使用四边形或六边形网格,那么你应当使用在影响区域内用四边形或六边形的混合网格；遵循包含沿着一对或多对相界面上表面张力（and, if appropriate, wall adhesion ） ）的影响,以下步骤：1 Turn on the Surface Tension option. 2 假如你想包含壁面黏附的,turn on the Wall Adhesion option. When Wall Adhesion is enabled, you will need to specify the contact angle at each wall as a boundary condition as described in Section 20.6.14. 3 对于你想包含表面张力影响的每一对相,指定一个常数表面张力系数；默认情形,所 有表面张力系数都为零,表示沿着两相界面上没有表面张力；！ ！对于涉及到表面张力的运算,建议你在Multiphase Model panel 中为 Body Force Formulation 打开Implicit Body Force ；这样做由于压力梯度和动量方程中表面张力的部 第 5 页,共 22 页 - - - - - - - - - 分平稳,从而提高明白的收敛性；具体内容见Section 22.3.3. 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -20.6.11 Including Body Force 包含体积力 在很多情形下,相的运动部分是由于重力的影响；为了包含这个体积力,应在 Operating Conditions panel 下挑选 Gravity 并且指定 Define Operating Conditions. Gravitational Acceleration. 对于 VOF 运算,你应当在 Operating Conditions panel 下挑选 Specified Operating Density,并且在 Operating Density 下为最轻相设置密度； （这种排除了水力静压的积存,提高了 round-off 精度为动量平稳）；假如任何一相都是可压缩的,设置 Operating Density 为零；！对于涉及体积力的VOF 和 mixture 运算,建议你在Multiphase Model panel 下为Body Force Formulation 挑选Implicit Body Force. 这种处理通过解决压力梯度和动量方程中体积力的部分平稳提高明白的收敛；20.6.12 为 VOF 模型设置时间依靠参数在 FLUENT 中,假如你使用依靠时间的 每VOF 公式, volume fraction 的一个隐式解或者在一个时间补或者在每一迭代次数上获得,主要取决你输入的模型；你也可以掌握时间步用于volume fraction 的运算；运算一个依靠时间的VOF 解, 你必需在Solver 面板下挑选Unsteady （挑选合适的Unsteady Formulation, as discussed in section 22.15.1 ）；如 果 你 选 择 了Geo-Reconstruct, Donor-Acceptor, or Euler Explicit 格式； FLUENT 将自动为你打开 first-order 不稳态公式,因此你自己不必再拜访 Solver 面板；Define Models Solver. 在 Multiphase Model 面板中,对于时间依靠的运算有两种输入：默认情形, FLUENT 将求解volume fraction 方程一次在每一时间步上；这意味着显现在其他输运方程中的对流流量系数不必在每一迭代层次上完全更新,由于 volume fraction field 在两次迭代之间不转变；假如你想让FLUENT 在一个时间步的每一迭代步上求解一次volume fraction equation, 应在 VOF Parameters 打开Solve VOF Every Iteration ；当 FLUENT 每次迭代是求解这些方程时,其他输运方程的对流流量系数将会在基于每次迭代更新 volume fraction 的基础上更新；通常,当其他流淌变量在每一时间步收敛时假如你估计接触面的位置将发生变化,你应当挑选 Solve VOF Every Iteration. 例如,当采纳大的时间步长并期望达到稳态解,这种情形就会发生；假如采纳小的时间步长,在每一迭代上执行求解 volume fraction 的额外的工作是不必要的；因此你可以让这些选项关闭；在两种挑选中这种更牢靠,并且在每一时间步上需要更少的运算付出与第一中挑选相比；45 ！假如你使用的是滑动网格（sliding meshes）,使用 Solve VOF Every Iteration 会得到精度更高的结果,但是得付出更多的运算代价； 当 FLUENT 执行时间依靠的 用VOF 运算, 用于 volume fraction 运算的时间步长不必和于其他输运方程的时间步长相同；FLUENT 将会自动地为VOF 调整时间步长, 基于你为靠近自由表面输入的答应的最大Courant Number. Courant Number 是一个无量纲数,细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 6 页,共 22 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -它是与运算流体单元通过掌握容积的时间特性的时间步长的比值：在流体接触面邻近的区域,FLUENT 通过外出流量的和分开各个单元的掌握容积；作为结果的时间代表了流体流出掌握单元变为空所用的时间；这些时间中最小的作为流体单元 通过掌握容积的特性时间,如上所述；基于这个时间和你输入的答应的最大的 Courant Number,在使用 VOF 运算时时间步被运算出来；例如,假如最大答应的 Courant number 是 0.25（默认）,时间步长将会至多被选为任何靠近接触面的的最小通过时间的四分之 一；注：当采纳隐式的求解方案时,这些输入是不要求的；20.6.16 可压缩 VOF 和 Mixture 模型运算的输入 假如你使用的是 VOF 或 mixture 模型为可压缩流淌,留意如下： 只有相中的一个是可压缩的（也就是只有一相材料的密度你可以选用抱负气体 定律）； 假如你使用的是 VOF 模型,由于稳固性的缘由,假如主相是可压缩的会更好（尽 管是不需要的） ； 假如你在边界上指定总压力（也就是pressure inlet or intake fan ）,在那个边界上的具体的温度值对于可压缩相将会使用；total temperature,而对其他相使用static temperature它们是不行压缩的压力 -速度耦合使用连续性方程的离散一节中的方程5 来实现压力速度耦合,从而从离散连续性方程（连续性方程离散一节中的方程3）推导出一个压力方程；FLUENT 供应了三种可选的压力 速度耦合算法： SIMPLE ,SIMPLEC 和 PISO；关于这些算法的挑选请参阅挑选压力速度耦合方法一节；SIMPLE SIMPLE 算法使用压力和速度之间的相互校正关系来强制质量守恒并猎取压力场；假如用推测压力场p* 来解动量方程,从连续性方程离散一节中的方程5 所得到的表面流量 J*_f 为： * 1 * 0 * * .c c f f f p p d J J - + = 它并不满意连续性方程； 因此将校正项J'_f 加入到表面流速J*_f 中来校正质量流速J_f：f f f J J J + = * 此时满意了连续性方程；SIMPLE 假定 J'_f 写成如下形式： 1 0 c c f f p p d J -= 第 7 页,共 22 页 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -其中 p'是单元压力校正；SIMPLE 算法将流量校正方程（方程3 和 5）代入到离散连续性方程（连续性方程的离散一节中的方程3）从而得到单元内压力校正p'的离散方程； + = nb nb nb P b p a p a 其中,源项 b 是流入单元的净流速； = faces N f f J b * 压力校正方程 （方程7）可以用代数多重网格一节中所介绍的代数多重网格方法来解；一旦得到解,使用下面的方程校正单元压力和表面流淌速度：p p p p + = * 1 0 * c c f f f p p d J J -+ = ；校正后的表面流速J_f 在在这里, a_p 是压力亚松驰因子（请参阅亚松驰方面的介绍）每一 部迭代中同一地满意离散连续性方程；SIMPLEC 基本 SIMPLE 算法的很多变量都可以在相关文献资料中查到；除了 SIMPLE 算法之外,FLUENT 仍供应了 SIMPLEC SIMPLE-Consistent 算法 164 ；SIMPLE 算法是默认的,但 是对于很多问题假如使用SIMPLEC 可能会更好一些,具体可以参阅SIMPLE 与 SIMPLEC 的比较一节；SIMPLEC 程序和 SIMPLE 程序相像；两种算法所使用的表达式唯独的区分就是表面流淌 速 度校正项；和 SIMPLE 中一样,校正方程可写为： 1 0 * c c f f f p p d J J -+ = 但是系数 d_f 重新定义为：. .细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 8 页,共 22 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -.- = nb nb f f a ap A d 2 可以看出,在压力速度耦合是得到解的主要因素时,使用修改后的校正方程可以加速收 敛；PISO 压力隐式分裂算子PISO的压力速度耦合格式是SIMPLE 算法族的一部分,它是基于压力速度校正之间的高度近似关系的一种算法；在SIMPLE 和 SIMPLEC 算法的一个限制就是压力校正方程解出之后新的速度值和相应的流量不满意动量平稳；因此必需重复运算直至平衡得到满意；为了提高该运算的效率,校正；PISO 算法执行了两个附加的校正：相邻校正和偏斜PISO 算法的主要思想就是将压力校正方程 69 中解的阶段中的 SIMPLE 和 SIMPLEC 算法所需的重复运算移除；经过一个或更多的附加 PISO 循环,校正的速度会更接近满意连续性和动量方程；这一迭代过程被称为动量校正或者邻近校正；PISO