瞬态CFD模拟分析技术

1.瞬态流动的根源

（1）自然发生的瞬态流动

由于流体中不稳定性的增长或者非平衡的初场引发的瞬态流动，如自然对流、湍流涡和流动波（重力波、激波）等。

（2）强迫瞬态流动

时间平均的边界条件，源项引起的瞬态流动，如喷嘴的脉冲、旋转机械的动静干涉等。

2.模拟瞬态流场的方法

1）稳态解：流场不再随时间变化。

2）时间周期解：流场形态随时间脉动重复出现。

目标可以简化为分析预定时间间隔的流动，如自由表面流和移动的激波等。

同时应抽取关心的变量：特征频率（如斯德鲁哈尔数）、时间平均或/RMS值、时间相关的参数（如热固体的冷却时间、污染物的停留时间等）和特殊数据（快速傅里叶变换）等。

瞬态流动的模拟流程一般为

1）激活瞬态求解器。

2）设置物理模型和边界条件，允许通过UDF或分布文件设置瞬态边界条件。

3）指定初场，最好用有物理意义的初场，如稳态流场。

4）设置求解器和监测器。

5）设置动画和数据输出选择。

6）选择时间步和最大迭代次数。

7）设定时间步数。

8）计算。

在“General”菜单下选择“Transient”项，即可激活瞬态求解器，如图2-87所示。

开始执行迭代前，需要设置附加的控制：求解器设置、动画、数据输出/自动保存选项。

3.选择瞬态时间步长(www.xing528.com)

选择瞬态时间步长的方法大致如下：

在“Run Calculation”项中设置时间步长∆t，∆t必须小到能解析和时间相关的特征，确定在每个时间步的最大迭代步内能收敛。指定零时间步时迭代，求解器会仅仅在当前时间步下收敛。对许多瞬态流动，PISO格式有助于加速收敛。

由于FLUENT使用全隐格式，所以不存在用来确定∆t的稳定性判据。但是，为了正确模拟瞬态现象，有必要将∆t设定为比所模拟的系统最小时间常数小一个量级。通过观察每一个时间步中达到FLUENT收敛所需要的迭代次数，可以判断∆t的选择是否合理。每一个时间步的理想迭代次数是10～20。如果FLUENT需要更多的迭代次数才能收敛，则说明时间步太大了。如果FLUENT在每个时间步中只需要很少的迭代次数，就可以增加∆t。瞬态计算中最常见的问题就是计算启动后很快衰退。因此，最好在前5～10个时间步中选择较小的∆t，然后在计算过程中逐渐增加∆t。

对于周期性问题，周期性的最终解是不依赖起始阶段求解过程的时间步的。由于不关心流动开始阶段的精确解，因此在起始阶段可以定义“大”时间步长。以大时间步长开始计算，解能更快成为周期性。然而，当解达到周期性时，应减少时间步长，以获得精确解。如果采用二阶时间精度求解，那么在计算过程中改变时间步长会影响当前解的精度。以大时间步长开始计算，在求解过程中改变时间步长不应超过20%。不能在最后几个周期改变时间步长，以确保解达到周期性状态。

4.瞬态模型选择

在“Run Calculation”项中设置自适应时间步长（Time Step Size），如图2-88所示。FLUENT软件基于局部截断误差自动调整时间步长，也可以通过UDF指定。在进行大涡模拟时，需要使用时间平均的统计。另外，在使用密度基求解器时，需要设定Courant数，以定义密度基显式求解器的全局时间步长，或密度基隐式求解器的伪时间步长（真实时间步长仍然必须在迭代面板中定义）。

图2-87 激活瞬态求解器

图2-88 Max Iterations/Time Step

5.执行迭代

通常的时间推进格式是迭代格式。求解器在当前时间步收敛，然后推进到下一个时间步。当达到Max Iterations/Time Step（见图2-88）或满足收敛标准时，时间推进到下一步。各时间步依次收敛，直至达到总时间步。

执行迭代前，必须定义初始化：设置流体域的初始质量和流场的初始状态。

非迭代时间推进法（NITA）可更快速地计算时间。

瞬态模拟的求解技巧包括：

压力-速度耦合采用PISO格式，比标准SIMPLE格式更易收敛。

选择合适的时间步长，以至每个时间步长内能收敛3个量级。

每个时间步的迭代次数大约为20次，减少时间步长比增加每步的迭代次数要好。

精确的初场和边界条件一样重要，初场一定要符合真实物理条件。

在计算前定义希望得到的动画。