单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,A Pera Global Company PERA China,A Pera Global Company PERA China,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,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 s,Initial Time=0 s,Total Time=20 s,Coefficient Loops=5,2,4,6,8,10,12,14,16,18,Time(seconds),5 coefficient Loops,通过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,T,ransient,设置,Time Duration,控制求解结束时间,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,0.001,0.001,0.002,0.002,0.003,5*0.001,10*0.05,20*0.06,Adaptive,通过设定收敛标准或,Courant,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,关心的变量,D,t,时间,关心的变量,D,t,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,Courant,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 Results,Transient Results,选项,Standard,写出包括全部结果的文件,将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,。