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CFD计算的关键要素——网格篇

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发表于 2016-2-29 14:58:03 | 显示全部楼层 |阅读模式

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一个合格的研发者,应具备设计、研发、优化等基本技能,实现三者一体化。
    算准,是研发者的基本功底。在概念设计阶段,可以不用特别的精准,只要定性的把握产品的性能,再众多方案中择优选取,毕竟,算的精准,要付出的代价是比较大的。但是最终方案确定了,面临实际生产时,必须算准。算准了,就可以减少实物模型的调试,缩短研发周期,减少研发投资。最终方案没算准,别人会怀疑你的能力。
    怎么算准呢?核心的要素有一下几个方面:
  
   1)网格

   网格是影响计算精准性的最重要的因素。是计算的基石。

  a. 网格数
   
   网格的数量和计算精度密切相关,从计算流体力学理论角度讲,网格越多,计算的结果越精准。但是由于受到计算机性能的影响,我们不可能无限的增大网格数。一般的,选取一个合适的网格数就行。比如弄出100、300、500、800万网格,同一工况下,500和800没什么差别,和300、100就有比较大的误差,那么网格数就可以确定在500万。当然概念设计阶段网格数可以少点。

  b. 网格属性

  网格分为结构化网格、非结构化网格、混合网格。其中结构化网格计算精度、收敛性和稳定性都最好,非结构网格最差,混合网格介于他们之间。
  对于不同的产品,不同的几何,要选取适合的网格类型。像风机或者选择机械行业,轴流的一般选取结构化网格。因为轴流的是周向对称的,并且叶片前缘、尾缘比较尖,翼尖离外筒非常近,受到边界层的影响大。由于这些综合因素的影响,用结构网格是必然选择。一般的用NUMECA的AG5模块处理此类网格非常方便。个人认为NUMECA的fine计算模块计算的结果精度有待考究。因此最好是用AG5处理旋转域的网格,其它部件用ICEM处理。整合后在CFX中计算。先稳态,再瞬态迭代比较靠谱。
   对于离心类风机或者旋转机械。风机的集流器大多是深入到叶轮里面,风机蜗壳是非周向对称。要处理此类网格,如果在NUMECA的AG5和IGG中处理,径向间隙无法处理,计算肯定偏大。大多数的离心风机,都是基于非结构网格计算,因为其适配性好,并且离心风机叶轮和其它部件相对比较远,受到边界层的影响小,不带边界层的非结构网格是可以接受的(非结构带边界层的网格质量very very bad)。80%以上的风机在High Resolution算法下的收敛性和稳定性都是不错的。但是某些畸形的风机模型,基于非结构的CFX计算的,怎么都收敛不了。折中处理,只能用一介迎风格式来计算。得到相对比较好的结果。
   混合网格,是介于结构和非结构之间的一种网格。可以是一边是结构化网格,另一边对非结构化网格,通过interface对接。也可以“天然”六面体和四面体组合。ICEM在这一块还是比较薄弱的。像pumplinx,复杂的几何,其网格还是比较漂亮的。其网格96%是六面体,4%是四面体,操作简单,工作效率非常高。不过他们的算法和模型处理我个人认为有待商榷。还有其网格和其它CFD软件无法兼容。So Pity!
  以后网格的发展方向,应是操作简单,省时省力,六面体占绝大多数,少了的四面体填充,对复杂几何的适配性高的"天然“混合网格。这样既保证了计算精度,又加快了计算的速度。

2)边界条件

  边界条件一般不要设置问题都不是很大。出口用静压收敛性和稳定性较好,如果出口存在回流,出口用静压就会出现overflow。有回流的模型,出口可以改为opening或者质量流量。进口可以给定全压或者质量流。这个看个人习惯。我一般进口用全压,出口用流量。如果overflow还是出现,出口改opening,进口改流量。只要计算收敛了,稳定了,就OK了。

3)松弛因子

  在Fluent或者pumplinx都有松弛因子条件选项,在CFX中,通过time scale来调节,是准瞬态计算。合适的松弛因子,对计算的收敛速度有很大的影响。一般的,CFX中time scale用1/ω基本能满足计算。太小,计算稳定,收敛太慢,过于保守。太大,收敛加快,有时候无法收敛。

4)算法的选择

  在CFX中对流项的算法有High Resolution,Upwind,和Specified Blend Factor。
  High Resolution是二阶精度,相对比较准,如果能收敛,竟可能用这个算法。
  Upwind是一介迎风格式,精度稍低,但是收敛性能最好的。如果High Resolution收敛不了,可以用一介迎风格式,收敛标准提高到-6次方。再算一周瞬态的,结果也还是可以的。
  Specified Blend Factor一个精度可调算法,系数从0到1,0就类似于upwind,1就类似high resolution。通常建议用0.75。
以上内容仅为个人经验总结,可能存在总多不足之处,请指正。

评分

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发表于 2016-2-29 20:24:05 | 显示全部楼层
边界条件上请教一下:
一个管路在高压的环境中,要计算入口和出口的压降
入口的压力是知道的,可以给定,入口边界条件给了pressure outlet(STARCCM+)
出口的话,边界条件是不知道的,要计算出来,给什么边界条件好呢?自由出口不能与pressure边界条件共存,
该怎么设置好呢?
 楼主| 发表于 2016-3-1 16:50:52 | 显示全部楼层
5超7 发表于 2016-2-29 20:24
边界条件上请教一下:
一个管路在高压的环境中,要计算入口和出口的压降
入口的压力是知道的,可以给定, ...

我没玩过STARCCM+,但是CFD软件基本原理通用的,对于您的情况,你主要是分析系统压力损失。既然入口压力知道了,那么建议入口用全压。出口的话,由于静压你不知道,流量可以确定吗。如果流量可以确定,出口可以给定流量。

点评

恩 你和CCM+的技术支持说的差不多 今天我和领导交流了一下,她告诉我,单单一个压力入口和自由出口是无法封闭流体方程的,因为入口的流量是可以随意给的,除非是知道进出口的压力 她教了我确定入口平均速度的  详情 回复 发表于 2016-3-1 21:39
发表于 2016-3-1 21:39:52 | 显示全部楼层
shaozhunyuan 发表于 2016-3-1 16:50
我没玩过STARCCM+,但是CFD软件基本原理通用的,对于您的情况,你主要是分析系统压力损失。既然入口压力 ...

恩 你和CCM+的技术支持说的差不多

今天我和领导交流了一下,她告诉我,单单一个压力入口和自由出口是无法封闭流体方程的,因为入口的流量是可以随意给的,除非是知道进出口的压力

她教了我确定入口平均速度的求法,出口还是用自由出口
发表于 2016-7-18 16:49:29 | 显示全部楼层
请问物体绕流时,划分非结构网格,怎么才能保证网格的数量?物体的形状比较不规则,有比较大的面,也有小的面。
发表于 2019-8-19 15:53:15 | 显示全部楼层
哎,自己摸索的话是真的困难重重
发表于 2019-12-17 14:48:10 | 显示全部楼层
可以试试www.caesky.cn,免费生成网格
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