用ansys-CFD计算湍流的问题

destinyhui

计算一个带裂纹管道内的流场，管道长4m，裂纹在管道2m处做成一个小突起，裂纹尺寸长为0.2m，宽为0.002m，进口设2MP的压力或者5m/s的速度（哪个好算算哪个），出口和裂纹面可受空气压力，流体性质为天然气或者氮气等，这应该是一个湍流的问题，用ansys-CFD计算时，要设置一些什么东西，比如求解器、迭代次数、松弛因子等等都要设置吗？应该怎么设置才正确？用哪个能量方程？还有比热和导电系数怎么设置？总的来说就是都要设置些什么东西才能算啊？希望大家帮忙指教一下！

Seventy721

我用的是Fluent，简单提示一些做CFD的共通原则，可能有用：

1。算算雷诺数Re，看看是不是湍流，是complete turbulence 还是 transient turbulence（查Moody diagram）。
2。根据Re，计算Kolmogorow microscales。
3。根据Kolmogorow microscales，计算turbulent dissipation rate (epsilon)。
4。计算turbulent kinetic energy k，你可以假设一个turbulent intensity，比如1-5%。对于管道流体，安静的流体1%，2-3%中等，5%剧烈的湍流。这个需要有点经验数据。
5。估计实际流体的边界层厚度量级，可以用平板公式。如果你的流体是complete turbulence并且你不关心drag/lift force，也不关心近管壁处的流体，那么可以不用边界层，同时在管壁上采用可滑动边界条件。不过一定要注意，这时你的解只在远离管壁的区域准确。如果是LES求解，则最好加上边界层。如果是动态问题，比如vortex shedding，如果没有边界层有时shedding不会发生。
6。如果采用velocity inlet 或 pressure inlet，需要裂纹前留足够的长度，以便流体达到fully development。建议20Dh以上，如果困难，可以在velocity inlet指定velocity profile，同时缩短上游距离。最起码也要留够5Dh。
7。裂纹后也需要留足够长度。具体多长不好说，需要试算。只要出口流体接近均一就可。
8。出口可以采用pressure outlet 或者 outlfow，具体用哪个需要看出口的物理意义。入口的turbulence level可以采用上面计算的值。
9。如果出口入口都是fully developed flow，也可以采用periodic boundary conditions。然后设置mass flow rate。这样上游就不用保留很长距离了。
10。初始化的时候，流速采用平均流速，turbulence level采用上面计算的值。
11。裂纹有没有空气进入？混合气体我没做过，没有经验，不瞎指挥。
12。求解器，开始可以用k-e求稳态解。然后再转为瞬态解。
13。瞬态解可以用k-e，也可以用LES 或者DES。k-e是准动态（quasi-steady state），LES是真实的瞬态。如果只关心流体的统计指标，比如turbulent intensity，或者变化较慢的指标，k-e就可以。如果关心瞬时动态指标，比如局部区域快速变化的流速，压力，drag force等，最好用LES 或者DES。
14。如果采用k-e steady state，采用默认的残差就可以。算到收留为止。如果500步不收敛，说明可能有问题。如果5000步不收敛，说明肯定有问题。至少模型不够好。
15。前面忘了网格。定义边界层的时候一定要保证边界层网格总厚度超过实际边界层厚度，否则算出来的结果好看不好用，边界层边缘处的turbulent intensity将会大大超过合理值。边界层网格的第一层，厚度要合适，需要满足一定的y+值。如果用k-e算法 + standard wall fucntion, y+=30；如果采用k-e算法 + enchanced wall fucntion，y+=4~5；如果采用LES，y+=1。y+得值在求解前只能估计数量级，准确值需要求解后才能知道，所以试运算是必需的。网格划分可以采用hex，wedge，ansys 有一种六边形网格，据说很好，不过我没用过，不知情。据说ansys 的网格生成器比gambit强。如果网格不好划分，应当把结构切成许多小块，分块划分。
16。松弛因子先用初始值，如果收敛有问题再调整。如果你初始化合理，一般没有问题。
17。比热在材料属性里。导电系数没用过，不知道。
18。总的来说就是需要设置好多东西才能算，如果上面的工作你都做了，还是不能算，那也是可以理解的。。。

希望有点用，祝你好运！

Seventy721

再补充两点：

a。需要考虑流体是不可压缩还是可压缩。如果不关心声波传导，任何一处的流速远远低于声速，没有shock wave，不考虑热交换，则可以看作不可压缩。不可压缩流体可用基于压力的求解器。可压缩流体可以采用基于密度的求解器。
b。瞬态求解器的时间步长设定根求解器和你所关心的现象有关。如果是k-e，则只要保证步长小于所关心的最高频率的周期的1/2，当然最好是1/10，否则可能会有aliasing 问题。如果是LES，还需要考虑收敛问题。步长太大不收敛。可用步长应该接近Kolmogorow microscales给出的时间量。

treter

楼上很强大