淺談對FLUENT的認識（轉載）

2017-03-02 by:CAE仿真在線來源:互聯網

僅僅就我接觸過得談談對fluent的認識,并說說哪些用戶適合用,哪些不適合fluent對我來說最麻煩的不在里面的設置,因為我本身解決的就是高速流動可壓縮N-S方程,而且本人也是學力學的,諸如邊界條件設置等概念還是非常清楚的同時我接觸的流場模擬,都不會有很特別的介質,所以設置起來很簡單。

對我來說,頗費周折的是gambit做圖和生成網格,并不是我不會,而是gambit對作圖要求的條件很苛刻,也就是說,稍有不甚,就前功盡棄,當然對于計算流場很簡單的用戶,這不是問題。有時候好幾天生成不了的圖形,突然就搞定了,逐漸我也總結了一點經驗,就是要注意一些小的拐角地方的圖形,有時候做布爾運算在圖形吻合的地方,容易產生一些小的面最終將導致無法在此生成網格,fluent里面的計算方法是有限體積法,而且我覺得它在計算過程中為了加快收斂速度, 采取了交錯網格,這樣,計算精度就不會很高。同時由于非結構網格,肯定會導致計算精度的下降,所以我一貫來認為在fluent里面選取復雜的粘性模型和高精度的格式沒有任何意義,除非你的網格做的非常好。

而且fluent5.5以前的版本(包括5。5),其物理模型,(比如粘性流體的幾個模型)都是預先設定的,所以,對于那些做探索性或者檢驗新方法而進行的模擬,就不適合用。

同時gambit做網格,對于粘性流體,特別是計算湍流尺度,或者做熱流計算來說其網格精度一般是不可能滿足的,除非是很小的計算區域。所以,用fluent做的比較復雜一點的流場(除了經典的幾個基本流場)其計算所得熱流,湍流,以及用雷諾應力模擬的粘性都不可能是準確的,這在物理上和計算方法已經給fluent判了死刑,有時候看到很多這樣討論的文章,覺得大家應該從物理和力學的本質上考慮問題。

但是,fluent往往能計算出量級差不多的結果,我曾經做了一個復雜的飛行器熱流計算,高超音速流場,得到的壁面熱流,居然在量級上是吻合的,但是,從計算熱流需要的壁面網格精度來判斷,gambit所做的網格比起壁面網格所滿足的尺寸的要大了至少2個數量級,我到現在還不明白fluent是怎么搞的。

綜上,我覺得,如果對付老板的一些工程項目,可以用fluent對付過去,但是如果真的做論文,或者需要發表文章,除非是做一些技術性工作,比如優化計算一般用fluent是不適合的。

我感覺fluent做力的計算是很不錯的,做流場結構的計算,即使得出一些渦,也不是流場本身性質的反應,做低速流場計算,fluent的優勢在于收斂速度快,但是低速流場計算,其大多數的著眼點在于對流場結構的探索,所以計算得到的結果就要好好斟酌一下了,高速流場的模擬中,一般著眼點在于氣動力的結果,壓力分布以及激波的捕捉,這些fluent做的很不錯。對于多相流,旋轉機械我沒有做過,就不好隨便說了希望做過其他方面工作的大俠也總結一下。

對于運用fluent來求解問題,首先要對本身求解的物理模型有充分的了解,只有在這個基礎上,才能夠選擇出正確的,計算模型以及相應的邊界條件。

對于fluent計算的方法,確實是采用的有限體積法,不過對基于非結構網格的5.X,我個人覺得其采用的應該是同位網格而不是交錯網格,因為非結構網格情況下,交錯網格的方法處理起來比同位網格方法要復雜很多。一般見到的非結構網格下FVM(有限體積法)多半還是采用的同位網格而非交錯網格,這個問題還可以進一步探討。對于非結構網格而言,目前能夠做到的離散精度也只能是二階精度了,再高精度目前還沒法做到,或者說還沒有做到很實用。

對于gambit做網格,確實不是十分的理想,不過這個也不能怪罪gambit,因為非結構網格的生成方法,本身在理論上就有一些瑕疵(姑且這樣說吧,不能說是錯誤,呵呵)所以對于一些十分復雜,而且特殊的流場,可能最終生成的網格會很不理想,這個時候多半需要采取一些其它的迂回的方法,例如將復雜區域分區,分成一些簡單的區域,然后在簡單區域里面生成網格,最后再組合,而不是將整個復雜區域教給gambit讓其一次生成網格。有時在軟件做不到的地方,就需要人想法補上了。

對于壁面網格的問題,gambit中提供了生成邊界層網格的方法,恩,不知道是否這個功能也同樣不能滿足所需。gambit中邊界層網格只是在壁面法向進行特別的處理。對于壁面切向方向則是和邊界層外網格尺度相當的。

對于fluent的適用范圍,我很同意stipulation的說法,本身fluent是一個比較成熟的商業軟件,換句話說,其適用的數值方法,多半也是目前相對比較成熟的方法之一。因此用fluent來做工程項目確實是很適合的,因為它相對效率較高,而且實際上fluent中有一些對特殊問題的簡化處理其目的也是直接針對工程運用的。因此如果是完全的基于fluent做流場分析,然后做論文,這樣是不行的。需要強調的是,fluent僅僅是一種CFD的工具,一個相對好用的工具。

對于fluent做高速可壓流動問題,我做的不多,不知道stipulation兄對fluent評價怎樣,我個人覺得,由于有限體積法本身對于求解有間斷(激波)的流動問題就存在一定的誤差的,有限體積法實際上應該更加的適合于不可壓流動問題,因為這個方法本身的特點就保證了通量的守恒,對于不可壓流動,那就是保證了整個流場的質量守恒。就我個人觀點而言,對于算激波的問題似乎還是得要實用一些高精度格式,例如NND,TVD,時空守恒格式等。順便問stipulation一個問題,在算鈍頭體(導彈)小攻角來流夸音速流動問題時,在計算中是否有激波的振蕩現象?(這個好像說有人做出實驗了,我們這邊有人在計算,可是死活算不出來振蕩,他用的是StarCD了)

對于兩相流和旋轉機械,我插上兩句。兩相或者多項流動中,fluent也提供了幾種可用的方法,例如VOF方法、Cavitation方法、Algebraic slip方法,我對VOF和Cavitation的原理了解稍微多一些,VOF方法稱為體積函數法,以兩相流動為例,VOF中定義一個基相,兩相之間相互是不發生互融等反應的,通過計算每一個時間步下,各個網格單元中的體積函數,從而確定該網格中另外一項的比例,然后通過界面重構或者一些其它的方法來確定此單元網格中兩相交界面的位置,從這個意義上說,VOF是屬于界面跟蹤方法。Cavitation方法則不是這樣,此方法不能用

來明確的區分兩相的界面等,但是可以用來計算某一的區域內所含的氣泡的一個體積密度。

對于旋轉機械的流動問題,fluent中提供了幾種方法,一種是就是很簡單用坐標變換的概念化旋轉為靜止,然后添加一個慣性力。一種是所謂的多參考坐標系方法,還有就是混合面方法,最后是滑移網格方法。第一種方法自不用說,理論上是精確的,后面三鐘方法中,fluent中以滑移網格方法計算的準確度最好,前面兩種方法都有很強的工程背景并且是在此基礎上簡化而來的。但這些方法的運用都有一些前提條件。

fluent公司還有另外的一個工具,MixSim是針對攪拌混合問題的專用CFD軟件內置了專用前處理器,可迅速建立攪拌器和混合器的網格及計算模型。

: 有沒有用它做旋轉機械內部流動的?

同時其實是給商用CFD軟件與科研用CFD之間的關系提出了很好的思考問題。其實就我所知道的搞CFD應用研究的人而言,他們很希望在現有的已經成熟的CFD技術基礎上做一些改進,使之滿足自己研究問題的需要。為此他們不希望整個程序從頭到尾都是自己編,比如N-S方程的求解,其實都是比較固定的。因此很多人都希望商用軟件有個很好的接口能讓用戶自己加入模塊,但是這一點

其實真是很難做到,而且到底做到用戶能交互的什么程度也很難把握。據握所知,有搞湍流模型研究的人用PHOENICS實現自己的模型,而邊界處理以及數值方法等還是原方程的,據說star-CD也是商用軟件中提供給用戶自主性比較好的,fluent這方面到底如何就不得而知了,看stipulation所說的似乎也還是有限。因此,我覺得現在還是存在這樣的問題:既不能依靠商用CFD軟件搞研究,但也希望不用反復重復一些繁雜的、沒有創造性的工作。

我現在就是用fluent來計算旋轉機械的內流場,那就說說旋轉機械的流動問題吧。fluent中有幾種處理旋轉機械流動問題的模型,分別為旋轉坐標系模型(Rotating Reference Frame),多參考坐標系模型(MRF),混和平面模型(Mixing Plane),滑移網格模型(Sliding Mesh)。其中,旋轉坐標系模型僅適用于不考慮定子影響的流場,其思想就是在視轉子為靜止的旋轉坐標系里進行定常計算,計算中考慮慣性力的影響;多參考坐標系模型(MRF)就是在前一模型的基礎上考慮了定子對流場的影響,將流場按不同旋轉速度劃分成幾個流動區域,每個區域里用旋轉坐標系進行定常計算,在這些流動區域的交界面上強制流動速度的連續;混和平面模型是另一種用定常方法計算定子與轉子相互影響下的流場的模型,它在不同流動區域之間的交界面上進行了一定的周向平均,消除了流動本身的非定常性,這種模型要優于MRF模型;滑移網格模型是采用滑移網格技術來進行流場的非定常計算的模型,用它計算的流場最接近于實際的流動,但這種模型需要耗費巨大的機器資源和時間。

關于對商用CFD軟件的看法,我比較贊同zzbb的看法,我們可以利用它里面成熟的計算方法,附加上自己提出的一些模型,這樣研究問題,可以省很多的精力和時間,對于CFD的發展也是很有好處的。現在的商用軟件提供的接口比較少,軟件封裝的比較死,這樣不利于做科學研究,如果可以像linux的發展模式那樣發展CFD,大家公開成熟的CFD代碼,然后可以通過自由的研究,添加新的功能,相信CFD發展的會更快,不過如果這樣,那商用CFD軟件就不好賺錢了

至于商用軟件開發源代碼的問題,實在是不大可能。由于CFD應用很多領域,特別是還與核、航空、汽車等一些非常重要的工程領域相關,一般來說都屬于高科技技術,鬼子是不會輕易公開的。比如phoenics早在80年代初就開發完成并應用于工程,但是當時西方就是對共產黨國家封閉,禁運,直到1991年(1993?)才有1.x的版本正式到中國。所以這也是我想說的目前存在的矛盾。

那么請問一下fluent所提供的用戶接口主要可以做些什么方面的工作呢?

: 加入自己的模型當然是廣義的,其實很多東西都可以稱作模型。CFD里最經典的算是湍流模型了吧。比如需要修改系數或增加項,對渦粘系數重新計算,就是這種情況。此外還有邊界條件的修改等問題。算法也可以算。但這些并不一定是商用軟件都能提供的。

對于運用fluent來求解問題,首先要對本身求解的物理模型有充分的了解,只有在這個基礎上,才能夠選擇出正確的,計算模型以及相應的邊界條件。對于fluent計算的方法,確實是采用的有限體積法,不過對基于非結構網格的5.X,我個人覺得其采用的應該是同位網格而不是交錯網格,因為非結構網格情況下,交錯網格的方法處理起來比同位網格方法要復雜很多。一般見到的非結構網格下FVM(有限體積法)多半還是采用的同位網格而非交錯網格,這個問題還可以進一步探討。對于非結構網格而言,目前能夠做到的離散精度也只能是二階精度了,再高精度目前還沒法做到,或者說還沒有做到很實用。

fluent由于其商用性,它的思想就是自己做的很通用, 而很少給用戶接口,特別在一些核心問題上我們實驗室如果真的做論文,就用一個fortran的大程序,是一個博士編的專門求解對稱的可壓縮n-s方程的看懂了,做一個網格,改改邊界條件就能算了,如果需要做相應改動,可以直接該源程序一般,作為研究,重點在研究的物理性質,計算方法,流場結構等所以,不會象做項目那樣,物理問題很簡單,但是條件,邊界很復雜,因此,做研究的程序,一般都在內部的計算方法,物理模型上下功夫而做項目,一般對方關心的是一個結果,而不是具體流場的結構性質。所以,用fluent是非常方便的,比如模擬高速可壓縮流場n-s方程和歐拉方程模擬的力,力矩的結果,幾乎沒有差別。

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