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CFD仿真计算拦路虎

4年前浏览4111

如今,企业产品设计开发中越来越重视仿真模拟了,无论大小企业,都会有专人或兼职的设计人员来做仿真计算工作,我们称之为仿真工程师,笔者作为企业一设计人员,也做过一些仿真计算工作,用亲身经历总结了一下企业仿真工程师仿真路上的几个拦路虎,这里只针对CFD仿真计算。

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根据ANSYS官方资料,CFD模拟的套路是确定模拟的目的、确定计算域、创建代表计算域的几何实体、设计并划分网格、设置物理问题、定义求解器、求解并监控、查看计算结果、修订模型,下面一一讨论。

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1. 确定模拟的目的

企业里用到仿真计算时的目的是非常明确的,就是解决工程问题。仿真工程师要么是在学校生涯中有过仿真计算的基础,要么就是从零开始学习使用的新手,我们暂且在全文讨论中认为都是零基础的新手。

目的很明确,但需要考虑的是仿真精度要什么级别、希望多久拿到结果,那么第一个拦路虎就有了:

拦路虎一:计算精度怎么保证

几乎所有参考书上有讲,得出一大结论就是,SKE方程是工业CFD计算之标配湍流方程,我也看过有的同事拿到一个计算要求时,想都不想就用该方程求解。却忘了,第一大要义,CFD计算一定是要基于流体力学基本理论的,第二大要义,CFD计算一定是基于CFD及数值计算基本理论的。

因此,解决之道在于:

加强理论学习,考虑流动基本现象,算一算雷诺数,是湍流还是层流,预估流动特征,选择适合用的湍流或层流或传热模型,壁面函数用哪个,对流项、梯度、压力差值方法,以及压力速度耦合计算方法的选择等等。

针对此,笔者曾对圆管充分湍流之压降做过核算,用事宜的计算方法,相对误差仅为1%,不适宜的相对误差高达20%。

这就告诫我们,对软件缺省设置(默认设置)一定要格外重视,官方虽说这适用于70%的流动计算。笔者也一直告诫自己,永远不要认为自己已经入门了,一定要不断学习、思考。

2. 确定计算域

面对的问题是,如何把一个完整的物理系统分割出来,并确定计算域的起始和结束位置,这方面不存在拦路虎,倒是有要注意的地方,请看官方资料,就是对计算域的简化问题。

3. 创建几何模型

面对的问题是,你是用现有结构CAD抽取流体计算域,还是从零直接创建,处理过程中,要时时注意不必要几何的简化。

4. 设计和划分网格

网格划分要满足以下八字要求:

疏密有致,过渡均匀!

划分网格其实存在一大拦路虎:

拦路虎二:网格质量怎么保证

 

要想获得高质量的网格,理想的办法是划分全六面体网格,简单几何几乎无压力,随着几何复杂程度的提高,耗费的时间精力成倍剧增。

于是,针对相对复杂的几何,折衷的办法就是划分四面体网格,最大的拦路虎就是,在考虑计算开销和硬件条件时,怎么保证网格质量。

5. 设置物理问题

其实和第一条类似,仿真计算时,考虑流体属性、流动模型边界条件等等,说到边界条件不得不说一句,你的边界条件的制定完全取决于你的计算域是怎么定的,看官方资料,一定要注意,进出口设置注意事项。

6. 求解并监控

没什么说头。

7. 查看计算结果

收敛的结果不一定正确,不收敛的结果不一定错误。对求解结果的评判是相当重要的,和试验结果差别大是为什么,在没有试验结果的情况下,和设计指标差别大是为什么。我认为,这是最大的拦路虎!

8. 修订模型

确认仿真方法不合理时,就要修订模型,主要根据专家意见以及分析讨论。这就要考虑流动是否有啥特殊效应、边界条件是否合理、网格是否合理、物理模型有啥不适合等等问题,总之,头疼!

说一千道一万,仿真计算要步步为营,每一步都要考虑到,把握细节,工业CFD的主要目的就是控制计算精度,在有限资源限制条件下,获得工程问题的解决方案。


流体基础湍流旋转机械气动噪声ANSYS 其他
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首次发布时间:2020-03-31
最近编辑:4年前
龙老师Turbo
硕士 | 研发设计主任... 新时代仿真人
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