1、1第七章、FLOW-3D数值选项数值选项FLOW-3D?v9.32数值选项?模拟的主要目标是提供准确的结果。?所有数值选项都默认设置。大多数模拟用默认设置就可。大多数求解器使用默认显式的方法。?数值选项包括。压力解算器。时间步长控制。隐式求解传热，隐式表面张力等。?这章节的主要内容是：什么时候用户需要选择其他数值选项。这些选项在哪里选择。3不可压缩流动的控制方程不可压缩流动的控制方程?要求：动量方程（1，2或3的方向）。质量守恒。?可选：流体分数（自由表面）能源平流（传热）密度平流（可变密度）湍流 颗粒?派生数量派生数量：应变率，固相分数，非牛顿粘度。4动量方程U=(u,v,w)流速;P 压强
2、;G重力和非惯性体加速;t粘性应力张量;K U拖动（多孔挡板，障碍，两相区);RSORU/r大量注射液致零速度加速;F其他力：表面张力，电，质量/动力源，颗粒，用户定义的力.不可压缩，非牛顿/牛顿流动性：xxxFuRSORKuGxPzuwyuvxuutu?r?r?11yyyFvRSORKvGyPzvwyvvxvutv?r?r?11zzzFwRSORKwGzPzwwywvxwutw?rt?r?115质量守恒定律方程?Ur?RSORzwyvxu?RDIFRSORwzvyuxt?r?r?r?rRSOR 质量源/汇RDIF 密度扩散?不可压缩流动（用质量源）?变密度或可压缩流动（用质量源和漫射）6热能
3、传送方程fs固相分数（是T和溶质浓度的功能）;L潜热;k导热系数;C(T)比热;h液体/墙体传热系数;Twall 壁温;RISOR 能量源/汇;RIDIF湍流扩散LfsdTTCIT)1()(?7流体的体积对流方程?FSORFDIFFwzFvyFuxtF?运动学上的运动方程：VOF功能运动是根据在流动性里的速度场。F=1.0 -fluidF=0.0 -voidUFDIF-流体分数扩散。FSOR-流体体积源/汇。8控制体积解决方法FLOW-3D解决在交错网格有限差分方程。在控制体积单元里的位置和条件(i,j,k)?压力，温度，标量储存在单元中心。压力，温度，标量储存在单元中心。?强调速度和计算是在
4、单元的表面。9计算单元编号条件第一次真正的单元是i=2,j=2,k=2 第一次真正的单元是i=3,j=3,k=3?单元是自动被加在网格边执行边界条件：1层为大多数的边界条件(symmetry,wall,velocity,outflow,grid overlay)。压力、周期和跨层块边界需要两层。?只有真正的单元（见在白色下面）都显示在图里。10FLOW-3D数值选项数值选项时间步距控制压力解算器显式或隐式求解流体界面平流动量平流速度场选项11时间步长控制时间步长控制?时间步距的主要用途（称为dt和delt）：模拟时间步距向前（每个称为循环步）保持准确和稳定的模拟?时间步长受到各种因素的控制：?
5、t 在以前的时间步距。稳定极限(?t不能大于稳定性)。一些关于前一个周期的压力迭代（当AUTOT=1）。用户定义最大的?t(DTMAX)?FLOW-3D?控制整个模拟时间步长：控制整个模拟时间步长：1.掠过所有的计算单元.2.在每个单元格相关稳定性准则计算.3.确定所有单元的最低标准.4.最大稳定时间步长=?t=全球稳定的最低标准.12控制时间步长控制时间步长?在模拟完成时间上的时间步长控制通过FLOW-3D 的基础来选定。?时间步长控制-Model Setup-Numerics标签.?初始时间步长-默认默认=1.0E-6完成时间;可以有效地启动模拟.?最小时间步长-默认=1.0E-06 x初
6、始的时间步长;防止模拟失控（非常小的?t）.?最大时间步长-默认值是稳定极限。13在FLOW-3D?时间步长控制选择的间步长有三个因素影响：1.稳定2.精确度3.效率稳定-最明确的方法需要对时间步长限制所谓稳定性准则。时间步长始终是低于最低标准的稳定性。稳定的标准自动确定在每个周期的开始.精确度-每个周期时间步长增加不能超过5。效率-平衡时间步长vs收敛。较大的时间步长需要更多的压力/粘滞/热量收敛。FLOW-3D可减少时间步长（稳定以下）来实现更快的收敛。稳定性和收敛固定大小14时间步长的稳定性标准时间步长的稳定性标准 Limit Code Fluid Convection-X Direct
7、ion CX Fluid Convection-Y Direction CY Fluid Convection-Z Direction CZ Viscous Stress VS Free Surface FS Surface Tension ST Thermal Conduction(fluid or solid)CD Heat Transfer HT?稳定性标准确定在激活物理模型的每个周期开始。?两个字母的代码表明适用于该物理模型稳定性的标准。?求解摘要在“长期印刷”间隔列出了所有稳定性标准。?求解消息文件在“短期印刷”的间隔列出控制稳定标准.15隐式方法加快模拟？隐式方法加快模拟？x-ex
8、plicit convective time-step limit=1.51646E-06 at cell (10,57,6)in mesh block 2y-explicit convective time-step limit=2.46870E-06 at cell (11,57,7)in mesh block 2z-explicit convective time-step limit=1.15658E-06 at cell (10,57,6)in mesh block 2x-implicit convective time-step limit=6.06859E-06 at cell
9、(26,56,14)in mesh block 2y-implicit convective time-step limit=6.87478E-06 at cell (38,21,44)in mesh block 1z-implicit convective time-step limit=7.64813E-06 at cell (38,30,43)in mesh block 1free surface time-step limit=1.37319E-03 at cell (16,6,7)in mesh block 2thermal conduction time-step limit=2.
10、15091E-04 at cell (18,17,8)in mesh block 2wall heat transfer time-step limit=1.55914E-04 at cell (7,56,9)in mesh block 2典型的信息为了稳定性极限的时间步长典型的信息为了稳定性极限的时间步长.?显式求解的诊断综述?搜索“短的印刷时间步长的稳定性极限”?什么是物理过程的模拟限制？所指出的最小极限.?如果删除最小的限度（隐式）下一个最大的？16压力解算器压力解算器在FLOW-3D有三个压力求解器可用到.?SOR从头到尾连续松驰.相对良好的连接几何.相当统一的网格单元.短小的模拟.S
11、OR收敛应该在10?15左右.?ADI交替方向隐式.大单元的aspect ratios（?10:1）在SMP平行面没有良好的比例.?GMRES不能适应特殊环境的最小残留的方法.处理复杂，适应计算良好的领域.大单元aspect ratios的收敛.内存要求大-当使用SOR和ADI不衔接.在SMP平行面比例非常大.GMRES方法收敛次数应为2?7.17压力迭代收敛输入小于1的正值,迭代可以收紧。不建议使用大于1的值输入正值,迭代也可以收紧18稳态流动稳态流动以稳态流来加速方式可以通过设置一个很大的数字.如输入1.0e6这个选项只能用在没有传热的Confined Flows(one fluid,no
12、 sharp interface)19显式显式/隐式求解选项隐式求解选项?显式和隐式求解器可用于粘性应力，热传导，表面张力，弹性应力，泡沫压力，GMO/流动偶合,和平流动力。通常默认显式方法。?显式方法：精确的.当几何和流动是相对简单时液体快速流动的实现简单数字.需要时间步长限制（稳定性标准）以确保稳定.?隐式的方法：允许比显式的方法更大的时间步长.通常需要收敛求解。可能会或可能不会产生精确的解决方案。20界面平流选项界面平流选项?通过FLOW-3D模拟类型的基础上选择VOF平流方法。?Automatic 通过FLOW-3D模拟类型的基础上自动选择的方法。?默认的选择是通常良好的工作?高级平流
13、方法可供选择。当对流体积时使用误差较大（少数的）。21F-Packing?F-packing算法用于在具有重大自由表面崩溃流动来消除小洞或“foaming”的。该算法通过建立在流体单元内部小的不确定的分歧，其中哪个流体分数小于0.99。这是只使用在一个自由表面流动的液体。默认值为1.0,当你输入0时Packing就没发生22-10123450.000.200.400.600.801.001.201.40Simulation Time-sec%Fluid Volume LossIFVOF=4IFVOF=5IFVOF=6Comparison of VOF Advection MethodsWeir
14、 Example SimulationIFVOF=4(Default)for One Fluid with Free SurfaceIFVOF=5 Unsplit LagrangianIFVOF=6 Split Lagrangian IFVOF=46建议具有较强的流动循环23VOF平流方法对角流动平流方法对角流动的比较IFVOF=4 vs 5IFVOF=4IFVOF=524在高压压铸VOFVOF平流方法的比较?填充阶段:填充模拟.填充时间?0.048s.高湍流.模拟目标：找到被困气体.?VOF 4 vs 5比较.?IFVOF=4方法液量保持良好，预计被困气体。?IFVOF=5的方法显示大型对流
15、流动错误。25VOF平流方法的总结平流方法的总结方法优点缺点IFVOF=41.简单地实现数字.2.包含的所有信息：F,NF,AF 和VF。3.良好的单向准确性.4.有许多特殊情况的逻辑，例如在出口边界.在2D和3D流动量守恒和界面跟踪减少准确性。IFVOF=51.在跟踪复杂流动急剧界面里的良好性。2.改进表面张力行为.1.没有圆柱坐标的支持。2.在FA VOR是大约的部分块单元准确性减少。3.在旋涡流动有大量的错误结果(流动损失）。IFVOF=61.在跟踪复杂流动急剧界面里的良好性。2.较好的均衡表面张力行为.1.圆柱坐标支持9.3版本进度。2.在部分块单元IFVOF=4。3.非保守的制定，体
16、积误差不代表大量的损失/增加.26动量平流?4个动量（速度）平流选项:IORDER=1 1st动量平流.IORDER=2 2nd为中心差动.IORDER=3 2nd为逆风单一性保留.IORDER=4 3rd为逆风单一性保留.?大部分模拟默认1st:计算效率预计大部分流动特性?建议用高阶动力方法有如下:1.旋转流动.2.二次流动特征.27高阶动力的应用涡流高阶动力的应用涡流/旋转流动的模拟旋转流动的模拟?涡流/旋转流动的特点:1.旋转的主要流程.2.二次流动的特点往往是重要的.?旋涡流动的例子:1.沉淀池.2.涡流喷嘴.28Sediment Collection Tank SimulationS
17、ediment Collection Tank SimulationGeneral ConceptGeneral Concept淤泥流入出水固体缺陷?主要旋流两面中心+二次流动.?利用“茶杯效应”.?较重的固体聚集在中心.目标：模拟主旋转流动和二次流动。只有流动的计算-没有固体.29在圆槽总共速度的实验结果在圆槽总共速度的实验结果?上图显示槽附近收集?数字代表一小部分的入口速度数字代表一小部分的入口速度?预计沿中心线强涡旋?在涡流1.2倍速度大于入口速度涡流30模拟结果模拟结果IORDER=1IORDER=1?Initally solid-body rotation?No vortexing
18、seen near axis?1st order advection dissapates vortex?Try higher order momentum advection?默认的1st平流IORDER=1，计算效率是很多问题，但太多的对角线速度分量扩散而准确预测旋流旋流。31模拟结果模拟结果IORDER=2IORDER=2?速度是不是合理不稳定?IORDER=2不建议自由面模拟不稳定?由于IORDER=2是已知的强循环与自由表面流动的不稳定，但预计不会履行好这个问题。事实上，模拟很快变得不稳定，产生不合理的流速。?若要使用IORDER=2针对此问题，用户需要取代对称边界条件的自由表面。然
19、而，并非涡旋预测以及自由表面时被删除，因为不能动用流动在槽中心。这降低了在轴角动量增加。32模拟结果模拟结果IORDER=4IORDER=4?流体运动初始化为solid-body 旋转?良好的预测轴附近看到涡旋?三阶捕获良好的流动以及平流?IORDER=4在流动中的一个圆形槽旋流模拟预测。?在流体运动是初始化为坚实的物体旋转，启动是有利益于稳态流。?使用IORDER=4在槽附近的出口有强烈的涡旋预测。水坑（沉没在槽中心）是勉强可以解决涡旋约10个计算单元。涡旋仍然可以准确预测。?三阶平流是必要的强烈圆周运动预测，主要是沿着对角线网格流动的地方。33平流方法总结?1st（IORDER=1）最佳无二次流动溢洪道和河流流动斜流扩散?2nd（IORDER=2）不稳定圆形自由表面流动良好的循环，流动被限制?2ndIORDER=3稳定，并非所有二次流动特性被俘?IORDER=4 最佳旋转流动模拟最佳旋转流动模拟抓获二次流动特性34总结?FLOW-3D 模拟规定了最合理的默认值.?需要时只使用高阶方法.?注意导师建议.
