流场分析的基本流程.doc

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流场分析的基本流程（FIRE软件）

ID:

qxlqixinliang

一、网格自动生成 2

二、网格划分工具的使用 5

1、Meshtools 5

2、surfacetools 7

3、edgetools 7

三、网格和几何信息工具 8

1、网格check 8

2、Geoinfo 9

四、流场求解求解器的设置 9

一、网格自动生成

根据电池包内部流场的特点，我们一般使用fame的网格自动生成和手动划分网格，两者相结合基本上能完成网格划分。

对于电池数量较少的模型（如下图）完全可以用网格自动生成功能来实现网格划分。

下面介绍网格自动生成的流程：

1）准备面surfacemesh和线edgemesh：

要求：

面必须是封闭曲面，一般FIRE中可以应用的是.stl的文件，在PRO/E,CATIA等三维的造型软件中都可以生成；与面的处理相似的还要准备边界的线数据

2）Hybridassistant,选择startnewmeshing，分别定义表面网格definesurfacemesh和线网格defineedgemesh

3）然后进入高级选项fameadvancedhybrid，在这里定义最大网格尺寸和最小网格尺寸，最大网格尺寸是最小网格尺寸的2^n倍

4）选择connectingedge，一般在计算域的进出口表面建立faceselection，这样可保证edge处的网格贴体，否则网格在几何的边角会被圆滑掉，另外还可以保证进出口面的网格方向与气流方向正交，有利于计算的精确性和收敛性。

通过add添加上进出口的selection即可。

5）点Next进入refinement界面，在refinement界面应当勾选autorefinement，如果在计算域内有需要细化的区域，则在这些区域建立faceselection，通过add添加上所建立的selection，同时定义网格细化的尺寸和垂直于此faceselection的网格的延伸深度。

6）点击next，进入OGLobjectsrefinement界面，一般不需要定义，在下面的useadvancedsettings前打勾，激活高级设置选项

7）点击next，进入keep/removecells界面，removecells可以减少网格生成数量而且对于表面模型有细缝的情况，应当选择removecells，此项功能相当域FAMEHexa中的keepdetail的功能。

点击next进入transformations界面

8）此选项的应用可以参考example中的intakeportexample中transformation的应用，这一功能主要是为了划分间隔距离较小的表面的。

它的原理是先按照transformation后的表面划分网格，再将这种尺寸的网格压缩和放大等等，保证表面的贴合。

9）点击next，finish进入网格自动划分过程。

二、网格划分工具的使用

手动划分网格有多种形式，例如：

可以在封闭的面框上生成面网格，再拉伸面网格得到体网格；可以将复杂实体分块，在每一块应用手动拉伸或网格自动生成得到体网格，再将这些分块的网格用Joinmeshes或Arbitraryconnect连接；对于2Dmeshing还可以应用interpolation工具进行手动划分。

下面将对一些重要的工具做解释：

1、Meshtools

1）Refine

Refine功能用于网格的细化或粗化，Numberofclosurelevels是指的细化程度。

2）Smooth

网格的光滑性优化工具

3）Modify

网格的平移，旋转和镜像等功能的操作

4）Enlarge

网格拉伸、扫描和旋转的工具，一般是对面网格的操作。

5）Mapping

网格映射工具，主要用于生成两体网格相贯部分。

注意：

mapping的对象是nodeselection，mapping的网格一般是表面网格，先在体网格上makesurface。

6）Connet

网格连接工具，此功能常用。

Joinmeshes用于两网格贴合处节点位置一一对应的连接，Arbitraryconnect用于贴合处节点位置不对应的网格连接。

注意：

网格连接操作后，要confirmconnect操作，以消除重复的节点或连接面。

2、surfacetools

1）Surface

面生成工具，Makesurface可在体网格上抽出面网格；Triangulation可在体网格上生成三角面网格，也可将面网格转化成三角面网格；Centertrangulation同上，得到的三角面网格

2）Surfacechecks

检查表面网格质量

3）ClosedSurface

用于补面，生成面的线轮廓等。

先Findboundaryedges得到空缺面的轮廓，再进入triangulateclosededges选项生成三角形网格的面。

4）OrientateSurface

用于更改面网格方向的，一般应保证面网格内外表面方向一致

3、edgetools

1）Autoedges

线网格生成工具，点选面网格，一般选择closededges，调整合适的参数即可生成

2）manipedge

可以对局部面网格进行生成边网格操作

3）2dmeshing

四边形网格生成工具，先准备封闭的线网格，再选择rowadjustmentdelay即可生成规则的四边形网格。

三、网格和几何信息工具

划分完网格，一般先要检查网格质量，检查通过后才可以进行下一步工作。

1、网格check

选择体网格即可激活check选项，所生成的网格应保证requiredcheck选项下所有的检查结果为0.

2、Geoinfo

检查网格的各个组成成分的数量以及几何表面面积和体积。

同时可以检查节点之间的距离。

四、流场分析求解器的设置（参考舒老师的ppt）

1、边界条件

入口及出口条件的选择（常规应用）：

1）对于风道稳态计算，一般进口用流量，出口用静压或梯度为零；若是瞬态计算，往往进出口都采用压力边界条件，如果计算不易收敛，则建议进出口都采用流量（出口流量的值要改变符号）

2）对于冷却水套一般进口定义流量，出口定义静压或梯度为零。

建议是有实测的静压值，这样有助于加快计算收敛。

3）入口处湍流值的给定：

一般"turb.ref.velocity"处填入进口平均速度（可根据流量估算）

"%ofmeanvelocity"一般填1-10

"%ofhydraulicdiameter"一般填5-10

这样Turb.kin.energy及下面两项都会由程序自动算出

一般来说，TKE的值大一些对计算收敛有帮助

2、流体物性和初始条件

流体物性可预设为常量（空气,流体或新物性）,也可用公式定义；如果有组分输运,物性值会被重新计算„对于空气和可压缩气体,初始值被作为物性值,气体状态方程用于更新三个变量（压力,温度和密度）中定义为0的那个。

如果它们都不为0,那么密度被更新；所有变量在全场的初始化可通过均匀初始化和势流场初始化来实现；对于瞬态计算，初始条件必须准确给定，因为后续时间步的结果直接受其影响。

4、离散

空间离散：

计算边界值和导数

计算边界值：

Extrapolate（外差）andMirror（镜面对称）

Mirror对于边界网格质量不好的情况更为适用，可作为"默认"选项，计算导数的方法：

LeastSq.Fit（最小二乘法）andGauss（高斯法），Gauss作为"默认"选项

Cellfaceadjustment:

动量方程的切向扩散项被法向扩散项的值制约，不建议用它作为默认选项因为如果这种限制在很多单元起作用,那么会影响能量守衡。

但是，它对质量不好的网格计算有帮助

人工可压缩性（ArtificialCompressibility）实现了每个单元采用不同的时间步长，即不容易收敛的单元采用较小的时间步，而易收敛的单元采用较大的时间步，这样松弛因子可以加大

5、算法

SIMPLE这个算法是从离散的连续方程和动量方程里导出一个压力校正方程

SIMPLE和SIMPLEC的差别在于速度的更新方法不同；SIMPLEC对于松弛因子的依赖较弱,压力的校正甚至不需要下松弛；SIMPLEC对于一些压力-速度耦合起的作用较大的应用会得到更好的结果.而在一些有其他源项的情况下,如较强的湍流,喷雾,燃烧时SIMPLE法算得会更好，SIMPLE是默认的选项

6、湍流模型

涡粘性/耗散模型（k-e）：

双方程模型，基于Boussinesq假设，隐含湍流是各相同性的，导致对复杂流动的模拟不够准确。

优点是计算稳定性好，对计算资源的要求和花费低。

适合工程应用。

k-z-f：

四方程模型，精度和稳定性都较好，推荐使用，计算时间仅比k-e模型多15%。

7、壁处理

标准壁函数Standardwallfunction

复合壁函数Hybridwallfunction

双层壁函数Twolayerwallfunction

近壁处理Nearwallapproach

Hybridwalltreatment建议作为'默认选项，与K-z-f模型联合使用模型联合使用.

8、壁面热传导

标准壁函数Standardwallfunction

Han-Reitz模型中考虑了边界层中气体密度的变化和湍流Prandtl数的增加

9、焓

Totalenthalpy是默认选项

当温度出现无界解而导致不收敛时,求解静焓方程会是一个解决方案

10、松弛因子

稳态计算:

URF（mom）=0.6,URF（pres）=0.1,URF（turb）=0.4

瞬态计算:

URF（mom）=0.6,URF（pres）=0.4,URF（turb）=0.6

11、差分格式

差分格式是由前后网格单元中心（cellenter）的值来计算网格单元面中心点（facecenter）的值的方法，常用的差分格式有迎风格式和中心差分格式，在计算精度和收敛性之间取得折衷，，采用Blendingfactor-揉和因子以便在高阶的格式中揉入迎风格式。

揉合因子是介于０和１之间的数，为1表明完全采用高阶格式，为0，则只有迎风格式起作用

迎风格式（Upwind）：

这是一阶精度的差分格式，无条件收敛，但不适于用在动量

方程和连续方程，因为如果网格线与流动方向不一致，该格式会产生数值扩散。

中心差分（CentralDifferencing）：

二阶精度，是连续方程的默认格式（"揉和"因子

blendingfactor选1），用于其他方程时"揉和"因子最多选0.5。

收敛性较差。

MinmodRelaxed:

也是二阶精度，可与0-1之间的任何"揉和"因子相配，比中心

差分的计算稳定性和收敛性好。

对于连续方程建议选用中心差分带揉和因子为1。

在高马赫数的情况下可以选用MINMOD或SMART（三阶精度）

对于动量方程通常选用MINMOD带揉和因子1（发动机的应用可采用0.5）。

能量方程可选用CD带揉和因子0.5.但对于发动机计算应选用迎风格式

12、线性求解器

在FIRE中采用了非常有效的共轭梯度方法（CG）:

GSTB和CGJP要在加快计算速度和加强收敛性方面取得最优方案,我们在界面上提供了'Table'的方式，这样可以在计算开始收敛性比较差的时候选用GSTB,然后采用CGJP来加快计算速度，大多数情况下压力项求解器（Continuity）公差可取0.05,但有时必须降到0.005。

AlgebraicMultigrid（AMG）类似GSTB,一般用于非常复杂的问题但要多占用50%的内存