ANSYS CFD R14新功能

ANSYS Fluid Dynamics Preview 2 新功能大纲•ANSYS Fluid Dynamics R14 Preview 2 新功能–重点介绍P2版本中已完成的功能–不讨论P2中版本中未完成的功能•期待其他新特性的出现•产品包括–ANSYS FLUENT–ANSYS CFX–ANSYS CFD-Post–ANSYS ICEM CFDANSYS Fluid Dynamics R14•应用的领域包括:–汽车、旋转机械、核工业, process, …•基本特性改进:–数值求解器和模型效率提升–高性能计算升级和提高–对许多领域的特定模型进行了扩展•湍流、噪声、传热、反应流场、粒子追踪、多相流和自由液面流动、油膜模型、优化、求解网格…–操作流程和可用性•单独使用软件和在ANSYS Workbench环境下使用ANSYS FLUENT 14 Preview 2 新功能在Workbench 环境下的FLUENT•重点在提升可用性和稳定性–修正了大量的缺陷•Workbench 环境下的FLUENT 的用户体验–增强了可用性•通用选项•登录器选项•FLUENT中扩展的参数–在Workbench环境下和单独使用FLUENT–几乎所有的针对流体域和计算域设置的变量都能被参数化–例如:•相：核化速率、聚变核函数, Breakage Kernel for PB model •接触角（壁面边界）•相间作用：表面应力张量、升力系数、复原力系数FLUENT的用户界面•Zonal export–基于流体域为基础的数据输出至CFD Post、EnSight Case Gold和FieldView–将必须要保存的文件数量最小化，减少输入/输出时间以及文件存储空间•CFFS的非稳态数据统计–可以将任意的变量定义为CFF然后应用于后续的非稳态计算•支持设置边界条件的通用设置–简单、快速、方便的设置包含大量边界条件的算例的方法•求解器的数值研究：针对各向异性网格使用基于密度的隐式求解器时得到更快速的收敛–基于网格长宽比的预调整可以加速稳态模拟的收敛–推荐:•在局部流动方向上拉伸较大的各向异性网格•Y+大约为1的拉伸网格不经过调整经过调整PBCS –没开启伪瞬态PBCS –对所有方程开启伪瞬态PBCS –对所有方程开启伪瞬态方244iterations 125iterations 66iterations–原点和坐标轴相对于全局参考系是固定的–不使用自定义函数也可以更新原点和坐标轴轴局部参考系以全局参考系中坐标为(0.1, 0.1)的点作为原点FLUENT R14 – Preview 2 新功能• 并行/HPC：提升了仿真时激活 监测窗口的数量– 包括绘制和列印• 并行/HPC: 分区计算– 优化多核并行效率 – 新默认应用R14 监测窗口的测试数据11ANSYS, Inc. ProprietaryFLUENT R14 – Preview 2 新功能T=0 T=25 T=50网格处理能力提升 • 带边界层的四面体网格重生成– 边界层网格设置由已有网格决定 – 在四面体网格重划时同时保持和重划边 界层 – 对动网格改良稳定性和使用性 • 网格平滑 • 网格重画 • 并行能力同时重新划四面体网格和边界层网格重生成后的带边界层的四面体网格12ANSYS, Inc. ProprietaryFLUENT R14 – Preview 2 新功能网格处理能力提升 • 在转换为多边网格时保持内部面不 发生变化– 保持内部面信息以便进行后处理• 复制和移动（平移/旋转）流体域– 直接在FLUENT中复制流体域然后移动在fluent14.0中复制和平移 区域13ANSYS, Inc. ProprietaryFLUENT R14 – Preview 2 Update• 湍流：更精确的粗糙壁面处理– 对基于ε 方程湍流模型的改进 – 避免近壁面网格细化后有效粗糙度 的减小 – 使用粗糙壁面处理时的新默认应用包含粗糙度和传热影响的平板湍流 流动14ANSYS, Inc. ProprietaryFLUENT R14 – Preview 2 新功能• 湍流: 结合增强壁面处理的 Spalart-Allmaras模型– S-A 湍流模型的新默认应用 – 提升了精度，使流动结果对近壁面网 格密度的敏感度降低R13 default treatmentV14 Enhanced wall treatment15ANSYS, Inc. ProprietaryFLUENT R14 – Preview 2 新功能• 湍流:提高了单方程和两方程求解带 强旋转和大曲率流动的精度– 提供一个表征旋转和大曲率敏感度修正 因子的选项 – 精度和RSM方法相当，但节省了计算资 源使用曲率修正函数模拟的弯管云图 （ k-omega SST 湍流模型）16ANSYS, Inc. ProprietaryFLUENT R14 – Preview 2 新功能更多对湍流模型的改进 • 在图形界面中显示时均数据 • 在CFD-Post中可得到采用k-w湍流 模型进行计算的流动的湍流耗散率ε • 通过UDF可以得到雷诺应力的法向 分量– 需要通过UDF从scratch中计算雷诺应力 的法向分量17ANSYS, Inc. ProprietaryFLUENT R14 – Preview 2 新功能• 噪声: FW-H噪声求解的对流影响– 仅在Preview 2的文本界面中 – 提供FW-H求解时考虑远场速度对噪声 产生影响的选项 – 提高对航空声学和外部流动模拟的精 度 – 模拟由于声源和接收器之间相对运动 产生的多普勒效应 (FL) • 例如：声音从一个以恒定速度的移 动源发出（飞机，汽车）FWH source surface, 2D monopole with convection R=1mM=0.2Receivers, R=3mAcoustics directivity. OASPL – overall sound pressure level18ANSYS, Inc. ProprietaryFLUENT R14 – Preview 2 新功能 • 反应模型-1D化学模型• 模拟流体在一个细小的管子 中流动进行反应，并与外部 流场进行热交换 • 管子里的流动是较为简 单的（管子剖面），但 是化学反应时复杂的 • 管子外部的流动是复杂 的，但是化学反应时简 单的（平衡） • 应用案例：裂化炉，燃料转 化炉，…Fluent的1维反应流动Fluent的1维反应流动的几何模型19ANSYS, Inc. ProprietaryFLUENT R14 – Preview 2 新功能Kleijn CVD 表面化学反应模拟案例20ANSYS, Inc. Proprietary其他改善–表面化学反应的稳定性–可以使用UDF来编写PDF表格–对非绝热问题可以使用部分预混PDF表格来模拟平板状的层流火焰速度–化学活性双分子反应–局部扩散火花模型–部分预混真实气体模型•多孔介质的非平衡热力学模型–对多孔介质分开预报流体和固体的温度–“对偶网格方法”可以在FLUENT中自动创建连接固体域的网格–目标应用：催化转化器中催化剂效应的仿真–P2: 仅有浅表速度公式InletOutletOverlapping fluidand solid zonesNote : other zones arewall and insulatedSolid zone temperaturecontour after 10 seconds.2x23x36x6 Serial/Old218.63 s269.95s536.32s Serial/New202.40s241.56s429.40s Parallel 2-proc/Old86.4s107.4s205.3sParallel 2-proc/New 80.7s98.4s167.2sFLUENT R14 –Preview 2 Update•更高效的DO辐射模型–现有的DO辐射计算忽略了不参与辐射或仅参与对流换热的固体域–避免了不必要的CPU与内存分配–性能提高的程度根据算例类型的不同而变化–对测试文件有高达20%的改善•DPM: 对流/扩散控制的雾化–在相同模拟中针对不同雾化率对热传递和质量传递进行精确的仿真•例如: 液滴和周围空气引起的大温差–目标应用: 蒸汽雾化出现的应用，如内燃机、喷雾干燥器等Single droplet experiment of Wong-LinDiffusion-controlledConvection Diffusion-controlledExperimental Data –blue symbols•DPM: 更精确的大韦伯数雾化模拟–随机二次液滴破裂模型(SSD)–将高韦伯数下的破碎作为一个随机事件处理导致直径尺度分布在一定范围内–对交叉流液体射流破碎的模拟结果预报偏低–目标应用: 柴油机喷雾、燃气轮机燃烧室、交叉流液体射流等Hiroyasu spray bomb, p = 5 MPa•DPM通用网格与MDM兼容以提高精度和稳定性–在动壁面前的颗粒可以穿过某些网格类型和结构的动壁面–现在，粒子是在同一时间步内网格单元的变形/移动中被追踪的–现在可以在动壁面前使用四面体和三角形网格•DPM: 对粒子数据更简单的分析和可视化–采用不同的尺寸球形当做粒子显示–在粒子上采用箭头/圆柱显示以表征速度、力的方向等–粒子显示过滤器可选择显示一小部分被追踪的粒子•CFD-Post 中也有同样的功能改进Particles where sphere size changes with diameter and particle velocity vectorsParticles filtered by flow velocity between10 and 11 m/sHoyer’s et. al •欧拉多相流: 沸腾蒸干和冷凝的Array流动机理–沸腾的临界热通量Array–模拟核沸腾应用中的液膜燃烧和近壁面蒸汽干燥–由蒸汽状变为液滴状的阻力和界面数量的调配函数Axial Position (m)Inlet mass flux 1495 kg/m2sQwall= 797kw/m2•欧拉多相流: 带气泡尺寸分布的沸腾模型–IAC模型与沸腾模型兼容–指定Yao&Morel破裂和聚变核函数–在非平衡沸腾条件下计算进行热传质时的精确交界面–目标应用:核工业、引擎罩冷却IAC gives variation of bubble diameterBubble diameter at differentstations along the pipeBartolemei et. Al.•欧拉多相流:自定义质量传递的线性化功能–使用自定义质量传递速率可以确定质量质量与压力的线性化系数–提升数值计算对可压缩相使用自定义质量传递时的能力和稳定性使用线性化质量传递时喷管内的气蚀没有线性化时对问题的求解不能收敛vof of liquidAbsolute pressureFLUENT R14 – Preview 2 新功能• 可压缩离散相的粒数平衡– 模型直径和多分散性变量（面元的体 积分数、动量）的变化取决于离散相 密度的变化 – 目标应用：地球物理、石油和天然 气、粒数平衡的可压缩流动采用离散方法得到的鼓泡塔中气泡直 径的膨胀效率• 非均匀离散相的生长和核化– 目标应用: 结晶、带质量传输的鼓泡 塔在底部注入均匀气泡的结果与解析直径（白 色）对比31ANSYS, Inc. ProprietaryFLUENT R14 – Preview 2 新功能DQMOM QMOM• 粒数平衡的DQMOM方法– 多流体模型对不同尺寸的离散相颗 粒定义不同的速度 – 多分散相的分离是由于与连续相的 微分耦合速度较与非均匀离散相的 微分耦合速度快 – 目标应用: 流化床、气固两相流、 雾化模拟、鼓泡塔gVelocity big bubbles > velocity small bubblesAll bubbles move with same velocity32ANSYS, Inc. ProprietaryFLUENT R14 – Preview 2 Update• 自由液面: 应用于表面张力柔性的连续表面应力方法– 表面张力可以作为任意变量的函数 – 在某些较难模拟的算例中替代已有的CSF模型由包含Marangoni效应的热引起的射流碎片Images from :33Thermally Induced Marangoni Instability of Liquid Microjets with Application to Continuous Inkjet Printing by Furlani et al. ANSYS, Inc. ProprietaryFLUENT R14 – Preview 2 Update• 自由液面仿真: 稳定性和精度更 好的兼顾– Rhie-Chow面通量插值法和近自由 液面特殊处理法的混合方法 – 在VOF模拟中对动量输运方程采用 高阶离散格式可以在对精度影响最 小的情况下提高收敛性Higher Order RC: ONHybrid treatment34ANSYS, Inc. ProprietaryFLUENT R14 – Preview 2 Update• 欧拉壁面成膜模型– – – – 动量耦合 DPM耦合 提升了数值稳定性 可能的情况: • 击中带膜壁面的液滴会被吸附至 壁面并形成液膜 • 喷溅 • 大剪切力区域和墙壁的尖锐边会 用不同颜色表示直径大小（m）的带 膜壁面的粒子喷溅 有液滴脱落 – P3版本会增加其他新模型35ANSYS, Inc. ProprietaryFLUENT R14 – Preview 2 Update• 网格变形和优化: 保存优化 历史– 保存并绘制设计迭代步与目标 函数值的关系曲线 – 更简单的评估常规优化的效果36ANSYS, Inc. ProprietaryFLUENT R14 – Preview 2 Update• 伴随矩阵算法– 提供用其他方法很难获得且花费巨大的流 体系统信息 – 计算工程量相对于系统输入的导数 – 现有的工程量 伴随矩阵算法: 汽车 • 下压力 阻力对外形的敏感度 • 阻力 • 压降伴随矩阵算法: 下压力 对前翼形状的敏感度37ANSYS, Inc. ProprietaryANSYS CFX R14 P2 新功能© 2010 ANSYS, Inc. All rights reserved.38 38ANSYS, Inc. ProprietaryCFX R14 – Preview 2 新功能• 瞬态叶栅模型– 高效和精确的模拟瞬态定-转子间 干涉作用 – 全部释放的性能 • 时分变换 (TT) – 入口扰动 – 单级瞬态定-转子 • 傅里叶变换 (FT) – 入口扰动 – 单级瞬态定-转子 – 时分变换的测试基本完成 包含4个转子和3个定子的时 – 傅里叶变换的测试在P3版本中继 做对比的整体模型求解结果 分变换结果 续进行 径向压缩机返回通道的中跨速度：体积分数计算量的时分变换等效解39ANSYS, Inc. ProprietaryCFX R14 – Preview 2 新功能• 瞬态叶栅模型– CFX前处理设置 • 改进瞬态叶栅模型操作流程: 植入 到旋转机械模块以增加可用性 • 入口扰动分布复制 – P2版本中有命令曲线评估 – P3版本将对后处理性能进行改进 • 完全植入到旋转机械模块中进行 设置 • 继续使用P2版本中的宏40ANSYS, Inc. Proprietary•域交界面–将GGI直接插值方法作为默认应用•所用的算例都将使用GGI方法作为默认的插值算法•在需要的情况下可以转换为bitmap 方法–直接方法的优点•速度显著提升–大幅提升需要重复插值的瞬态算例的计算效率•花费更少的资源得到更高的精度•域交界面–条件GGI•使用CEL函数可以实现打开/关闭功能–指定打开区域•CEL函数为真时打开(为假时关闭)–状态改变的不可逆•从打开到关闭只能转变一次–无须模拟整个模型，也可以得到“宏观”水平上开启/关闭的效率•例如，膜、窗户、阀…•粒子追踪–粒子注入区域中的旋流•圆柱坐标速度分量–粒子注入区域采用局部坐标系•求解器功能已实现•可以再CFX-Pre中设置•扩展的图形显示器–粒子注入区域箭头转化用多个参考坐标系定义的单个粒子注入区域•网格运动的各向异性扩散–可见的β版功能–通过求解域变形可以提升网格的质量和稳定性xyγγ=xyγγ<<样本算例: 将一个矩形网格变形•仅保存边界相关的瞬态求解结果–可见的β版功能–在某些情况例如后处理仅需要面信息数据时可以选择减少数据•一个应用实例中可以减少约90%以上的数据量•非理想混合–可见的β版功能–允许用户通过CEL函数自定义不同成分混合和反应混合–可用于多分量混合特性不正确的仿真中，比如真实的气体混合•分区LES模型–可见的β版功能–LES区域由CEL函数定义A mixing layer with resolved turbulence usingSAS initiated by the forcing model•HPC相关的改进–MPI•更新为MPI平台•在Windows下去除了MPICH2–与ANSYS一致–改进的耦合分配•默认变更: 不再保证每个计算域都分配至少一个点–消除“孤立的”划分点•柱坐标中的监视点规范–可见的β版功能–提升软件可用性，特别是对于旋转机械行业的应用•CGNS输入库更新–网格输入与结果输出ANSYS CFD-Post R14 ANSYS CFD -Post R14 P2 新功能。