CFD++基本培训

（a）低速流计算域
（b）高速流计算域
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低速流及预处理
何时使用预处理？
Ma>0.3时，使用可压缩理想气体方程；
Ma<0.3时，使用预处理可压缩理想气体 方程；
不可压方程通常要使用预处理。
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预处理的一些特殊情形
如果计算域内绝大部分是低速但是由高速流驱动产生，则不需要 进行预处理； 即使是超音速流动，如果局部有低速区，如产生了较大分离，那 么也需要进行预处理；
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湍流控制建议
先进的two-layer壁面函数包括三种模式：
平衡模式：应用于y+>20的网格 非平衡模式：应用于y+<20的网格 Blended模式：对任何y+水平都适用
较 粗糙 的网格 适用 壁面函 数时 （ y+>500 ） ， 设置 damping function为1。
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湍流：源项控制
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高速流动中的ACAP
Initialization — 对 Ma 数大于 3 的流动初始化时，建议使用 “ Initialization by Boxes”。用户可以使用该选项创建速度 为零的区域。 Discretization blending — 用户可应用该选项使计算从一阶 开始，缓慢调和至二阶精度。“Help Set Numerics”选项可 激活该选项。 Pressure Switches — 流动中伴有激波、膨胀波时建议使用该 选项。可在 Numerics/Riemann Solver 菜单中设置，前提是 LHS/RHS dissipation选项要在之前激活。 CFL ramping — 在特别高速的的情形下，用户需手工设定 Courant number（CFL）。 Multigrid — 对一些极端的稀薄气体流动（如80km处的羽流） ，建议关闭multigrid，只使用relaxation选项。
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湍流初始化及进口边界
用户应尽可能将实验数据应用到初始/自由来流条件中，包括湍动能 和湍流尺度的数据； 如果没有湍流的具体数据，我们建议： 内流：
设定湍流强度在1%到3%之间，湍流尺度为进口面积的平方根。
外流：
设定湍流强度在0.1%到1%之间，及湍流尺度，通常比内流大很多，大约在 m的量级； 对不允许自由流湍流衰减的模型（如 Rt、 SA 、 k-e-Rt），用户不需要指定 湍流尺度，而是湍流分子粘性比μT/μ ，应当小于1，约为0.2； 使 用 undamped 涡 粘 比 的 模 型 μuT/μ （ Rt 、 k-e-Rt 、 k-e 、 q-L 、 k-L 、 RSTM），用户应设置3<μuT/μ<5；
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Help Set Numerics
仔细阅读相关的设置提示； 2nd Time Integration中的“Help Set Numerics”可用来优化参数 的设置。
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收敛困难
CFD++在稳态求解过程中，残差一般会下降4-5个量级。如收敛困难，ห้องสมุดไป่ตู้建议如下：
对低速气体流动，确保选择了经过预处理的方程类型； 对低速内流，需激活Riemann solver菜单中的pressure acceleration； 对不可压内流，需激活Time-Integration菜单中的mass-balance acceleration; 对于湍流，请检查turbulence levels；对内流，确保内流边界的湍流至层流eddy viscosity ratio是合理的； 将网格的y+值作为输出项进行监测，对5<y+<15的区域，建议变更为nonequilibrium wall function； 查看time smoothing选项是否打开，有些情况下，将smoothing factor由默认的 0.75更改为0.5会有利于收敛； 如果正在使用minmod polynomial limiter，可尝试改为continous limiter（上述 选项在spatial discretization菜单中），应当注意continuous limiter比minmod limiter的耗散略大一些。
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高速流动
流动带有较大分离时，建议利用boxes进行初始化，以避免过早 的ACAP； 激活Spatial Discretization中的1st to 2nd order blending。
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高速流下的Pressure Switches
首先选中Time Integration中的“Help Set Numerics”； 对于有梯度剧烈变化的问题时，选择minimum dissipation中的 “LHS and RHS”选项，如较强的激波及膨胀波。
选定y+后，Turbulence Initialization Tool会给出第一层网格 的估值。
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近壁网格的处理
选用尽可能小的增长率，以便得到较为合理的第一层网格信息； 下图为添加理想壁面函数的solve-to-wall网格（y+<1）： 大量的近壁单元组成了一个红色单元，即壁面函数网格的第一层 网格尺寸； 增长率应小于1.1。
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低速流动
低速可压流动模拟中，使用Fluid Properties中的基准压力（如1 atm）； 使 用 预 处 理 方 程 时 ， 应 当 在 Riemann Solvers 中 给 出 Approximate System Velocity的估值； 所 有 的 瞬 态 声 学 模 拟 应 使 用 Riemann Solvers 中 的 CFL-based preconditioning limiting。
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Pressure Ramping Modifier
对某些基于压力的边界（背压或驻点压力/温度），计算域中压力变化较 大时，Pressure Ramping边界条件可以降低初始的瞬变。
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Time-step Spatial Smoothing
网格中相邻单元的大小相差太大，会导致非物理的结果； 网格中相邻单元大小变化剧烈时，激活 2nd Time Integration 中的 Time-step Spatial Smoothing选项，用来平滑该区域内时间步长 的变化。
反应常数的单位必须是是kmol/J/m系统； 反应要在SI单位制下完成。
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湍流模型
对跨音速流，建议使用 Rt 模型、 realizable k-eps 模型、 S-A 模型或 Menter SST模型； 对高超流，使用Rt模型或realizable k-eps模型需考虑传热； 对外部绕流，即模型距进口边界较远使用k-eps-Rt模型或realizable keps模型时应选择Turbulence Control中的“Freestream k and eps Production Term Controls ”； 对自由剪切流，应选用q-L、cubic k-eps或者RSTM模型； 对瞬态流动，应选用cubic k-eps或LNS模型； 对驻点流，建议使用k-L模型； 其他流动类型，选择realizable k-eps模型。
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棱柱
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单、双精度
对大尺寸比单元（如 >2000 ），如 solve-to-wall 网格，建议使 用双精度； 高海拔、稀薄气体时可能需要双精度；
使用双精度可能在一些驻点求解上改善残差的收敛。
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计算域的选择
分别求解亚音速和超音速流动时请不要使用相同的网格； 对亚音速流动，建议取远场边界为模型长度的20-40倍长； 对超音速流动，可让模型距来流方向更近一些。
Introduction to CFD++
——Best Practices
概 述
内存需求、精度需求
低速流动及预处理 计算域的初始化 化学反应 湍流模型 远场边界条件 高速流及数值格式 ……
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计算内存要求
典型 7 方程（两方程湍流模型）无 zonal 边界的工况 下，每1G内存所能处理的单元数：
单元类型 单精度 六面体 四面体 375,000 500,000 425,000 精 度 双精度 220,000 290,000 250,000
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带有壁面冷却的高速流
对恒温壁面，使用Wall Temperature Relaxation BC modifier 使得模拟由绝热开始，避免过早的ACAP。该选项仅在带有壁面冷 却的高Ma数流动时使用。
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高海拔及稀薄气体流动
对海拔很高、压力变化很大的稀薄气体流动，在Time integration 中选择Relaxation要比Multigrid好； 带有分离尾流的稀薄气体流动，压力临界值较低时（p=1e-3 Pa） ，可将ACAP设置为1st order。
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高速流下的Pressure Switches
默认情况下，Pressure Switches处于非激活状态，在Riemann Solver中选择激活； 对某些超音速流（ Ma 数在 3 到 5 之间），可以激活 hypersonic switch，然后返回到supersonic switch。 对特别复杂的情形，可以尝试pressure gradient detection中的 aggressive。
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远场边界条件
对于超音速自由来流，使用 Characteristics-Based 边界或 All Conditions Prescribed边界； 对于环境远场，进口速度使用Pressure/Temperature； 亚音速时，如果边界离得较近，可尝试Physics Source Terms 菜单下的Far-field Absorbing Layers。
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计算域的初始化
整个计算域的初始化：P、T、u…或P、r、u…
利用 cell groups初始化：针对如喷嘴等不容易放入一个box内的几何 模型时比较有用，另外也可处理多孔介质。
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使用XYZ boxes完成初始化
利用长方体或圆柱划定区域分别初始化，用于处理高速流的尾迹区。
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化学反应
设定组分时，将质量百分比较大的作为最后的或隐藏的组分；或者惰 性气体组分也行（通常为N2）；
之前通过source term inactive regions来实现（groups或cells）； 现在使用“Freestream k and eps Production Term Controls”； 都是用来避免从进口到几何模型之间的湍流耗散； Rt、S-A、k-eps-Rt不需要这样的处理。