ANSYS流体分析CFD
第一章 FLOTRAN 计算流体动力学(CFD)分析概述
FLOTRAN CFD 分析的概念
ANSYS程序中的FLOTRAN CFD分析功能是一个用于分析二维及三维流体流动场的先进的工具，使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID 141和FLUID 142 单元，可解决如下问题：
作用于气动翼(叶)型上的升力和阻力
超音速喷管中的流场
弯管中流体的复杂的三维流动
同时，FLOTRAN还具有如下功能：
计算发动机排气系统中气体的压力及温度分布
研究管路系统中热的层化及分离
使用混合流研究来估计热冲击的可能性
用自然对流分析来估计电子封装芯片的热性能
对含有多种流体的(由固体隔开)热交换器进行研究
FLOTRAN 分析的种类
FLOTRAN可执行如下分析：
层流或紊流
传热或绝热
可压缩或不可压缩
牛顿流或非牛顿流
多组份传输
这些分析类型并不相互排斥，例如，一个层流分析可以是传热的或者是绝热的，一个紊流分析可以是可压缩的或者是不可压缩的。
层流分析
层流中的速度场都是平滑而有序的，高粘性流体（如石油等）的低速流动就通常是层流。
紊流分析
紊流分析用于处理那些由于流速足够高和粘性足够低从而引起紊流波动的流体流动情况，ANSYS中的二方程紊流模型可计及在平均流动下的紊流速度波动的影响。如果流体的密度在流动过程中保持不变或者当流体压缩时只消耗很少的能量，该流体就可认为是不可压缩的，不可压缩流的温度方程将忽略流体动能的变化和粘性耗散。
热分析
流体分析中通常还会求解流场中的温度分布情况。如果流体性质不随温度而变，就可不解温度方程。在共轭传热问题中，要在同时包含流体区域和非流体区域（即固体区域）的整个区域上求解温度方程。在自然对流传热问题中，流体由于温度分布的不均匀性而导致流体密度分布的不均匀性，从而引起流体的流动，与强迫对流问题不同的是，自然对流通常都没有外部的流动源。
可压缩流分析
对于高速气流，由很强的压力梯度引起的流体密度的变化将显著地影响流场的性质，ANSYS对于这种流动情况会使用不同的解算方法。
非牛顿流分析
应力与应变率之间成线性关系的这种理论并不能足以解释很多流体的流动，对于这种非牛顿流体，ANSYS程序提供了三中粘性模式和一个用户自定义子程序。
多组份传输分析
这种分析通常是用于研究有毒流体物质的稀释或大气中污染气体的传播情况，同时，它也可用于研究有多种流体同时存在（但被固体相互隔开）的热交换分析。
第二章 FLOTRAN分析基础
FLOTRAN单元的特点
ANSYS中的FLOTRAN单元，即FLUID141和FLUID142，用于解算单相粘性流体的二维和三维流动、压力和温度分布。对于这些单元，ANSYS通过质量、动量和能量三个守恒性质来计算流体的速度分量、压力、以及温度。
FLUID141单元
FLUID141单元具有下列特征：
维数：二维
形状：四节点四边形或三节点三角形
自由度：速度、压力、温度、紊流动能、紊流能量耗散、多达六种流体的各自质量所占的份额
FLUID142单元
FLUID142单元具有下列特征：
维数：三维
形状：四节点四面体或八节点六面体
自由度：速度、压力、温度、紊流动能、紊流能量耗散、多达六种流体的各自质量所占的份额
FLUID141单元 FLUID142单元
FLUID单元的其他特征
FLUID单元的其他特征包括：
用于模拟紊流的二方程紊流模式
有很多推导结果，诸如：流场分析中的马赫数、压力系数、总压、剪应力、壁面处的y-plus、以及流线函数；热分析中的热流、热交换（膜）系数等。
流体边界条件，包括：速度、压力、紊流动能以及紊流能量耗散率。用户无需提供流场进口处紊流项的边界条件，因FLOTRAN对此提供的缺省值适用于绝大多数分析。
热边界条件，包括：温度、热流、体积热源、热交换（膜）系数。
用户可使用的坐标系有：的卡尔坐标系、柱坐标系、极坐标系和轴对称坐标系。如果所计算的问题是轴对称的，激活旋转（swirl）选项即可算出垂直于对称平面的速度分量。
使用FLOTRAN单元的一些限制及注意事项
FLOTRAN单元的一些局限性：
在同一次分析中不能改变求解的区域
单元不支持自由流面边界条件
ANSYS程序的某些特征不能同FLOTRAN单元一起使用
使用FLOTRAN单元时不能使用某些命令或菜单
当使用ANSYS的图形用户界面时，程序将只能显示那些在菜单和对话框中的
FLOTRAN SetUp部分要求了的特征和选项。
FLOTRAN单元使用中的一些限制
当使用FLOTRAN单元时，要避免使用ANSYS的某些特征和命令，至少，要注意到在使用FLOTRAN单元时与别的分析稍微有些不同，当使用了无效的命令时，程序会给出相应的警告或错误信息。使用FLOTRAN单元要注意如下几点（下面所列命令相应的菜单路径请参见ANSYS命令手册或联机帮助中的“Commands and Their Location in the GUI”
FLOTRAN单元不能和其他单元联合使用。
节点坐标系必须与总体坐标系一致。
/CLEAR命令并不破坏业已存在的FLOTRAN结果文件（），这有助于防止用户不小心破坏那些花了很多时间和精力才求得的结果，用户必须在操作系统里才能删除那些无用的结果文件。
CP命令通过对自由度进行耦合来形成周期边界条件，ANSYS命令手册对CP 命令的描述是可以只对某些自由度进行耦合，但作FLOTRAN分析时，周期边界的所有自由度都将被耦合。
用户不能对同一个单元中的节点进行耦合，相邻单元间节点耦合也很困难。
ADAPT命令不适用于FLOTRAN分析。
不能用ANTYPE命令来引入FLOTRAN的瞬态分析。
FLOTRAN分析不支持自动时间步长功能，详见“FLOTRAN瞬态分析”。
如果用户通过BFCUM、BFDELE或BFUNIF来定义节点热源，则ANSYS 会在内部用BFE命令来代替。
不能使用LDREAD,FORC命令来电磁载荷转换到FLOTRAN分析中，而必须使用相应的宏来进行转换。
FLOTRAN分析不能使用CE、CECMOD、CEDELE和DEINTF命令。
FLOTRAN分析不能使用CNVTOL命令来设置收敛容差。
不能用DSYM命令来定义FLOTRAN的对称和反对称边界条件。
FLOTRAN不支持旋转坐标系中的角加速度向量。
在FLOTRAN分析中，使用FLDATA4,TIME命令而不是DELTIM命令来定义一个载荷步的时间。
对于FLOTRAN分析，不能使用DESOL命令或PRESOL命令来修改节点的热（HEAT）、流（FLOW）、或流密（FLUX）结果。
FLOTRAN分析不允许将积分点结果外推到节点上（ERESX命令）。
FLOTRAN分析不允许通过镜象操作来形成单元。
FLOTRAN分析不能用KBC命令来施加渐变载荷，而必须用多个载荷步来逐渐改变载荷。
FLOTRAN分析不允许用LCCALC、LCDEF、LCFA、LCFI等命令来作不同载荷状况之间的运算操作。
NCNV命令中的收敛工具不能用于FLOTRAN中相互独立的求解器。
FLOTRAN分析不允许用NEQUIT命令来定义非线性分析的平衡迭代数。
FLOTRAN分析要求节点坐标系必须是总体的卡尔坐标系，故不能用N命令、NMODIF命令、和NROTAT命令的旋转（rotational）域。
FLOTRAN分析中，FLDATA2,ITER命令和FLDATA4,TIME命令用来控制一个载荷步中的总体迭代数。
FLOTRAN分析不允许用户自定义单元。
FLOTRAN分析中，FLDATA2,ITER命令和FLDATA4,TIME命令用来对写入数据库中的结果进行控制。
PRNLD命令不能用于FLOTRAN分析中，因其不能将边界条件作为可打印的单元节点载荷来保存。
FLOTRAN分析中没有节点反力解。
部分和预定义求解选项（PSOLVE命令定义）不适用于FLOTRAN各自独立的求解器。
TIME命令不能用在FLOTRAN分析中。
FLOTRAN用FLDATA1,SOLU命令而不是TIMINT命令来定义瞬态载荷步。
FLOTRAN用FLDATA4,TIME命令而非TRNOPT命令来定义瞬态分析选项。
FLOTRAN分析的主要步骤
一个典型的FLOTRAN分析有如下七个主要步骤：
1. 确定问题的区域。
2. 确定流体的状态。
3. 生成有限元网格。
4. 施加边界条件。
5. 设置FLOTRAN分析参数。
6. 求解。
7. 检查结果。
第一步：确定问题的区域
用户必须确定所分析问题的明确的范围，将问题的边界设置在条件已知的地方，如果并不知道精确的边界条件而必须作假定时，就不要将分析的边界设在靠近感兴趣区域的地方，也不要将边界设在求解变量变化梯度大的地方。有时，也许用户并不知道自己的问题中哪个地方梯度变化最大，这就要先作一个试探性的分析，然后再根据结果来修改分析区域。这些在后面章节中都有详述。
第二步：确定流体的状态
用户在此需要估计流体的特征，流体的特征是流体性质、几何边界以及流场的速度幅值的函数。FLOTRAN能求解的流体包括气流和液流，其性质可随温度而发生显著变化，FLOTRAN中的气流只能是理想气体。用户须自己确定温度对流体的密度、粘性、和热传导系数的影响是否是很重要，在大多数情况下，近似认为流体性质是常数，即不随温度而变化，都可以得到足够精确的解。
通常用雷诺数来判别流体是层流或紊流，雷诺数反映了惯性力和粘性力的相对强度，详见第四章。
通常用马赫数来判别流体是否可压缩，详见第七章。流场中任意一点的马赫数是该点流体速度与该点音速之比值，当马赫数大于时，就应考虑用可压缩算法来进行求解；当马赫数大于时，可压缩算法与不可压缩算法之间就会有极其明显的差异。
第三步：生成有限元网格
用户必须事先确定流场中哪个地方流体的梯度变化较大，在这些地方，网格必须作适当的调整。例如：如果用了紊流模型，靠近壁面的区域的网格密度必须比层流模型密得多，如果太粗，该网格就不能在求解中捕捉到由于巨大的变化梯度对流动造成的显著影响，相反，那些长边与低梯度方向一致的单元可以有很大的长宽比。
为了得到精确的结果，应使用映射网格划分，因其能在边界上更好地保持恒定的网格特性，映射网格划分可由命令MSHKEY,1或其相应的菜
单Main Menu>Preproce ssor > -Meshing-Mesh>-entity-Mapped来实现。
第四步：施加边界条件
可在划分网格之前或之后对模型施加边界条件，此时要将模型所有的边界条件都考虑进去，如果与某个相关变量的条件没有加上去，则该变量沿边界的法向值的梯度将被假定为零。求解中，可在重启动之间改变边界条件的值，如果需改变边界条件的值或不小心忽略了某边界条件，可无须作重启动，除非该改变引起了分析的不稳定。
第五步：设置FLOTRAN分析参数
为了使用诸如紊流模型或求解温度方程等选项，用户必须激活它们。诸如流体性质等特定项目的设置，是与所求解的流体问题的类型相关的，该手册的其他部分详细描述了各种流体类型的所建议的参数设置。
第六步：求解
通过在观察求解过程中相关变量的改变率，可以监视求解的收敛性及稳定性。这些变量包括速度、压力、温度、动能 (ENKE自由度) 和动能耗散率 (ENDS自由度) 等紊流量以及有效粘性（EVIS）。一个分析通常需要多次重启动。
第七步：检查结果
可对输出结果进行后处理，也可在打印输出文件里对结果进行检查，此时用户应使用自己的工程经验来估计所用的求解手段、所定义的流体性质、以及所加的边界条件的可信程度。
FLOTRAN分析中产生的一些文件
在ANSYS中进行的大多数流体分析都是通过多次中断和重启动来完成的，通常,
分析人员需要在各个重启动之间改变诸如松弛系数等参数或开关某些项（如求解温度方程的开关）。每当用户继续一个分析时，ANSYS程序会自动将数据附加在所有的由FLOTRAN单元产生的文件中。下面将对FLOTRAN单元产生的所有文件进行说明:
结果文件， Jobname. RFL，包含节点结果。
打印文件，，包含各量的收敛记录及进/出口状态(如流量等)。
壁面文件，，包含壁面剪切应力以及Y-Plus信息。
残差文件，，包含节点残差。
调试文件，，包含数学求解器的有关信息。
结果备份文件，，包含结果文件数据的一个拷贝。
重启动文件，，包含FLOTRAN的数据结构。
结果文件
FLOTRAN分析的结果并不自动保存在ANSYS的数据库中，在每次求解之后，程序会将一个结果集附加在结果文件中。用户可对结果文件的内容及程序对结果文件的更新频率进行控制，ANSYS命令手册中对
FLDATA5,OUTP命令的介绍就详细说明了结果文件会基于用户的选择而保存些什么内容。
在一个稳态FLOTRAN分析中，结果文件能保存多少个结果集是没有限制的，在求解的初期多保存几个结果有很多好处：可以比较各结果集之间的变化、可以使用不同的选项或松弛系数来从一个分析的较早状态重新开始分析。
当开始一个新分析时（在其第一次迭代之前），ANSYS程序会保存一个结果, 然后在当中断发生时保存再保存结果，在这些事件之间，用户还可通过设置将一些中间结果附在结果文件里，这样就可以从较早的分析状态开时，通过激活一些不同的选项和特征来重新分析，例如，可以通过这种方式来提高分析的稳定性。
使用 ANSYS 的覆盖频率选项是一个明智的方法，它就可以周期性地保存和更新一个临时的结果集，这样，当由于断电或其他系统原因而发生求解中断时，总可以有一个可用的结果集用于重新开始分析。设置覆盖频率的方式如下：
命令：FLDATA2,ITER,OVER,value
菜单：Main Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Execution Ctrl
设置附加频率的方式如下：
命令：FLDATA2,ITER,APPE,value
菜单：Main Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Execution Ctrl
打印文件（）
文件包含了所有FLOTRAN输入参数的完整记录，该信息每在发出一个求解命令时就保存一次以完整地记录整个分析历程。同时，所有激活了
的变量的收敛过程也记录了下来，还有一个对结果的总结，即每个性质和自由度的最大最小值，这些记录的频率都由用户自己设定。所记录的其他量还有：各记录量的平均值、质量流的边界、质量平衡的计算、所有热传导和热源的相关信息。
节点残差文件
节点残差文件，即，显示了当前解的收敛好坏程度。在求解过程的每一个阶段，流场、性质场、温度场都用于对每个自由度计算系数矩阵和强迫函数，如果解完全收敛，这些矩阵和强迫函数将会生成一个与产生它们的速度场一样的速度场，同时，矩阵方程的残差也会变得很小。要得到一个残差文件，必须至少执行一次迭代。
当求解过程发生振荡时，残差的幅值将显示分析的错误所在。（矩阵的主对角元素对残差作归一化处理）这种归一化使用户可对自由度的值及其残差作比较。
对每一个激活了的自由度计算残差并将其存入残差文件的方式如下：
命令：FLDATA5,OUTP,RESI,TRUE
菜单：Main Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Additional Out>Residual File
要读取残差文件，可通过菜单Main Menu>General Postproc>FLOTRAN 或命令FLREAD来实现。
重启动文件
通常，FLOTRAN在一个重启动的起始处计算数据结构，对于一个大模型，这种计算将消耗大量的时间，为了避免这种重新计算，可要求
FLOTRAN将数据结构保存在重启动文件中，FLOTRAN从ANSYS的数据库中产生该文件。
对文件的读和写的方式如下：
命令： FLDATA32,REST,RFIL,T
菜单：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Restart Options>CFD Restart File
可将RFIL状态设置为开(ON)或关(OFF)，若设为开，则FLOTRAN开始执行分析时将读入重启动文件，若此时重启动文件不存在，则将产生一个重启动文件。
如果在改变了边界条件之后再进行重启动分析，则必须覆盖掉业已存在的.CFD 文件以使得ANSYS能用新的边界条件进行重新分析，覆盖.CFD文件的方式如下：
命令： FLDATA32,REST, WFIL,T
菜单：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Restart Options>CFD Restart File
这就使FLOTRAN在下一载荷步产生一个新的重启动文件，并自动将RFIL 状态设置为关闭。当新的重启动文件产生之后，用FLDATA32,REST,RFIL,T命令使随后的重启动能使用新的重启动文件。
FLOTRAN重启动分析（续算）
用户可在结果文件中任意一个解集的基础上开始一个重启动分析，重启动位置的设置可基于解集号(NSET)、迭代数(ITER)、载荷步/子步号(LSTP)或瞬态分析的时间(TIME)，方式如下：
命令： FLDATA32,REST,lable,value
其中，lable为上面的NSET、ITER、LSTP、TIME等
菜单：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN Set Up>Restart Options>
Restart/Iteratio（或Restart/Load step, Restart/Set, 等）
当重启动一个分析时，ANSYS将原始的结果文件拷贝到中并将重启动点、所有在重启动点之前的结果集、所有的后续结果集放在新的结果文件中。如果在FLDATA32,REST命令中的value值是一个负值，则将不产生文件，而重启动的点将由value的绝对值来指定。
提高收敛性和稳定性的常用的工具
ANSYS程序提供几个有助于收敛和求解稳定的工具，理论手册对其机理有详述。
松弛系数
松弛系数是一个其值介于0和1之间的小数，它表示旧结果与附加在旧结果上以形成新结果的最近一次计算量之间的变化量。设置松弛系数的方式如下：
命令：FLDATA25,RELX,lable,value
菜单：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>DOF Relaxation
Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Prop Relaxation
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>DOF Relaxation
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Prop Relaxation
注：命令手册中对该命令的自由度和性质量有详述。
惯性松弛
对某个自由度的方程组的惯性松弛就是使其矩阵的主对角占优以保持求解的稳定性。如果当一个解在收敛过程中没有发生舍入误差，则惯性释放的值不会影响到求解的最终结果。但是通常的求解过程都会发生舍入误差，故惯性松弛可能对结果产生影响。用户可对动量方程（MOME）、紊流方程（TURB）。压力方程（PRES) 和温度方程（TEMP）施加惯性松弛，其方式如下：
命令：FLDATA26,STAB,lable,value
菜单：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Stability Parms
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Stability Parms
惯性松弛系数是以所加项的分母的形式出现的，故其值越小，所起作用越大，其典型值介于（作用中等）到×10－7（作用很大）之间。
人工粘性
人工粘性用于在梯度较大的区域平抑速度解。它有助于可压缩问题的收敛，也有助于对有分布阻力的不可压缩问题的速度解进行平抑。对于不可压缩问题，应使人工粘性的幅值与有效粘性的幅值处于相同的数量级。施加人工粘性的方式如下：
命令：FLDATA26,STAB,VISC,value
菜单：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Stability Parms
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Stability Parms
速度限值
速度限值使所求解量不能超出用户所定义的值，可对速度、压力和温度自由度进行限制（VX、VY、VZ、PRES、TEMP），方式如下：
命令：FLDATA31,CAPP
菜单：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp> Relax/Stab/Cap>Results Capping
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Relax/Stab/Cap>Results Capping
速度限值可消除速度尖峰的不利影响，这种速度尖峰通常发生在收敛过程中的较早阶段。它还特别适合用于可压缩流分析，因这类分析中速度尖峰通常使动能项大到产生负的静温。
当对压力进行限值时，所限的值是由压力方程解算出来的压力而不是松弛后的压力，故当限值后作重启动时，压力值仍有可能超出限值。
注意：当有速度限值时，质量有可能不守恒。
面积积分阶次（Quadrature Order）
缺省的用于计算单元面积积分的阶次是单点积分，用户可对其进行控制。对于轴对称问题，求解时，该值自动设为2，因为当面积积分阶次为2时，可使含有异常形状单元的问题收敛到更精确的解。用下面的方式改变动量、压力、热或紊流项的面积积分阶次：
命令：FLDATA30,QUAD,lable,value
其中，lable为要改变的单元积分，value为积分点的数目。
菜单：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp> Mod Res/Quad Ord> CFD Quad Orders
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Mod Res/Quad Ord>CFD
Quad Orders
FLOTRAN分析过程中应处理的问题
确定总体迭代的数目
FLOTRAN分析是一个非线性的序列求解过程，故每次分析首先得确定要让程序执行多少次迭代。一次总体迭代就是对所有相关的控制方程按序列进行求解，并且在求解过程中流体性质会随时更新。在瞬态分析中，时间步循包含了总体迭代循环。在一个总体迭代中，程序首先获得动量方程的近似解，再在质量守恒的基础上将动量方程的解作为强迫函数来求解压力方程，然后用压力解来更新速度，以使速度场保持质量守恒。如果要求了程序求解温度，则程序会同时求解温度方程并更新与温度相关的流体性质。最后，如果激活了紊流模型，则程序将求解紊流方
程并用紊流动能及其耗散率来计算有效粘性和热传导系数，有效粘性和热传导系数将分别代替层流粘性和热传导系数以在平均流上模拟紊流的影响。用下面的方式定义总体迭代的数目：
命令：FLDATA2,ITER,EXEC,value（value即为迭代数）
菜单：Main Menu>Preprocessor>FLOTRAN SetUp> Execution Ctrl
Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Execution Ctrl
收敛监测
在FLOTRAN求解过程中，程序在每一个总体迭代里对每一个自由度计算出一个收敛监测量，这些自由度包括：速度(VX、VY、VZ)、压力(PRES)、温度（TEMP)、紊流动能（ENKE）、动能耗散率（ENDS）、以及激活了的多组份传输方程（SP01 ～SP06）。收敛监测量就是两次迭代之间结果改变量的归一化值，若以表示任一自由度，则该自由度的收敛监测量可由下式表示：
收敛监测量表示变量在当前迭代（k th）的结果和前一次迭代（(k-1)th）的结果之间差值的总和除以当前值的总和，这种求和是在所有节点上进行的，并且使用的是差值的绝对值。
在批处理或交互式运行过程中，当求解进行时, 程序的“图形求解跟踪（GST）” 功能将实时显示出所计算的收敛监测量，GST的缺省值在交互运行时是开（ON）, 而在批处理运行时是关（OFF）。用户可用下面的方式定义其开关：