FLUENT不收斂案例及解決方法：壓力出口導(dǎo)致的不收斂【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-06-25 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

今天分享一個(gè)FLUENT的不收斂案例及其解決方法。計(jì)算的對(duì)象是一個(gè)新型的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室(圖1)。在這種新型加力燃燒室中,火焰穩(wěn)定器被整合到整流支板上,因此整流支板和整流錐都需要冷卻。在整流支板和整流錐上開(kāi)了很多小孔,冷卻氣從這些孔滲出,形成冷卻氣膜。

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圖1 加力燃燒室

這個(gè)算例模擬的是實(shí)驗(yàn)的工況。實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有在加力燃燒室內(nèi)燃燒,而只是在“主流入口”處引入高溫氣體,在“冷卻氣入口”處引入冷卻氣,以檢驗(yàn)氣膜冷卻的效能。

整流支板共有15塊,為了減小計(jì)算量,只計(jì)算其中的一塊(360°/15=24°)。主流入口和冷卻氣入口都采用“mass-flow-inlet”條件,其中主流入口的流量是0.8kg/s,總溫是1241.3K,冷卻氣入口的流量是0.024kg/s,總溫是490.3K。出口采用“pressure-outlet”條件,反壓是101325Pa(絕對(duì)壓力)。由于形狀比較復(fù)雜,特別是其中有很多小孔,所以采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,四面體單元。流體的狀態(tài)方程采用理想氣體(ideal-gas)模型,湍流模型采用Realizable k-ε模型。采用基于壓力的求解器。

采用定常算法計(jì)算不收斂(圖2;這里我們使用FLUENT默認(rèn)的收斂條件,即能量方程的殘差降低到1e-6以下,其余方程降低到1e-3以下)。考慮到可能是分離流誘發(fā)的非定常效應(yīng)導(dǎo)致不收斂(見(jiàn)公眾號(hào)先前的文章“為何我這個(gè)流動(dòng)總是算不收斂?我要砸電腦!”),我們嘗試使用非定常算法。但是不幸的是非定常算法仍然不能在每個(gè)時(shí)間步內(nèi)收斂。非定常計(jì)算的典型殘差曲線如圖3所示。

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圖2 定常計(jì)算的殘差曲線

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圖3 非定常計(jì)算仍然不收斂。此圖是時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為3×10-6秒時(shí)的結(jié)果。圖中顯示了5個(gè)時(shí)間步的殘差曲線。

為了弄清不收斂的原因,我們用MATLAB編寫(xiě)兩個(gè)小程序。第一個(gè)程序用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)命令文件j1.jou,讓FLUENT迭代30次,并把每次迭代后的流場(chǎng)都保存到文件里面:

clear fid=fopen('j1.jou','wt'); % 打開(kāi)命令文件 n=30; fprintf(fid,'solve update-physical-time\n'); % 下一個(gè)時(shí)間步 for i=1:n fprintf(fid,'solve iterate 1\n'); % 迭代一次 fprintf(fid,'file interpolate write-data "d:\\case1-%d" yes yes \n',i); % 將計(jì)算結(jié)果保存到文件 end fclose(fid); % 關(guān)閉命令文件

在FLUENT中打開(kāi)非定常計(jì)算的case和data,在菜單欄選擇[File]->[Read]->[Journal…],選取命令文件j1.jou,FLUENT便會(huì)更新到下一個(gè)時(shí)間步并迭代30次,并在D盤(pán)根目錄下產(chǎn)生30個(gè)計(jì)算結(jié)果文件(圖4)。

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圖4 計(jì)算結(jié)果文件

第二個(gè)程序分析這些計(jì)算結(jié)果,找出壓力波動(dòng)最劇烈的點(diǎn):

clear n=30; m=375045; % 網(wǎng)格數(shù)量 n_points=15; fid1=fopen('j2.jou','wt'); % 打開(kāi)命令文件 L=1; for i=27:n filename=sprintf('d:\\case1-%d.ip',i); fid2=fopen(filename); % 打開(kāi)計(jì)算結(jié)果文件 % ASCII碼中,40代表左圓括號(hào) % FLUENT的計(jì)算結(jié)果文件中,每一組數(shù)據(jù)都是以左圓括號(hào)開(kāi)頭的 % 因此,可以通過(guò)查找左圓括號(hào)的方法找到每一組數(shù)據(jù)的起點(diǎn) % 需要了解更多關(guān)于FLUENT計(jì)算結(jié)果文件格式的內(nèi)容,請(qǐng) % 閱讀User's Guide中“Format of the Interpolation File”這一節(jié) % until函數(shù)需要自己編寫(xiě),見(jiàn)注1 until(fid2,40); arrx=fread(fid2,[m,1],'double'); % 讀取x坐標(biāo) until(fid2,40); arry=fread(fid2,[m,1],'double'); % 讀取y坐標(biāo) until(fid2,40); arrz=fread(fid2,[m,1],'double'); % 讀取z坐標(biāo) until(fid2,40); arrp=fread(fid2,[m,1],'double'); % 讀取壓力場(chǎng) fclose(fid2); if i>27 % 只關(guān)注最后三次迭代 % 比較相鄰兩次迭代的結(jié)果,找出壓力波動(dòng)最大的15個(gè)點(diǎn) [sorted,ix]=sort(abs(arrp_old-arrp),'descend'); x_maxchange=arrx(ix(1:n_points)); y_maxchange=arry(ix(1:n_points)); z_maxchange=arrz(ix(1:n_points)); for j=1:n_points % 讓FLUENT標(biāo)出這些點(diǎn) fprintf(fid1,'surface point-surf point_%d %e %e %e\n',L,x_maxchange(j),y_maxchange(j),z_maxchange(j)); L=L+1; end end arrp_old=arrp; end fclose(fid1); % 關(guān)閉命令文件

運(yùn)行這個(gè)程序后將生成一個(gè)FLUENT命令文件j2.jou,在FLUENT中執(zhí)行它,便將最后三次迭代中壓力波動(dòng)最劇烈的一些點(diǎn)標(biāo)記了出來(lái)(每次迭代標(biāo)記15個(gè),共45個(gè)點(diǎn))。

在FLUENT菜單欄選擇[Display]->[Mesh…],將這些點(diǎn)顯示出來(lái),可以發(fā)現(xiàn),壓力波動(dòng)最劇烈的點(diǎn)都位于出口截面上(圖5)。因此推測(cè)可能是出口邊界設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致不收斂。

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圖5 壓力波動(dòng)最劇烈的點(diǎn)

嘗試對(duì)出口的邊界條件進(jìn)行修改,發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用“無(wú)反射”選項(xiàng)(Non-Reflecting Boundary,圖6)的時(shí)候,不收斂的問(wèn)題就得以解決(圖7)。

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圖6 “無(wú)反射”選項(xiàng)。

由于參考?jí)毫υO(shè)為101325Pa,所以表壓(Gauge Pressure)是0。

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圖7 非定常計(jì)算的殘差曲線。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為3×10-6秒。出口邊界使用“無(wú)反射”選項(xiàng)。圖中顯示了約25個(gè)時(shí)間步的殘差曲線?？梢钥闯?在每一個(gè)時(shí)間步內(nèi),殘差都能降低到默認(rèn)的收斂標(biāo)準(zhǔn)以下。

究其原因,在這個(gè)算例中出口邊界已經(jīng)達(dá)到了壅塞狀態(tài),這可以從馬赫數(shù)云圖上看出來(lái)(圖8)。從圖中可以看出,出口附近有馬赫數(shù)超過(guò)1的局部超音速區(qū)域。馬赫波在出口邊界的反射導(dǎo)致了出口截面的參數(shù)不斷振蕩,不能收斂。這種反射是邊界條件的數(shù)學(xué)處理造成的——因?yàn)槲覀儚?qiáng)制地讓出口截面的壓力等于指定的數(shù)值,而這是不符合物理事實(shí)的?！盁o(wú)反射”的具體處理方法涉及特征線理論,這里不予以敘述,有興趣的讀者可以看計(jì)算流體力學(xué)原理方面的資料(例如[1];以及FLUENT的User's Guide中的“General Non-Reflecting Boundary Conditions”這一節(jié))。

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