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那么在starcd中monitor and reference data for air中要设置reference pressure,如果在此设置压力为1bar,273K。
那么设置initialization的时候,压力应该是相对于参考压力的值,比如你的初始压力为3bar,那么你在initial for air中设压力为2bar(3bar-1bar),温度为实际温度(实际温度600K,在此就设为600K,与参考温度无关)。
3、 k/epsilon和TI/length如何设置的问题。
可参考starcd例子P1-35。用k/epsilon和TI/length设置计算得出的结果略有不同(tut2.1中提到)。
对于湍流动能k 和湍流频率ω 的初值没有一个理论的方法来确定,通常入口处的k和ω边界条件由经验或计算确定。当不能确定k和ω值时,可以选择设定湍流强度和漩涡尺度的方法来确定。
参考书籍《列车车头设计及其气动性能分析》中选取中等湍流强度(Intensity==5%),长度尺度则根据外流场的尺度大小取值0.1m。
参考书籍《横向风与列车风联合作用下车桥系统绕流分析》中选取采用一般风洞试验均匀流的来流湍流强度0.5%。
参考书籍《摆式列车过曲线空气动力学特性研究》中提到:设定入口处表征紊
流状态的任意一组量,即紊流动能量k,流能量耗散ε,或紊流强度I、紊流混合长度l,这两组量是完全等效的,关系如下:
k?1.5?(U?I)2
??C?0.75k0.5?l
式中U表示流体入口速度总量,I为紊流强度,Cμ为经验系数,取0.09 ,l表示紊流混合长度。
在本文的计算中,根据列车的三维绕流模型,取紊流强度I为0.003,紊流混合长度1,按经验可取入口特征长度的10%,而对于入口的特征长度为其水力直径D(单位应该为m),水力直径可根据下式求得:
D?4AL
式中A是入口截面的面积,L代表入口的湿周。通过以上公式,对于模型A,紊流混合长度l的取值为2.444。
Tut8.1中提到k设置为0.024,ε设置为0.07
总结——经过测试,对于边界条件(包括pressure和inlet)的TI/L设置并不重要,设置成多少没有什么太大关系,并不影响计算的结果,也不会影响计算的收敛。进出口没有必要设定k-e,只要湍流模型选择k-e high Re即可,进出口的k-e只是初值的设定,迭代后会改变的。
4、 SIMPLE、PISO和SIMPISO算法
稳态计算和瞬态计算是CFD数值计算中最基本的两种计算过程,稳态计算是指在给定的固定边界条件下经多次数值迭代后达到稳定的流体状态;瞬态计算是在任意定义(即可以是变量)的初始边界条件下,经过一系列的离散时间步后达到一个新的状态。由于这两种计算过程的初始条件不同,因而适合于它们的CFD数值计算方法也有所不同。
在STAR-CD中有三种可选的内部数值计算方法,SIMPLE、 PISO和SIMPISO算法。在非稳态模拟中,一定要选用 PISO 格式,在稳态模拟中可以选用 SIMPLE 或 SIMPISO 。
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SIMPLE算法是STAR-CD稳态计算中默认的内部计算方法,其结果大多数情况下很好;PISO算法通常用于瞬态计算,也可用在主要参数间有密切关联的稳态计算中,如浮力流场;当流场划分的网格扭曲变形严重时,常采用SIMPISO算法。SIMPLE 主要适应于网格变形不太严重的稳态流动分析,它的主要优点是求解力强,每一步的计算时间短,因而比其他的复杂格式的计算耗时少。当计算网格变形严重时,SIMPISO 是稳态分析的更好的选择,它计算用时比 SIMPLE 长,但更容易收敛。
PISO方法和SIMPLE法的基本思想类似,都是引入校正量的概念,通过连续性方程找出压力校正量与速度校正量的关系即压力校正方程,进而求解。
PISO和SIMPLE两者的区别是:SIMPLE是迭代法,每一次迭代只校正一次,PISO法是时间推进法,在每个时间层内多步校正,最后一步校正得到当前时间层的收敛解。
对于不同流动特性的流动模拟需采用不同的求解格式。 5、 设置Slip wall和no slip wall的说明
根据是否存在附面层效应来决定设置成slip还是no slip。
稳态——如果列车在静止的空气中(无风)、平直的路面上作匀速直线运动,列车与地面、列车与空气的相对速度均为列车行驶速度。这种工况在风洞试验和模拟试验时,通常用均匀气流流过列车模型来模拟行驶的列车相对于静止空气的运动,显然,这将导致地面的附面层问题:运动的气流在静止的地面会产生附面层。
而实际列车行驶时,空气与地面是相对静止的,地面附面层是不存在的,只存在车身表面上。故在本文的模拟中,采用移动地面(Moving ground)方法,给地面设定一个速度与入口来流速度相同的边界,可消除了地面效应的影响。
由于在列车表面存在附面层效应的影响,故列车表面设定为有摩擦的墙边界((no-slip wall),接近于实际情况,从而可较为精确的计算出列车表面的摩擦阻力,即粘性剪切力,以及表面的压力分布等参数。
因此稳态问题将地面和列车表面设置成no-slip wall。
瞬态——瞬态问题将地面设置成slip wall,列车表面设置成no-slip wall。 6、 Starcd中差分格式的精度
UD——upwind differencing。上风差分格式。一阶。
MARS——monotone advection and reconstruction scheme。单调对流重构格式。二阶 SFCD——self-filtered central differencing。自适应中心差分格式。二阶 CD——Central differencing。中心差分格式。二阶。
LUD——linear upwind differencing。线性向上差分格式。二阶。
QUICK——Quadratic Upstream Interpolation of Convective Kinematics。三阶。 Gamma——γ差分格式Gamma Differencing Scheme。二阶。
BD——混合差分格式Blended Differencing。二阶。 为了兼顾数值求解的精确性和稳定性,人们经常采用混合的差分格式,高阶的差分格式提高数值解的精确度,低阶差分格式提高数值求解的稳定性。Gray smith认为65%CD和35%UD是最好的精确性和稳定性互补。
一般,使用UD以获得初次求解值,再使用高阶或混合格式,以提高数值解的精确度。
表 1 差分格式对阻力系数的影响
差分格式% 混合 阻力系数Cd
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UD CD QUICK LUD CFD 绵阳风洞实验 Δ % Δ绝对值
100 35 20 0 0 65 0 0 0 0 80 0 0 0 0 100 0.3353 0.3214 0.3101 0.3047
0.2960
12.8 8.2 4.4 2.5 0.0383 0.0244 0.0131 0.0077
不同的差分格式导致的阻力系数的改变表明了选取适当的差分格式的重要性。一般说来,UD 格式精确性较差,混合65% CD,计算用时增加近1/3,用80% QUICK和20í或100%LUD用时为原来3倍多。
较少的 UD混合高阶格式将产生较差的效果,例如,20%UD和QUICK(三阶格式)混合,用时和100%LUD(两阶格式)大致相等,但精度有所下降。
表 2 不同差分格式的计算用时
差分格式 % 混合 CPU 计算用时指数 CFD 与 实验值差异%
UD 100 35 20 0 CD 0 65 0 0 QUICK 0 0 80 0 LUD 0 0 0 100 1 1.36 3.22 3.22 12.8 8.2 4.4 2.5
7、 Starcd中的湍流模型
STAR-CD提供的湍流模型,根据雷诺应力与应变的关系,可以分成两类:一、雷诺
应力与应变成线性变化的称为线性模型;二、雷诺应力与应变成非线性变化的称为非线性模型。 STAR-CD提供的几种主要的线性模型是:
1. 标准k-ε模型:在近壁面区域使用代数壁面法则来描述流场流动与高雷诺数的k-ε方程组成方程组,在最常用的标准ε?k模型中,在近壁面区域使用代数壁面法则来描述流场流动,在内区域应用高雷诺数的ε?k方程组;高雷诺数两方程模型称为标准k ?ε 模型;
2. 低雷诺数模型:对湍流区域包括近壁面处,只求解由湍流动能k和湍流耗散率ε所组成的输运方程,而不采用壁面函数;
3. RNG模型:使用壁面函数与高雷诺数的k-ε方程组成方程组;
4. Chen模型:使用湍流产生和扩散的时间项来封闭湍流的耗散方程,它同样是用壁面函数与高雷诺数的k-ε方程组成方程组;
5. 双层模型:把湍流区分成两部分来求解,远离壁面的地方用标准k-ε方程组求解,在靠近壁面处使用:
⑴ 湍流动能和湍流长度的代数表达式形成的输运方程,即低雷诺数模型。此区域的解要与上层粘性影响区的解相匹配。
⑵ 把普朗特混合长度假说扩展到三维空间,即混合长度模型。不使用任何湍流动能输运方程来计算湍流粘性。
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STAR-CD提供的其它几种非线性模型是:
1. 高雷诺数的k-ε二次方程 在近壁面区联合壁面函数来模拟湍流; 2. 高雷诺数的k-ε三次方程 在近壁面区联合壁面函数来模拟湍流;
3. 低雷诺数的二次方程,湍流动能和湍流耗散率kε在近壁面区域被求解; 4. 低雷诺数的三次方程,湍流动能和湍流耗散率kε在近壁面区域被求解。 除了上述基于k-ε的湍流模型之外,STAR-CD还提供了k?l湍流模型,它使用空间长度尺度分布l来代替微分方程中的ε项。此外,STAR-CD还提供一个选项不使用微分方程,而直接使用紊流粘度系数的估计表达式来求解湍流问题。不过这种方法的使用是非常有限的。另外,我们目前所使用的最新版本的STAR-CD 3.100 A还加入了湍流的大涡模拟法LES (Large Eddy Simulation)。与上述基于雷诺平均应力的湍流模型不同,LES是一种更先进的方法,其中大尺度的湍流被直接求解,而小尺度的湍流仍用模型来近似求解。
除非DNS(Direct Numerical Simulation)技术真正实现,那样湍流问题才可以得到精确的数值解。实际上,所有上述的湍流模型均是实际物理现象的一些不准确的近似描述。对具体的工程问题究竟使用那种模型,很大程度上取决于实际经验。一般k-ε湍流模型比k?l模型应用更广泛。通常标准k-ε模型、RNG模型和Chen模型在近壁面处的简化处理,它们是比较经济的选择,不需要太高的数值分辨率。但在壁面规则的假设不正确的情况下,它们的精度将严重下降。在这种情况下,双层模型可能会得到更好的结果,但它要求更高的数值分辨率。
8、 子程序的调用
首先File > System Command,输入ufiles在text box。 然后Utility > User Subroutines。
选择posdat>write file。Posdat文件就会出现在ufiles文件夹下面。最后再对posdat进行修改。
如何修改以及调用子程序的问题。Tut2.4、2.7、9.5中都有提到。 9、 Pressure边界条件的说明
Ppiezo = Pstatic – pho * g * h。
表压=静压- pgh,如果没有打开Buoyancy,则表压和静压相等。 选择Envir Press为On。
(a)当Pressure边界实际情况为入流条件时: 选择Ppiezo时:填入GUI的压力值= Ppiezo + 动压 选择Pstatic时:填入GUI的压力值= Pstatic + 动压 (b)当Pressure边界实际情况为出流条件时: 选择Ppiezo时:填入GUI的压力值= Ppiezo 选择Pstatic时:填入GUI的压力值= Pstatic (a)选择Mean为Off时:
压力值在边界上均匀分布,且都等于填入GUI的值。 (b)选择Mean为On时:
压力值(Ppiezo)在边界上的分布是根据流场内部的结果外推得到,边界上的平均值等于填入GUI的值。注意当Mean选择为On时,必须选择Ppiezo。 10、 在starcd中移动模型的方法
可以通过vgen功能来解决。无论是在icemcfd还是star-cd中对坐标系进行调整,结果starcd中模型的坐标位置都没有实际的改变。 11、 试算方法确定计算区域大小
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