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ANSYS CFX 培训教材
第六节：瞬态模拟
安世亚太科技（北京）有限公司
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原因
自然界几乎所有流动都是瞬态流动!
在以下假设下，可以认为流动是稳态的:
忽略非稳态波动
采用总/时均方法，忽略流动的波动性 (这也是为什么采用湍流模型模化湍流的原因)
在CFD,首选稳态的计算方法
更小的计算代价
更易处理和分析
很多情况下，要求瞬态求解:
空气动力学(Aerodynamics), 如飞行器、汽车等 – 涡脱落(vortex shedding)
旋转机械Rotating Machinery – 转子/静子相互作用, 停车, 飞逸
多相流Multiphase Flows – 自由液面, 空泡动力学
变形计算域Deforming Domains –缸内燃烧
非稳态热传递Unsteady Heat Transfer – 瞬态加热和冷却
更多
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瞬态流动的起源
自然的非稳定性
流动的不稳定性或非稳定的初始流动状态导致非稳定流动
例如: 自然对流, 所有尺度的湍流涡, 流动波(重力波, 冲击波)
强迫非稳定性
时间相关的边界条件, 源项驱动的非稳定流场
例如: 喷嘴处的脉冲流, 转子-静子节间的相互影响
Kelvin-Helmholtz Cloud Instability
Rotor-Stator Interaction in an Axial Compressor
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瞬态CFD 模拟
瞬态流域的模拟都是基于一个指定的时间周期
可能的求解方法:
稳态求解 – 流动变量不随时间改变
时间周期求解 – 流动变量以某种反复的模式波动
也可以通过指定时间间隔的方法简单的进行流动分析.
自由面流动
冲击波的运动
等.
详细分析关心的量
固有频率 ，(Strouhal Number)
时均(Time-averaged)和/或 均方根(RMS)值
与时间相关的参数 (如. 冷却一个热的固体的时间要求, 污染物的扩散时间)
谱数据 – 快速傅里叶变换(FFT)
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Timestep = 2 s
Initial Time = 0 s
Total Time = 20 s
Coefficient Loops = 5
2
4
6
8
10
12
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Time (seconds)
5 coefficient Loops
通过计算不同离散时间点的方法完成瞬态模拟
在每个时间点，都需要进行计算迭代
如何求解瞬态问题
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对稳态计算也有相似的设置
通常的工作流程：
设置分析类型为Transient
指定瞬态求解时间和时间步长
设置物理模型和边界条件
边界条件可以随时间变化
指定初始条件
最好采用符合实际的物理条件, 比如稳态计算结果
指定求解器设置
设定瞬态结果文件(results files), 瞬态统计(transient statistics), 监测点(monitors points)
运行求解器
如何求解瞬态问题
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1. 分析类型
在目录树上编辑Analysis Type，设置option为Transient
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设置Time Duration
控制求解结束时间
选项:
Total Time
求解的总时间
Time Per Run
不计以前计算的所有时间
Maximum Number of Timesteps
包括以前所完成的计算时间步
Number of Timesteps per Run
对本次求解有效. 不计以前完成的时间步
2. 时间长度和步长
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设置Time Step size
控制两计算时间点之间的间隔
选项:
Timesteps / Timesteps for the Run
可采用不同的方式, 例如

, , ,
5*, 10*, 20*
Adaptive
通过设定收敛标准或Courant数的方法，在规定的范围内，时间步可以动态的改变
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在瞬态模拟中，时间步尺寸是一个很重要的参数
求解与时间相关的特征的时候，需要时间步较小 …
实际值
时间
关心的变量
Dt
时间
关心的变量
D