五.从卡门涡街看FLUENT设置依据

   

    学习Fluent，应该要通过对一个案例比较详细的分析尽可能的学习更多的知识，而不是稀里糊涂的瞎设置。学习一个案例就要让这个案例发挥作用

----伍兹·基硕得

    

    之前我们计算过卡门涡街，但是很多设置并没有说清楚为什么，今天我们来详细解释一下这些设置。

 

    首先1. 导入Mesh文件、2. General设置、3. Check网格这三步都是顺理成章，没什么可说的。

    我们来说一说4. 瞬态设置，无论流体力学还是传热学里都有稳态和瞬态，所谓稳态就是物体的状态不随着时间发生改变，比如说热传导，如果壁面一侧温度为30℃，另一侧为50℃，我们可以很容易的计算出来壁面最终的温度分布是线性的，只要外界环境不变，那就永远是这样一个温度分布，这就是稳态过程；但是在达到线性温度分布之前，温度需要扩散（扩散速度和热扩散系数有关），随着时间的流逝，温度分布是变化的，这个过程就是瞬态过程，最终温度分布会达到稳定即稳态。

 

图1.热传导温度扩散过程

    那么是不是说任何过程都有稳态呢？并不是这样的，很多过程并不能稳定下来，比如卡门涡街，涡的脱落随着时间呈周期性变化。再比如水的蒸发，随着时间的推移，水的量一直在减少，因此这样的过程就不是稳态的，计算时只能用瞬态计算。即便是稳态，其前期也一定存在瞬态这样一个过程。因此黑格尔说存在就是合理的，存在就是应当消亡的。万物都是脆弱易逝的。

 

    5.模型设置，这里保持默认即没有打开传热和湍流模型，这是因为我们只考虑流体流动，不考虑传热现象，因此不必打开能量方程。至于为什么没有打开湍流模型，实际上卡门涡街的形成同雷诺数Re有关，当Re为50～300时，从物体上脱落的涡旋是有周期性规律的；当Re＞300时涡旋开始出现随机性脱落；随着Re的继续增大，涡旋脱落的随机性也增大，最后形成了湍流。

 

图2.卡门涡街与雷诺数的关系

这里我们之所以使用层流模型，是因为我们设置的进口速度为1m/s，流体密度为1kg/m3，粘度为0.01kg/(m·s)，圆柱直径为0.1m，，因此为层流。

 

6. 材料物性设置，之所以将流体的物性改变，是为了能够更好的产生边界层分离现象。边界层分离有两个必要的条件，一是流体有粘性，二是逆压力梯度，因此将流体的粘度增大了很多，更容易出现效果。

7. 计算域保持默认，所谓计算域，是指计算的区域，我们这里只计算了流体区域，没有固体区没有计算，因此不必设置。如果需要计算圆柱的温度分布，此时需要设置计算域，对应的模型需要改变。边界条件设置，很容易理解，其中将sym1和sym2设置为symmetry，是怕设置成wall，壁面无滑移会对涡的流动产生影响。

8. 初始化有两种，第一种是混合初始化，根据模型系统给一个初始值，第二种是从边界条件中选择初始值。初始化并不会影响计算结果，但是会影响计算时间。

9. 动画设置，只有在初始化之后，才能进行动画设置。所谓动画，其实是将很多图片拼接在一起。最上面一栏是动画的个数，中间的数字5，表示5个单位一张图片，后面的Time Step表示以时间步作为一个单位，也可以以迭代步作为一个单位。

图3.动画操作

10. 单击Solution Animations界面的define按钮，按照如图所示操作。左边的Storage Type是存储方式，In memory表示在内存中存储，这样生成的图片不会占用硬盘空间，但会占用内存，且不能保存。中间的window表示窗口2.

图4.动画操作

11. contours设置：选择pressure,单击display,显示窗口界面会显示压力云图。此处选择什么物理量，最终的动画就会显示什么物理量。

12. 运行计算，计算 unsteady flow 的时候，fluent 是从前一个时间算到下一个时间的，从这个意思上来就认为是“time step”，一个时间接一个时间，而每个时间就相当于一个准稳态，因此计算的时候需要 Max Iterations per Time Step，这个就像你在计算稳态时候需要设置的一样，在达到 iteration 次数之前收敛就完成这个 time step，否则就算到所规定的次数。有关 time step size 的设定。既然是一个时间接一个时间计算的，那就存在一个问题，两个时间之间的间隔是多少？我个人经验是比特征长度除以特征速度所得的时间小二 个量级或者更小，比如流体以入口速度1m/s要经过1米的计算段，那么这个time step size就是 0.01 秒或者更小些。当然这不是最终方案，fluent 中提供了一个调整的判断依据，在每个时间(time step) 计算的 Iterations 在 5-10 次是最理想的。

13. 最后的生成动画，animations-Solution Animation Playback-write，表示将图片拼接成了动画。