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湍流模拟|03 稳态与非稳态

内容纲要
在着手进行RANS模拟之前,我们必须首要深思一个问题:我们将要模拟的流动是稳态的还是非稳态的。尽管所有的湍流流动在本质上都是非稳态的,但在RANS模型框架内,我们真正需要判断的是流动是否表现出稳态特征。这是一个在开始之前可能最难给出确切答案的问题之一。更为复杂的是,这一问题的答案还可能与所采用的RANS模型息息相关。那些旨在预测较大流动分离区域的RANS模型,往往更容易呈现出非稳态的行为;反之,对于那些预测小规模或无分离流动的模型而言,稳态解则相对常见。值得注意的是,那些倾向于描绘较大分离区域的模型,往往能更好地符合实验结果。
对于由于设置而引起的非稳态的问题,如具有移动几何形状的流动,或非稳态的边界条件,情况是很明确的。然而,也有许多的流动场景,其设置是"稳态"的,但流动行为仍然表现出非稳态特性:
  • 钝体后的涡脱落。
  • 弯曲/旋转的涡旋(例如,燃烧室)。
  • 轴向涡轮机中的旋转失速。
为了获得稳态解,常见的做法是将数值模拟配置为"稳态条件"并执行案例。若残差的大小收敛至某一"深度",则表明稳态解已经达成。然而,关于残差收敛到何种程度才算是足够,这并没有一个简单的答案。在某些情况下,三个数量级的残差收敛可能已足够,但在其他情况下,可能需要四个到六个数量级的收敛。因此,建议在特定的监测位置绘制对计算收敛性敏感的物理量曲线,以便于监控收敛过程。同时,在计算进行时,可以展示物理量的分布情况,比如通过xy图或等高线图。一个常见的做法是显示壁面剪应力,以此来评估解决方案是否已经稳定。在使用转捩模型进行模拟时,这一点尤为关键,因为层流与湍流的前沿区域往往需要较长时间才能稳定下来。
遗憾的是,在众多复杂应用场景中,残差的"深度收敛"往往难以实现。这是因为总会存在一些区域,无论计算如何进行,都可能无法达到完全的稳定状态。这其中,一方面是由于物理现象本身的复杂性,另一方面则可能是数值算法或网格质量的限制所导致。
为了评估在这些复杂情况下的计算稳定性,建议设置监测点,并在求解过程中记录这些监测点位置的物理量变化数据。这些物理量可能包括全局参数,如升力或阻力、入口与出口之间的压降、质量流量等,以及特定位置的关键求解变量(如流速u、压力p、温度T等)。监测点应置于流动特性复杂且局部收敛问题可能频发的区域。若残差或监测点的数据未能稳定至可接受的水平,建议转而使用非稳态模式继续模拟。在某些情况下,这种转换有助于最终收敛至稳态。然而,若非稳态行为并非关键因素,而是仅涉及微小的局部扰动,则可能对模拟结果的整体影响有限。若非稳态行为确实至关重要,则只能通过执行非稳态模拟并在运行过程中进行数据平均,以获得时间平均值。此外,创建动画可以帮助我们更深入地理解非稳态行为的成因及其特性。
在最极端的情况下,稳态模拟的设定可能导致求解器进入一个错误的流动状态,这种状态难以摆脱。这通常伴随着残差的不收敛,并且难以与由小规模局部振荡引起的非收敛现象区分开来。这种情况在采用较小欠松弛因子的情况下更为常见,因为这样的因子倾向于"锁定"非物理解。在这种情况下,转换为非稳态模拟设置可能会解决这一问题,并通常会导致流动特性的显著变化,这一点可以通过局部监视点和全局力的大小变化来观察到。

本湍流系列翻译自《Best Practice: RANS Turbulence Modelingin Ansys CFD》,作者F.R. Mentor,发布年份为2022年。


(完)

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本篇文章来源于微信公众号: CFD之道

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文章名称:《湍流模拟|03 稳态与非稳态》
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