流场分析的基本流程（FIRE软件）
流场分析的基本流程（FIRE软件）
ID:qxlqixinliang
一、 网格自动生成
根据电池包内部流场的特点，我们一般使用fame的网格自动生成和手动划分网格，两者相结合基本上能完成网格划分。对于电池数量较少的模型（如下图）完全可以用网格自动生成功能来实现网格划分。
下面介绍网格自动生成的流程：
1） 准备面surface mesh和线edge
mesh： 要求：面必须是封闭曲面，一般FIRE中可以应用的是.stl的文件，在PRO/E,CATIA 等三维的造型软件中都可以生成；与面的处理相似的还要准备边界的线数据
2） Hybrid assistant
,选择start new meshing，分别定义表面网格define surface mesh和线网格define edge mesh
3）然后进入高级选项fame advanced hybrid，在这里定义最大网格尺寸和最小网格尺寸，最大网格尺寸是最小网格尺寸的2^n倍
4）选择connecting edge，一般在计算域的进出口表面建立face selection，这样可保证edge处的网格贴体，否则网格在几何的边角会被圆滑掉，另外还可以保证进出口面的网格方向与气流方向正交，有利于计算的精确性和收敛性。通过add添加上进出口的selection即可。
5）点Next进入refinement界面，在refinement界面应当勾选auto refinement，如果在计算域内有需要细化的区域，则在这些区域建立face selection，通过add添加上所建立的selection，同时定义网格细化的尺寸和垂直于此face selection的网格的延伸深度。
6）点击next，进入OGL objects refinement界面，一般不需要定义，在下面的use advanced settings前打勾，激活高级设置选项
7）点击next，进入keep/remove cells界面，remove cells可以减少网格生成数量而且对于表面模型有细缝的情况，应当选择remove cells，此项功能相当域FAME Hexa中的keep detail的功能。点击next进入transformations界面
8）此选项的应用可以参考example 中的intake port example 中transformation 的应用，这一功能主要是为了划分间隔距离较小的表面的。它的原理是先按照transformation 后的表面划分网格，再将这种尺寸的网格压缩和放大等等，保证表面的贴合。
9）点击next，finish进入网格自动划分过程。
二、 网格划分工具的使用
手动划分网格有多种形式，例如：可以在封闭的面框上生成面网格，再拉伸面网格得到体网格；可以将复杂实体分块，在每一块应用手动拉伸或网格自动生成得到体网格，再将这些分块的网格用Join meshes或Arbitrary connect连接；对于2Dmeshing还可以应用interpolation工具进行手动划分。下面将对一些重要的工具做解释：
1、 Mesh tools
1） Refine
Refine功能用于网格的细化或粗化，Number of closure levels是指的细化程度。
2） Smooth
网格的光滑性优化工具
3） Modify
网格的平移，旋转和镜像等功能的操作
4） Enlarge
网格拉伸、扫描和旋转的工具，一般是对面网格的操作。
5） Mapping
网格映射工具，主要用于生成两体网格相贯部分。注意：mapping的对象是node selection，mapping的网格一般是表面网格，先在体网格上make surface。
6） Connet
网格连接工具，此功能常用。Join meshes用于两网格贴合处节点位置一一对应的连接，Arbitrary connect用于贴合处节点位置不对应的网格连接。注意：网格连接操作后，要confirm connect操作，以消除重复的节点或连接面。
2、 surface tools
1） Surface
面生成工具，Make surface可在体网格上抽出面网格；Triangulation可在体网格上生成三角面网格，也可将面网格转化成三角面网格；Center trangulation同上，得到的三角面网格
2） Surface checks
检查表面网格质量
3） Closed Surface
用于补面，生成面的线轮廓等。先Find boundary edges得到空缺面的轮廓，再进入triangulate closed edges选项生成三角形网格的面。
4） Orientate Surface
用于更改面网格方向的，一般应保证面网格内外表面方向一致
3、 edge tools
1） Auto edges
线网格生成工具，点选面网格，一般选择closed edges，调整合适的参数即可生成
2） manip edge
可以对局部面网格进行生成边网格操作
3）2d meshing
四边形网格生成工具，先准备封闭的线网格，再选择row adjustment delay即可生成规则的四边形网格。
三、网格和几何信息工具
划分完网格，一般先要检查网格质量，检查通过后才可以进行下一步工作。
1、网格check
选择体网格即可激活check选项，所生成的网格应保证required check选项下所有的检查结果为0.
2、Geo info
检查网格的各个组成成分的数量以及几何表面面积和体积。同时可以检查节点之间的距离。
四、流场分析求解器的设置（参考舒老师的ppt）
1、边界条件
入口及出口条件的选择（常规应用）：
1）对于风道稳态计算，一般进口用流量，出口用静压或梯度为零；若是瞬态计算，往往进出口都采用压力边界条件，如果计算不易收敛，则建议进出口都采用流量（出口流量的值要改变符号）
2）对于冷却水套一般进口定义流量，出口定义静压或梯度为零。 建议是有实测的静压值，这样有助于加快计算收敛。
3）入口处湍流值的给定：
一般"turb.ref.velocity"处填入进口平均速度（可根据流量估算）
"% of mean velocity"一般填1-10
"% of hydraulic diameter"一般填5-10
这样Turb.kin.energy及下面两项都会由程序自动算出
一般来说，TKE的值大一些对计算收敛有帮助
2、流体物性和初始条件
流体物性可预设为常量(空气,流体或新物性), 也可用公式定义；如果有组分输运, 物性值会被重新计算„ 对于空气和可压缩气体, 初始值被作为物性值, 气体状态方程用于更新三个变量 (压力,温度和密度)中定义为0的那个。 如果它们都不为0, 那么密度被更新；所有变量在全场的初始化可通过均匀初始化和势流场初始化来实现；对于瞬态计算，初始条件必须准确给定，因为后续时间步的结果直接受其影响。
4、 离散
空间离散：计算边界值和导数
计算边界值：Extrapolate（外差）and Mirror（镜面对称）
Mirror 对于边界网格质量不好的情况更为适用，可作为"默认"选项，计算导数的方法：Least Sq. Fit（最小二乘法） and Gauss（高斯法），Gauss 作为"默认"选项
Cell face adjustment: 动量方程的切向扩散项被法向扩散项的值制约，不建议用它作为默认选项因为如果这种限制在很多单元起作用,那么会影响能量守衡。但是，它对质量不好的网格计算有帮助
人工可压缩性（Artificial Compressibility)实现了每个单元采用不同的时间步长 ，即不容易收敛的单元采用较小的时间步，而易收敛的单元采用较大的时间步，这样松弛因子可以加大
5、 算法
SIMPLE这个算法是从离散的连续方程和动量方程里导出一个压力校正方程
SIMPLE和SIMPLEC的差别在于速度的更新方法不同；SIMPLEC 对于松弛因子的依赖较弱, 压力的校正甚至不需要下松弛；SIMPLEC 对于一些压力-速度耦合起的作用较大的应用会得到更好的结果. 而在一些有其他源项的情况下, 如较强的湍流, 喷雾, 燃烧时SIMPLE 法算得会更好，SIMPLE是默认的选项
6、 湍流模型
涡粘性/耗散模型（k-e）：双方程模型，基于Boussinesq假设，隐含湍流是各相同性的，导致对复杂流动的模拟不够准确。优点是计算稳定性好，对计算资源的要求和花费低。适合工程应用。 k-z-f：四方程模型，精度和稳定性都较好，推荐使用，计算时间仅比k-e模型多15%。
7、 壁处理
标准壁函数 Standard wall function
复合壁函数 Hybrid wall function
双层壁函数 Two layer wall function
近壁处理 Near wall approach
Hybrid wall treatment建议作为'默认选项，与K-z-f模型联合使用模型联合使用.
8、 壁面热传导
标准壁函数 Standard wall function
Han-Reitz模型中考虑了边界层中气体密度的变化和湍流Prandtl数的增加
9、 焓
Total enthalpy 是默认选项
当温度出现无界解而导致不收敛时, 求解静焓方程会是一个解决方案
10、松弛因子
稳态计算: URF (mom) =0.6, URF(pres)=0.1, URF(turb)=0.4
瞬态计算: URF(mom)=0.6, URF(pres)=0.4, URF(turb)=0.6
11、差分格式
差分格式是由前后网格单元中心(cell
enter)的值来计算网格单元面中心点(face center)的值的方法，常用的差分格式有迎风格式和中心差分格式，在计算精度和收敛性之间取得折衷，，采用Blending factor-揉和因子以便在高阶的格式中揉入迎风格式。揉合因子是介于０和１之间的数，为1表明完全采用高阶格式，为0，则只有迎风格式起作用
迎风格式(Upwind)：这是一阶精度的差分格式，无条件收敛，但不适于用在动量
方程和连续方程，因为如果网格线与流动方向不一致，该格式会产生数值扩散。
中心差分(Central Differencing)：二阶精度，是连续方程的默认格式("揉和"因子
blending factor选1)，用于其他方程时"揉和"因子最多选0.5。收敛性较差。
Minmod Relaxed: 也是二阶精度，可与0-1之间的任何"揉和"因子相配，比中心
差分的计算稳定性和收敛性好。
对于连续方程建议选用中心差分带揉和因子为1。在高马赫数的情况下可以选用MINMOD或SMART（三阶精度）
对于动量方程通常选用MINMOD带揉和因子1 (发动机的应用可采用0.5)。
能量方程可选用CD 带揉和因子0.5. 但对于发动机计算应选用迎风格式
12、线性求解器
在FIRE中采用了非常有效的共轭梯度方法 (CG): GSTB 和CGJP 要在加快计算速度和加强收敛性方面取得最优方案, 我们在界面上提供了'Table'的方式，这样可以在计算开始收敛性比较差的时候选用GSTB, 然后采用CGJP来加快计算速度，大多数情况下压力项求解器（Continuity)公差可取0.05,但有时必须降到0.005。
Algebraic Multigrid(AMG) 类似GSTB, 一般用于非常复杂的问题但要多占用50%的内存
陆面体云平台 www.caesky.cn 可以便捷、高效生成网格。