非定常流体的瞬态动力学CFD分析

 工程上，有大量的非定常流体问题无法简单地通过稳态方法来求解。非定常流动主要由两种因素产生，一种是由于流体内部不稳定因素或初始流体状态的非平衡状态，如各种尺度的湍流旋涡，激波，对流等。另一种是由于变换的边界条件或者源项，如脉动流，旋转机械的定转子转动。对于这些非定常流动，就必须通过瞬态的分析方法来了解流体及其固体接触表面的状态。

瞬态分析由于计算多个步长下的流场，计算量会随着模拟的时间长短线性增长。数值上，常用的方法是在每一个时间步长下，计算一个短时间内的稳态，并将这个稳态的计算结果，作为初始条件带入到下一个时间步长的计算中。根据不同的时间求解器，时间步长的选择略有不同，通常隐式求解器的时间步长可以设置的比显式求解器的时间步大。著名的开源多物理场求解器SU2已经被证明可以很好地求解瞬态CFD问题，WELSIM也在2023R3中增加了对SU2的支持，详情参见《使用WELSIM生成SU2求解器文件》一文。

瞬态CFD分析的步骤

下面通过实例，演示如何进行瞬态CFD分析。

1. 以二维模型为例，打开WELSIM后，新建一个项目，并将模型设置为2维的流体瞬态模型。

2. 导入几何模型。

3. 划分网格，将最大单元尺寸设置为0.03m。

4. 设置求解的时间步为0.0005秒，总共运行0.6秒。

5. 求解器使用SU2。

6. 控制方程使用可压缩流体的RANS，湍流模型选用Spalart-Allmaras。

7. 设置求解器的相关参数。

8. 设置自由流场区域条件。其中，马赫数为0.3，攻角17度。常温常压。雷诺数为1000。

9. 设置远场边界条件。

10. 设置热流边界条件，数值为零，无热对流。

点击计算按钮，由于是瞬态计算，根据网格密度和时长，需要较长的物理计算时间。计算完成后添加马赫数结果节点，并显示结果云图。下图分别显示流场在0.027秒和0.597秒时的马赫数。

同时，本算例加入了WELSIM的自动化回归测试库，能够有益于求解器和前端软件的长期维护。测试文件已经开源并分享在GitHub上。地址如下：

https://github.com/WelSimLLC/WelSimAutoTests

WELSIM对SU2命令的支持

SU2的控制文件是主要的求解器输入文件，目前WELSIM作为前处理器已经支持了大量核心命令。SU2的7.5.1版本共含有671个控制命令，WELSIM已经支持了134个命令，占全部命令的20%。已经支持的命令列举如下。

• SOLVER
• MATH_PROBLEM
• KIND_TURB_MODEL
• KIND_TRANS_MODEL
• BODY_FORCE
• BODY_FORCE_VECTOR
• RESTART_SOL
• FLUID_MODEL
• SPECIFIC_HEAT_CP
• VISCOSITY_MODEL
• MU_CONSTANT
• CONDUCTIVITY_MODEL
• THERMAL_CONDUCTIVITY_CONSTANT
• REYNOLDS_NUMBER
• REYNOLDS_LENGTH
• PRANDTL_LAM
• PRANDTL_TURB
• MACH_NUMBER
• INIT_OPTION
• FREESTREAM_OPTION
• FREESTREAM_PRESSURE
• FREESTREAM_DENSITY
• FREESTREAM_TEMPERATURE
• FREESTREAM_TEMPERATURE_VE
• INC_DENSITY_MODEL
• INC_ENERGY_EQUATION
• INC_DENSITY_INIT
• INC_VELOCITY_INIT
• INC_TEMPERATURE_INIT
• FREESTREAM_VELOCITY
• FREESTREAM_VISCOSITY
• FREESTREAM_INTERMITTENCY
• FREESTREAM_TURBULENCEINTENSITY
• FREESTREAM_NU_FACTOR
• SIDESLIP_ANGLE
• AOA
• REF_ORIGIN_MOMENT_X
• REF_ORIGIN_MOMENT_Y
• REF_ORIGIN_MOMENT_Z
• REF_AREA
• REF_LENGTH
• REF_DIMENSIONALIZATION
• MARKER_PLOTTING
• MARKER_MONITORING
• MARKER_ANALYZE
• MARKER_DESIGNING
• MARKER_EULER
• MARKER_FAR
• MARKER_SYM
• MARKER_NEARFIELD
• INLET_TYPE
• INC_INLET_TYPE
• MARKER_INLET
• MARKER_INLET_SPECIES
• MARKER_INLET_TURBULENT
• MARKER_SUPERSONIC_INLET
• MARKER_SUPERSONIC_OUTLET
• MARKER_OUTLET
• INC_OUTLET_TYPE
• MARKER_ISOTHERMAL
• MARKER_HEATFLUX
• MARKER_HEATTRANSFER
• MARKER_PRESSURE
• MARKER_DAMPER
• TIME_MARCHING
• CFL_NUMBER
• CFL_ADAPT
• CFL_ADAPT_PARAM
• RK_ALPHA_COEFF
• TIME_DISCRE_FLOW
• TIME_DISCRE_FEM_FLOW
• TIME_DISCRE_ADJFLOW
• TIME_DISCRE_TURB
• LINEAR_SOLVER
• LINEAR_SOLVER_PREC
• LINEAR_SOLVER_ERROR
• LINEAR_SOLVER_ITER
• CONV_RESIDUAL_MINVAL
• CONV_STARTITER
• CONV_CAUCHY_ELEMS
• CONV_CAUCHY_EPS
• CONV_FIELD
• MGLEVEL
• MGCYCLE
• MG_PRE_SMOOTH
• MG_POST_SMOOTH
• MG_CORRECTION_SMOOTH
• MG_DAMP_RESTRICTION
• MG_DAMP_PROLONGATION
• NUM_METHOD_GRAD
• NUM_METHOD_GRAD_RECON
• VENKAT_LIMITER_COEFF
• ADJ_SHARP_LIMITER_COEFF
• CONV_NUM_METHOD_FLOW
• MUSCL_FLOW
• SLOPE_LIMITER_FLOW
• JST_SENSOR_COEFF
• LAX_SENSOR_COEFF
• CONV_NUM_METHOD_ADJFLOW
• MUSCL_ADJFLOW
• SLOPE_LIMITER_ADJFLOW
• MESH_FORMAT
• MESH_FILENAME
• MESH_OUT_FILENAME
• CONV_FILENAME
• SOLUTION_FILENAME
• SOLUTION_ADJ_FILENAME
• RESTART_FILENAME
• RESTART_ADJ_FILENAME
• VOLUME_FILENAME
• VOLUME_ADJ_FILENAME
• GRAD_OBJFUNC_FILENAME
• VALUE_OBJFUNC_FILENAME
• SURFACE_FILENAME
• SURFACE_ADJ_FILENAME
• SURFACE_SENS_FILENAME
• VOLUME_SENS_FILENAME
• TIME_DOMAIN
• TIME_ITER
• ITER
• RESTART_ITER
• TIME_STEP
• SCREEN_OUTPUT
• HISTORY_OUTPUT
• VOLUME_OUTPUT
• OUTPUT_WRT_FREQ
• OUTPUT_FILES

总结

SU2是一款性能优异且协议友好的开源CFD求解器，可以快速的计算含有湍流的瞬态流体问题。同时，得益与友好的图形化界面，WELSIM令SU2的使用变得简单。WELSIM既可以无缝调用SU2进行求解并显示结果，也可以只生成用户所需的SU2计算输入文件。当前，WELSIM是世界上对SU2支持最好的前后处理软件。