网格和几何采用有限元或“实体拟合坐标”的求解方法需要生成符合流动区域几何形状的求解网格。生成这些具有可接受的单元大小和形状的网格用于精确的数值技术是一项复杂的任务。在复杂的情况下,这种类型的网格生成可能会耗费数天甚至数周的时间。一些程序试图通过仅使用矩形网格元素来消除这一问题,但是它们必须与“阶梯”边界相抗衡,以改变流动和传热特性。FLOW-3D通过使用易于生成的矩形网格解决了这两个问题,其中使用FAVOR™(分数面积/体积)方法可以平滑嵌入几何特征。一个简单而强大的实体建模器与FLOW-3D一起打包在软件里,用户可以从CAD程序中导入常见的几乎所有几何数据。 动量方程与近似流动模型在流体计算中,准确处理流体动量是非常重要的。首先,它是预测流体如何流过复杂几何体的唯一方法。其次,由流体施加的动态力(即压力)只能从动量来计算。最后,为了计算热能的对流传输,必须准确了解单个流体粒子如何相对于其他流体粒子移动并限制边界。这意味着对动量的准确处理。简化的流动模型只能近似地贴近动量守恒,它们不能用于预测实际的流体结构和温度分布,所以FLOW-3D没有使用简化流体模型只求解近似值的技术,因为这样的结构不准确。
液体 – 固体传热区域液体和固体之间的传热(例如,液态金属对模具)需要准确估计界面面积。阶梯边界法采用估算方式,往往被高估了区域的大小; 例如,气缸的表面积将被高估27%。对于FLOW-3D预处理器中的每个控制量,通过FAVOR™方法自动计算准确的界面面积。
控制体积对液固传热的影响控制体积的大小会影响液体和固体之间交换的热量和速率,因为热量也必须流入含有液体/固体界面的控制体积中。在FLOW-3D控制中,当计算液 – 固界面上的传热速率时,体积大小及其电导率被考虑在内。
隐含性和准确性非线性方程和耦合方程的隐式方法需要迭代求解方法,这些方法在每次迭代中都具有难收敛特性。在某些情况下,这种行为可能会导致严重错误(或收敛速度非常慢),例如,当使用具有较大宽高比的控制量时,或者在隐式被用于预期实际并不重要的效果时。在FLOW-3D中,尽可能使用显式数值方法,因为它们需要较少的计算量,并且其数值稳定性要求等同于精度要求。阅读更多隐式与显式数值方法文章。 对流运输的隐式数值方法允许在计算中使用任意大的时间步长的隐式数值技术是减少CPU时间要求的常用方法。不幸的是,这些方法对于对流过程并不准确。隐式方法通过在近似方程中引入扩散效应来获得时间步长独立性。将数字扩散添加到物理扩散(例如导热)可能不会引起严重问题,因为它只会改变扩散速率。然而,在对流过程中增加数值扩散完全改变了正在建模的物理现象的特征。在FLOW-3D中,时间步长由程序自动控制,以确保时间精确的近似值。
松弛和收敛参数使用隐式近似的数值方法也需要选择一个或多个收敛和松弛参数。对这些参数做出差的选择会导致分歧或收敛速度缓慢。在FLOW-3D中只使用一个收敛和一个松弛参数,并且这两个参数都是由程序动态选择的。用户不需要设置任何控制数值解算器的参数。 自由曲面跟踪有两种方法用于模拟液体 – 气体界面(即自由表面)。其中之一是计算液体和气体区域的流量,并将界面视为流体密度的急剧变化。典型地,密度不连续性使用高阶数值近似来建模。不幸的是,这种处理允许界面在几个网格单元上平滑并且不能解决通常在这种界面处存在的切向流动速度的相应急剧变化。如果要通过进入计算区域的液体进行更换,这种技术还必须补充气体的排放口或汇。此外,这些方法通常必须更努力地满足流体的不可压缩性。发生这种情况是因为气体区域必须具有几乎均匀的压力调整,这往往会减慢解收敛速度。一种不同的技术,在FLOW-3D中使用流体体积(VOF)方法。这是一个真正的三维界面跟踪方案,其中界面作为一个不连续的步骤保持紧密。此外,正常和切向应力边界条件,包括可选的表面张力,应用于界面处。除非用户请求将这些区域包含在模型中,否则不会计算气体区域。