計算流體力學

計算流體力學(CFD)
    流體力學一直是工程人員所關注的問題,但過去為了CFD運算,需要另外增購系統,有了LS-DYNA,使用者可以在單獨介面中完成傳統的流體力學分析。

    LS-DYNA中計算不可壓縮流(ICFD),與可壓縮流(CESE)的這兩個功能,既可以作為傳統CFD軟體對純流場進行數值模擬,也可以與LS-DYNA中已有的固體結構計算功能、傳熱模型,進行耦合來求解複雜的流固耦合問題

    LS-DYNA提供了各式的計算數值模型進行分析,它包含了:

  • RANS k-e approach
  • LES Smagorinsky sub-grid scale model
  • LES Wall adapting local eddy-viscosity(WALE) Model
  • Turbulence model base on a variational multiscale approach

不可壓縮流計算(ICFD)的特點

LS-DYNA ICFD是以有限元方法來求解不可壓縮流體力學方程式,同時它在與固體結構進行耦合時使用的是強耦合方法,並且可根據具體問題的流固耦合強弱程度來選擇不同的耦合策略。例如:當流固耦合較弱時可採用顯式分析(Explicit);而當流固耦合較強時,則可採用隱式分析(Implicit)。

以極有效率的方式計算暫態的問題。
    讓我們來看看它可以應用的方式:
  • 從汽車外流場到航太與民生工業,皆可應用LS-DYNA來進行產品開發分析。主要用來計算流阻值,及瞭解流場狀況。
  • 造船/遊艇船舶工程流阻設計:一般CFD分析只考慮到水線以下的流場分析。LS-DYNA可以瞭解船體所造成水線以上的效應。在船體設計階段迅速提供興波阻力及壓力分佈特性,作為船型改良的重要參考依據。
  • 可針對船體結構進行流體與固態耦合分析,瞭解穿浪時耐海性能
  • 自由液面分析應用於土木工程及水力工程分析,可瞭解結構體受到流體衝擊所受到的力學效應
  • 可以透過CAE模擬的方式,針對颱風、湧浪等海浪拍擊護岸的行為,進行模擬預測,提高防護設施的耐用度與安全性。

可壓縮流計算(CESE)的特點

LS-DYNA可壓縮流計算功能(CESE),主要適用於高速(馬赫數M>0.3)、複雜流動(包括無黏流和有黏流)、聲波(噪音)/激波相互干擾、空隙流、化學反應流等的數值模擬,以及相應的流固耦合問題。它是計算流體力學中一種新的計算方法,即守恆元/解元(CE/SE)方法,也稱為時空守恆法,這對於高速複雜流動的計算至關重要。

另外,CESE方法使用顯式分析,因此很適合進行MPP平行處理。

CESE方法原理
    首先,CESE方法將時間與空間完全統一起來處理,並且在時空的四維空間中巧妙地引進了所謂的”解元”和”守恆元”,這些解元和守恆元實際上是對時空中一些互不相交的小單元。

    在每個解元中各流體變量採用了一階泰勒展開式來進行逼近;而在每個守恆元中,則令流體各個守恆律方程式得到滿足,這樣便可得到一組離散的方程式來對各流體變量進行求解,並且得到的計算格式可以使流體守恆律在時空中始終都得到滿足。

    其次,CESE方法中將流體變量以及其空間一階篇導數都作為未知量來同時進行求解,這樣便大大地提高了其計算精度。因此儘管CESE格式式一個二階精度格式,但其實際計算精度則遠高於普通二階精度格式。

    最後,CESE方法採用了一種既簡單又有效的激波捕捉方法,它既不用引入人工參數來調節格式黏性以達到計算穩定的目的,也不用求解黎曼問題,而是只需用一種簡單的加權平均。這樣既大大節省了計算時間,同時也減少了人為因素的干擾。

  • 這是一個經典的跨音速定常流動問題(無黏流),機翼採用的是NACA0012,攻角為1.25度,馬赫數M=0.8。當流過翼型表面時,流場加速並變成局部超音速,從而在上弧形及下彎曲處產生正常的衝擊波。
  • 在這個例子中,模擬的是從激波管中產生的一束強激波,繞過直角導致的激波衍射現象,其中進入口的激波馬赫數M=1.3。