Démarche générale pour l’utilisation de

FLUENT 2009-2010

elhacnematene@gmail.com 2009-2010

elhacnematene@gmail.com

CUKMInstitue des sciences et technologies

Définition 

Fluent comporte deux fonctions :SOLVEUR : Permet de définir numériquement les conditions

opératoires (gravité pression…) dans lesquelles, est effectuée la simulation, ainsi que la spécification des conditions aux limites, il permet de choisir le processus itératif, en proposant plusieurs schémas numériques pour la discrétisation spatiale et temporelle, et pour le couplage de vitesse et de pression.

POST-PROCESSEUR : permet de visualiser la géométrie et le maillage du domaine mais surtout d’afficher les résultats obtenus, Il est ainsi possible de visualiser les champs (pression, vitesse, température …) ainsi que toutes les grandeurs calculées .Il offre aussi la possibilité de tracer et visualiser les lignes de courants.

Bases du solveur

Résolution Solveur:

Le menu est tel que les opérations se font de gauche à droite.

Importer et dimensionner maillage Selection des modèles physiques. Définir les propriétés des

materiaux. Définir les conditions de calcul. Définir les conditions aux limites. Fournir une solution initiale. Régler les paramètres du solveur. Régler les moniteurs de

convergence. Calculer et surveiller la solution.

Post-Processing Interaction avec le solveur Analyses

Données du solveur

Les commandes graphiques (GUI) ont un équivalent texte (TUI). Des commandes avancées sont uniquement valables en TUI. ‘Entrée’ montre les commandes TUI au niveau courrant. ‘q’ permet de remonter d’un niveau.

Possibilité d’écrire un journal.

La souris Les fonctions de la souris dépendent du solveur et peuvent être

configurées.Display Mouse Buttons...

Par défaut: Solveur 2D

Bouton gauche: translation Bouton milieu: zooms Bouton droit: sélectionne

Solveur 3D Bouton gauche: rotation à 2 axes Bouton de milieu: zooms

Un clic milieu centre le point dans la fenêtre Bouton droit: sélectionne

Composants du maillage

Les composants sont définis dans un préprocesseur

Cell = volume de contrôle divisant la géométrie

Le domaine de calcul est défini par un maillage qui représente le fluide et les faces solides qui interviennent.

Face = frontière d’une cell Edge = frontière d’une face Node = point de maillage Zone = groupe de noeuds, face et/ou cell

Les conditions limites sont assignées aux face zones.

Les données des matériaux et les termes sources sont assignés aux cell zones. face

cell

node

edge

Simple 2D mesh

Simple 3D mesh

node

face

cell

cell center

Lecture du maillage: Zones

Exemple: Face et cell zones associé avec un écouelemnt tubulaire et un orifice intérieur..

inlet

outlet

wall

orifice(interior)

Orifice_plate and orifice_plate-shadow

Fluid (cell zone)

Default-interior est une zone de cellules internes (pas utilisée).

Taille d’un maillage et unités

Toutes les dimensions sont supposées être initiallement en mètres. Affecter une échelle en conséquence.

Toutes les autres quantitées peuvent être mises à l’échelle indépendamment des autres unités utilisées.

Par defaut, Fluent est en S.I.

Matériaux et définition des propriétés Les modèles physiques peuvent nécessiter l’introduction de nouveau matériau et de leur

propriété Les “Material properties” sont définies dans le menu Materials.

Single-Phase, Single Species Flows Définis les propriétés de fluides et solides Gaz réel

Ecoulements à espèces multiples

(monophasiques) Mixture Material

Propriétés de mélange définies séparément des propriétés des constituants.

Les propriétés des constituants doivent être définies.. PDF Mixture Material

Tableau de reference des PDF de propriétés.

– Les propriétés de transport du mélange défnies séparément. Les propriétés des constituant sont issues d’un base de données.

Écoulements multiphasiques Définis les propriétés de tous les fluides et solides.

Affectation des materiaux Les matériaux sont “assigned” à des “cell

zone”. La méthode d’assignation dépend des modèles physiques:

Single-Phase, Single Species Flows Assign material to fluid zone(s) in

Fluid Panel. Multiple Species (Single Phase) Flows

Assign mixture material to fluid zones in Species Model Panel or in Pre-PDF.

All fluid zones consist of ‘mixture’. Multiple Phase Flows (Single Species)

Primary and secondary phases selectedin Phases Panel.

from Define menu All fluid zones consist of ‘mixture’.

Post-Processing Il y a de nombreux outils de post-processing. Les fonctions de post-processing s’appliquent souvent aux surfaces.

Les surfaces sont créées automatiquement à partir de zones. Des surfaces agditionnelles peuvent être crées.

Exemple: une Iso-Surface avec une coordonnée constante de maillage peut être créée pour voir ce qu’il se passe au centre du cylindre.

Post-Processing: Valeurs de noeuds Fluent calcule les variables au centre de

chaque cellule Les valeurs de nœud du maillage sont

soit: Calculés comme la moyenne des

cellules voisines Définies explicitement (si disponible)

avec les conditions aux limites. Les valeurs des nœuds sur les surfaces

sont interpolées à partir des nœuds du maillage.

Les fichiers de données conservent: Les données au centre de cellules Les valeurs de nœuds aux frontières

pour les variables primitives. Autoriser Node Values pour interpoler

les données sur les nœuds.

Bilans (reports) “Flux Reports”

Flux net. Taux de transfert de chaleur

total inclu le rayonnement. “Surface Integrals”

Légèrement moins précises sur les surfaces générées par l’utilisateur..

“Volume Integrals”

Examples:

Amélioration du solveur: Adaptation de maillage L’adaptation de maillage rajoute des cellules où il

faut afin de résoudre l’écoulement sans pre-processor.

Fluent s’adapte aux cellules listées dans le registre Les registres peuvent se définir en se basant sur:

Les gradients de variables de l’écoulement ou de variables utilisateurs.

Les isovaleurs de variables de l’écoulement ou de variables utilisateurs.

Toutes les cellules d’une frontière Toutes le cellules d’un région Les volumes de cellules ou les variations de volume y+ dans les cellules proches de parois

Vous pouvez intervenir dans l’adaptation: Combiner des registres d’adaptation Dessiner les contour de la fonction d’adaptation Afficher les cellules devant être adaptées Limiter l’adaptation via la taille de cellule ou le

nombre de cellules:

Améliorations: solveur parallèle Fluent peut tourner sur

plusieurs processeurs Sur une machine parallèle

ou un réseau Le schéma peut être

partitionné automatiquement ou manuellement

Partage de maillage pour un profil d’aile

Conditions aux limites

Définir les conditions aux limites

Afin de définir un problème avec une solution unique, vous devez fournir des informations sur les variables aux frontières du domaine.

Spécifier les flux de masse, qté de mouvement, énergie, etc. dans le domaine.

Définir les conditions aux limites implique: Identifier la position des frontières (e.g., entrées, parois, symmetrie) Donner les information sur ces frontières

Les données dépendent du type de conditions au limites et des modèles employé..

Vous devez connaitre l’information nécessaire aux frontières et positionner ces frontières ou l’information est connue ou peut êtr ecorrectement approchée.

Des mauvaises conditions aux limites ont un impact sur les résultats.

Conditions aux limites disponibles Types de conditions limites pour les External

Faces General: Pressure inlet, Pressure outlet Incompressible: Velocity inlet, Outflow Compressible flows: Mass flow inlet,

Pressure far-field Special: Inlet vent, outlet vent, intake fan,

exhaust fan Other: Wall, Symmetry, Periodic, Axis

Types de conditions limitespour les Cell ‘Boundaries’

Fluide et Solide Types de conditions aux limites Double-

Sided Face ‘Boundaries’ Fan, Interior, Porous Jump, Radiator, Walls

inlet

outlet

wall

interior

Orifice_plate and orifice_plate-shadow

Changer les types de conditions aux limites

Les zones et le type des zones sont initiallement définies dans le préprocesseur.

Afin de changer le type de zone:Define Boundary Conditions... Choisir la zone dans la Zone list.

On peut aussi selectionner la zone avec un clic-droit de la souris

Choisir le nouveau type dans la Type list.

Régler les données de conditions aux limites Explicitement affecter des données aux BC.

Pour rêgler les BC d’une zone: choisir zone dans Zone list. Click Set... button

Les données de BC peuvent être copiées d’une zone à l’autre

Les données de BC peuvent être sauvegardées dans un fichier.

file write-bc and file read-bc Les BC peuvent être définies par des UDFs et

Profiles. Les Profiles peuvent être généré en:

Ecrivant un profil à partir d’un autre solveur. Créant un fichier de données appropriées (exp.

par ex.).

Velocity Inlet

Spécifier la vitesse par: Magnitude, Normale à la frontière Les composants Magnitude et Direction

Le profil de vitesse est uniforme par défaut Pour les écoulements incompressibles.

La pression statique s’ajuste afin de

correspondre à celle de la vitesse demandée.. Les propriétés globales (stagnation) varient aussi.

Peut être utilisée comme condition de sortie si une vitesse négative est spécifiée.

Attention la conservtion de la masse doit être vérifiée si plusieurs entrées sont utilisées.

Pressure Inlet(1) Spécifier:

Total Gauge Pression Définie l’énergie de l’écoulement. Sert de pression de référence (static

gauge) dans les cas de backflow. Direction du back flow déterminé à

partir de la solution intérieure. Static Gauge Pression

Pression statique où l’écoulement est localement supersonique: ignorée si subsonic

Sera utilisée si l’écoulement est initialisé à partir de cette frontière.

Temperature Totale Utilisée comme température statique

dans les écoulements incompressibles Direction de l’écoulement entrant

21(1 )

2total static

kT T M

2 /( 1), ,

1(1 )

2k k

total abs static abs

kp p M

2

2

1vpp statictotal Incompressible flows:

Compressible flows:

Pressure Inlet (2)

Note: Gauge pressure : (differentiel de pression). La pression “operating” se rêgle dans: Define Operating Conditions

Utilisable avec les écoulements compressible ou incompressible. Pressure inlet boundary comme une transition d’une condition de stagnation

à une condition d’entrée. Fluent calcule la pression statique et la vitesse à l’entrée Le flux de masse traversant la frontière varie en fonction de la solution dans

le domaine et de la direction de l’écoulement qui est spécifiée. Peut être utilisé comme frontière libre dans un écoulement externe ou

non-confiné.

operatinggaugeabsolute ppp

Pressure Outlet Spécifie un niveau statique de pression

Interprété comme la pression statique de l’environnement extérieur

Backflow Peut arriver dans les pressure outlet en cours de calcul ou comme solution

finale. La direction du backflow est supposée normale à la frontière. Les données de backflow doivent être posées pour toutes les variables. Plus elles sont réalistes moins la convergence est difficile.

Utilisable avec les écoulements compressible ou incompressible La pression est ignorée si l’écoulement est localement supersonique.

Peut être utilisé comme frontière libre dans un écoulement externe ou non-confiné

Outflow Pas d’info sur la pression ni sur la vitesse n’est nécessaire

Les données à la sortie son extrapolées à partir des données internes. Des corrections de conservation de masse peuvent être appliquée.

L’écoulement “sortant” d’une sortie a un flux diffusif nul pour toutes les variables.

Approprié quand l’écoulement sortant est proche d’un condition développée.

Prévu pour les écoulements incompressibles. Ne peut être utilisé avec une Pressure Inlet; doit être velocity inlet. Ne peut être utilisé pour un écoulement instationnaire compressible.

Mauvais taux de convergence pour le backflow. Ne peut être utilisé si un backflow est attendu dans la solution finale.

Conditions de paroi

Limite fluide/solide. Avec les écoulements visqueux, conditions de non glissement à la paroi

enforced at walls: Vitesse tangentielle de fluideégale à la vitesse de la paroi. Composante normale de vitesse = 0 Le cisaillement peut être spécifié.

Conditions thermiques: Plusieurs possibilités Le matériau du mur et son épaisseur peuvent être définis pour des caclus de transferts

conductifs 1D. La rugosité du mur peut être définie pour les écouelements turbulents

Une vitesse de translation ou de rotation peut être affectée au mur

Frontières de symétrie et axes Condition de symétrie

Utilisé pour réduire le temps de calcul. Pas d’entrée nécessaire L’écoulement et la géométrie doivent être symétriques:

Vitesse normale nulle sur le plan de symétrie. Gradient de toute variable nulle sur le plan de symétrie. Attention à définir correctement les conditions de

symétrie. Peut être utilisé pour le murs glissants dans les

écoulements visqueux. Axe frontière

Utilisé comme axe centraldans les problèmes axisymétrique

Pas d’entrée nécessaire

symmetry planes

Conditions périodiques Utiliser pour diminuer les temps et

difficultés de calcul L’écoulement et la géométrie doivent

être périodiques en translation ou rotation. Pour des conditions limites périodiques

en rotation: p = 0 au travers les plans périodiques. Un axe de rotation doit être défini dans la

zone fluide. Pour des conditions limites périodique de

translation: p peut être défini par plan périodique

Specifier un p moyen par période ou par flux massique net.

Les conditions périodiques définies dans Gambit le sont en translation

Translationally periodic planes

2D tube heat exchanger

flow

Rotationally periodic planes

Cell Zones: Fluide zone fluide= groupe de cellule pour lesquelles toutes les équations actives

sont résolues. Les données des fluides sont nécessaires

Espèce, phase Des entrées optionelles permettent

d’implémenter des termes sources: Masse, quantité de mouvement,

énergie, etc. Définir une zone fluide comme laminaire

si l’écoulement est transitionnaire. On peut définir la zone comme un milieu poreux. Il faut définir un axe de rotation pour les écouelements rotatifs périodique. On peut définir un mouvement pour les zones fluides.

Cell Zones: Solide “Solid” zone = groupe de cellules pour lesquelles

seul le transfert de chaleur est résolu. Pas d’équation pour un écoulement Le matériau traité comme solide peut être fluide

mais aucune équation de convection n’est résolue. La seule entrée nécessaire est le type de matériau Des entrées optionnelles permettent de définir une

production thermique volumique (heat source). Il faut spécifier un axe de rotation si des

conditions aux limites périodiques en rotation sont appliquées.

Il est possible de définir un mouvement des zones solides

Réglage du solveur

Modify solution parameters or grid

NoYes

No

Set the solution parameters

Initialize the solution

Enable the solution monitors of interest

Calculate a solution

Check for convergence

Check for accuracy

Stop

Yes

Prodédure de simulation Paramètres de la solution

Choisir le solveur Schéma de discrétisation

Initialisation Convergence

Suivi de la Convergence Stabilité

Régler la Under-relaxation Fixer le Courant number

Accélérer la Convergence Précision

Independence de maillage Adaption

Choisir un solveur Les choix sont: Coupled-Implicit, Coupled-Explicit, ou Segregated (Implicite) Les Coupled solvers sont recommandés si une forte inter-dépendance existe

entre la densité, l’énergie, les moments, et/ou les espèces. e.g., écoulement compressible a haute vitesse ou les écoulements réactifs. En général, le solveur Coupled-Implicit est recommandé par rapport au solveur

coupled-explicit. Temps nécessaire: Le solveur implicite est 2 fois plus rapide (en gros). Mémoire nécessaire: Le solveur implicite nécessite deux fois plus de mémoire que les

solveurs coupled-explicit ou segregated-implicit! Le solveur Coupled-Explicit doit être utilisé uniquement pour les écoulements

instationnaires quand le temps caractéristique du problème est du même ordre que les phénomènes acoustiques.

e.g., suivi d’onde de choc Le solveur Segregated (implicit) est préférable dans tous les autres cas.

Nécessite moins de mémoire que le solveur coupled-implicit L’approche Segregated offre de la flexibilité dans le traitement de la solution.

Discrétisation (Méthodes d’interpolation) Les variables (stockées au centre des cellules) doivent être interpolées

aux faces des volumes de contrôle:

FLUENT propose de nombreux schéma d’interpolation: First-Order Upwind Scheme

Facile à converger mais seulement au premier ordre. Power Law Scheme

Plus précis que le premier ordre quand Recell< 5 (typ. Éclt. Bas Reynolds).

Second-Order Upwind Scheme Utilise des plus grands ‘stencil’ pour une précision au 2ème ordre, essentiel

avec tri/tet maillage ou quand l’écoulement n’est pas aligné avec le maillage. Quadratic Upwind Interpolation (QUICK)

Appliquer avec maillage quad/hex et hybrides (pas aux tri), utile pour les écouelements rotating/swirling, précis à l’ordre 3 sur un maillage régulier.

VSAAVVt f

facesfff

facesfff

ttt

,)(

)()(

Méthodes d’interpolation pour la pression Des options supplémentaires sont disponibles pour calculer la pression aux faces en

utilisant le solveur “segregated”. Schémas d’interpolation pour les pressions aux faces:

Standard Schéma par défaut; précision réduite pour les écoulements avec de forts gradient de

pression normaux à la surface près des frontières. Linear

A utiliser quand les autres options ont des difficultés de convergence ou des comportements non-physique.

Second-Order À utiliser pour les écoulements compressibles; ne pas utiliser dans les matériau

poreux, discontinuités, turbines ou méthodes VOF. Body Force Weighted

A utiliser quand les forces de gravité sont importantes, e.g., convection naturelle à Ra élevé ou écoulements fortement swirlés.

PRESTO! À utiliser avec les écoulements swirlés, les milieux poreux ou les domaines

fortement courbés.

Couplage pression vitesse Le couplage pression-vitesse se réfère à la manière dont la

conservation de la masse est prise en compte quand on utilise le « segregated solver ».

Trois méthode possibles: SIMPLE

Schéma par défaut, robuste SIMPLEC

Convergence plus rapide pour les problèmes simples (par exemple des écouelemnts laminaires sans modèles physiques).

PISO Utile pour les écoulements instationnaires ou pour les schémas contentant

des cellueles avec des skews plus élevé que la moyenne.

Initialisation La procédure d’itération nécessite que toutes les variables soient initialisées

avant le démarrage du calcul.

Solve Initialize Initialize... Une initialisation “réaliste” améliore la stabilité et la vitesse de convergence.. Dans certain cas, une solution initiale correcte est nécessaire:

Exemple: le champ de température permettant l’initialisation d’une réaction chimique.

“Patch” des valeurs pour des variables individuelles dans certaines régions.

Solve Initialize Patch... Jets libres

(patch des hautes vitesses pour le jet) Problèmes de combustion

(patch des hautes températures pour

l’allumage)

Convergence (Introduction): Residus L’équation de transport de se présente simplement:

Les coefficients ap, anb dépendent de la solution. Les coefficients sont mis à jour à chaque itération.

Au début de chaque itération, l’égalité est fausse. Le décalage est appelé le residual, Rp, avec:

Rp doit devenir négligeable au fur et à mesure des itérations. Les résidus que vous suivez sont sommés sur toutes les cellules:

Par défaut, ils sont dimensionnés. Vous pouvez aussi normaliser les résultats.

Les résidus suivis pour le solveur couplé sont basés sur la rms du taux d’évolution temporelle de la variable conservative.

Seulement pour les équations couplées; des équations scalaires supplémentaire utilisent la définition “segregated”.

pnb

nbnbpp baa

pnb

nbnbppp baaR

||cells

pRR

Convergence A la convergence:

Toutes les équations de conservation discrétisées (momentum, energy, etc.) se conforment dans chaque cellule à une tolérance spécifiée.

La solution ne change plus avec le temps. Respect de la conservation de la masse, de l’énergie et des espèces.

Suivre la convergence avec les résidus: EN gnéral, une décroissance d’un ordre 3 en magnitude des résidus

inique une convergence au moins qualitative. Les caractéristiques principales de l’écoulement sont établies.

Le résidu de l’énergie doit atteindre 10-6 pour un segregated solveur. Les résidus des espèces doivent atteindre 10-5 afin d’obtenir la

conservation. Suivre la convergence quantitativement:

Suivre d’autres variables. S’assurer de la conservation de certaines quantités.

Suivi de la convergence: Residus Le tracé des résidus montre quand ceux ci atteignent le seuil de

toléranceSolve Monitors Residual...

All equations converged.

10-3

10-6

Suivi de la convergence: Forces/Surfaces En plus des résidus, vous pouvez aussi suivre:

Lift, drag, or moment

Solve Monitors Force... Des variables ou fonctions (e.g., surface integrals)

a une frontière ou n’importe quelle surface définie:

Solve Monitors Surface...

Verifier la conservation des propriétés

En plus du suivi des résidus et de l’historuque des variables, vous devez aussi verifier la conservation de la masse et de l’énergie.

A un minimum, le déséquilibre doit être moins de 1% des plus faibles flux aux travers la frontière du domaine.

Report Fluxes...

Diminuer la tolérance de convergence Si vos moniteurs indiquent que la solution est convergée, mais la

solution changent toujours ou a un déséquilibre de masse ou d’énergie!

Réduire le critère de convergence

ou désactiver “Check Convergence”. Alors calculer jusqu’à ce que

la solution converge.

Continuity equation convergencetrouble affects convergence ofall equations.

Difficulté de convergence Des instabilités numériques peuvent apparaître avec: une problèm mal

posé, un mauvais maillage et/ou un mauvais réglage du solveur. Détecté par des résidus qui augmentent ou restent « bloqué » Une divergence des résidus implique un déséquilibre dans les équations de

conservation. Attention aux résultats non convergés!

Solutions possibles: Vérifier que le problème est bien posé. Calculer une première solution avec un schéma à l’ordre 1. Diminuer la sous-relaxation pour les équations ayant des problèmes de

convergence (segregated). Réduire le nombre de Courrant (coupled). Remailler ou raffiner le maillage.

Modifier les facteurs de sous-relaxation

Le facteur de sous-relaxation, , ets utilisé pour stabiliser le processus itératif du segregated solver.

Utiliser les facteurs par défautsSolve Controls Solution...

Diminuer la relaxation pour les momentum aide à converger.

Les réglages par défaut sont raides mais conviennent dans la majorité des cas.

Les réglages appropriés sont connus via les test et l’expérience.

poldpp ,

Pour les coupled solvers, les facteurs de sous-relaxation pour les équations “or couplage” sont modifiées comme pour le segregated solver.

Merci de votre attention