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2015产品创新数字化征文:FDS网格敏感性分析与研究进展

2015/11/11    来源:e-works    作者:徐鹏辉      
关键字:性能化设计  FDS  网格独立性分析  
本文简要介绍了FDS网格敏感性分析的基本概念、研究意义与方法,并综述国内外网格敏感性的研究进展。通过对网格敏感性分析的探讨和研究,以求对FDS在火灾安全和性能化设计中的应用有科学的认识,为软件的正确使用提供参考。

1 概述

    火灾动力学模型FDS(Fire Dynamics Simulator)是美国国家标准和技术研究所(National Institute of Standards and Technology,NIST)开发的基于场模拟的火灾动力学模拟软件,主要应用于火灾烟气的运动预测与分析,在火灾安全工程和消防工程领域应用广泛。

    FDS软件模型的核心算法是大涡模拟技术(LES),控制方程采用时间和空间上的二阶离散精度。网格作为计算的最小单元,计算域网格划分的大小和方式直接关系着计算结果的正确性和精度。为了获取与真实物理实验吻合的最佳数值模拟结果,对FDS计算模型进行网格敏感性分析,得出网格独立性解,在国内外学术界受到的普遍关注和高度重视。

2 网格敏感性分析的介绍

    随着先进的网格技术和计算方法的发展,CFD技术被广泛应用于模拟各种真实的复杂流动。FDS是基于CFD技术的场模拟软件。长期以来,FDS模拟者与火灾工程师们一直非常重视对FDS软件的验证和确认工作,来提高计算结果的可信度。网格敏感性分析是FDS可信度研究的重要组成部分,可以定性甚至定量地考虑数值模拟的计算精度,评价模型问题和物理真实问题的逼近程度,对数值结果的可信度做出判断。

2.1网格敏感性分析的基本概念

    在数值计算中,网格敏感性分析是研究网格质量对计算的精度和效率的影响。网格质量的优劣直接关系到计算结果的精度的高低和计算时间的花费。网格敏感性分析作为FDS验证与确认过程的重要环节,可以准确地预测真实物理问题,降低设计的成本和时间,同时也可以验证试验结果的正确性和可靠性,为设计提供有力的参考。

2.2网格敏感性分析的必要性

    在FDS模拟的过程中,不同的物理问题对计算结果的要求也存在着差异。在数据输入阶段的主要工作是确定计算域和网格划分的设计,其后需要考虑如何获取成功模拟结果。模拟的结果需要考虑迭代的收敛性和网格独立性。软件求解的过程也要考虑模拟结果的准确性和计算时间之间的平衡。由于这些问题往往与具体的物理问题的类型有关,因此难以给出一般性的建议,计算结果的优化需要大量的经验。

    网格作为计算的最小单元,网格的大小是数值模型的重要参数,因为它决定离散方程的空间和时间的精度。FDS采用时间和空间上的二阶离散精度,这就意味着计算网格每缩小1倍,控制方程的离散误差将减小4倍,每次仿真所需要的计算时间将增加为原来的16倍(三维问题)。因为控制方程的非线性化,控制方程离散误差减小不一定能导致FDS输出变量的误差的合理减小。为了寻求误差存在的影响因素往往需要更精细的网格模型。FDS使用者要进行某种形式的网格敏感性分析来优化网格,直到关键的结果不再变化为止,这样的结果即为网格独立性解。所有高质量的CFD研究都要系统的研究与网格无关的解,因此,对一个具体问题的模拟过程进行网格敏感性分析是必要的,能保证数值解的网格独立性,减少计算时间花费。

图1 FDS计算流程图

图1 FDS计算流程图

2.3网格敏感性分析的方法

    每一种数值方法都有其自身的误差特性,进行网格敏感性分析是减小误差,提高计算精度的重要途径。一般方法是通过不断的细化网格,在工程允许的误差范围内数值解已经几乎不再发生变化,即认为解为网格独立性解。

    对于所研究的问题可分为两类:(1)对未知的现象进行预测;(2)对已知试验结果并进行验证。前者通过细化网格,直至找到网格独立解作为判断结果可信度的标准,在这种没有试验为前提计算中,计算的结果依赖于①以往的同类试验;②以此类问题类似的解析解和经验公式比较;③相关文献资料中报道的高质量结果对比。后者则一般认为与实验结果吻合即为网格独立解,并非真正意义上的网格独立。一个成功的FDS应用最重要的还要依赖于软件使用者的经验、对物理问题内在规律的认识以及数值方法原理的透彻理解。这些都是好的FDS数值结果的保证,也是本文阐述网格独立性分析的意义所在。

责任编辑:吴星星
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