CFX Intro 14 0 L11 Transient

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

1

Release 14.0

14. 0 Release

Introduction to ANSYS
CFX

Lecture 11
Transient Flows

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

2

Release 14.0

Introduction

Lecture Theme:

Performing a transient calculation is in some ways similar to performing a steady 
state calculation, but there are additional considerations.  More data is generated 
and extra inputs are required.  This lecture will explain these inputs and describe 
transient data post‐processing 

Learning Aims – you will learn:

How to set up and run transient calculations

How to choose the appropriate time step size for your calculation

How to post‐process transient data and make animations

Learning Objectives:

Transient flow calculations are becoming increasingly common due to advances in 
high performance computing (HPC) and reductions in hardware costs.  You will 
understand what transient calculations involve and be able to perform them with 
confidence

Introduction

Initialization

Solver

Output File

Summary

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

3

Release 14.0

Outline

Motivation

Setup

Time step estimation

Output

Introduction

Motivation

Setup

Time Steps

Output

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

4

Release 14.0

Motivation

Nearly all flows in nature are transient!

Steady‐state assumption is possible if we:
• Ignore unsteady fluctuations
• Employ ensemble/time‐averaging to remove unsteadiness (this is what is done 

in modeling turbulence)

In CFD, steady‐state methods are preferred

Lower computational cost

Easier to postprocess and analyze

Many applications require resolution of transient flow:

Aerodynamics (aircraft, land vehicles,etc.) – vortex shedding

Rotating Machinery – rotor/stator interaction, stall, surge

Multiphase Flows – free surfaces, bubble dynamics

Deforming Domains – in‐cylinder combustion, store separation

Unsteady Heat Transfer – transient heating and cooling

Many more

Introduction

Motivation

Setup

Time Steps

Output

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

5

Release 14.0

Origins of Transient Flow

Natural unsteadiness

Unsteady flow due to growth of instabilities within the fluid or a non‐equilibrium 
initial fluid state

Examples: natural convection flows, turbulent eddies of all scales, fluid waves 
(gravity waves, shock waves)

Forced unsteadiness

Time‐dependent boundary conditions, source terms drive the unsteady flow field

Examples: pulsing flow in a nozzle, rotor‐stator interaction in a turbine stage

Introduction

Motivation

Setup

Time Steps

Output

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

6

Release 14.0

Transient CFD Analysis

Simulate a transient flow field over a specified time period

Solution may approach:
• Steady‐state solution – Flow variables stop changing with time
• Time‐periodic solution – Flow variables fluctuate with repeating pattern

Your goal may also be simply to analyze the flow over a prescribed time interval.
• Free surface flows
• Moving shock waves
• Etc.

Extract quantities of interest

Natural frequencies (e.g. Strouhal Number)

Time‐averaged and/or RMS values

Time‐related parameters (e.g. time required to cool a hot solid, residence time of 
a pollutant)

Spectral data – fast Fourier transform (FFT)

Introduction

Motivation

Setup

Time Steps

Output

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

7

Release 14.0

How to Solve a Transient Case

Transient simulations are solved by 
computing a solution for many 
discrete points in time

At each time point we must iterate 
to the solution

20

Timestep = 2 s

Initial Time = 0 s

Total Time = 20 s

Coefficient Loops = 5

2

4 6 8 10 12 14 16 18

Time (seconds)

5 coefficient
Loops

Introduction

Motivation

Setup

Time Steps

Output

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

8

Release 14.0

How to Solve a Transient Case

Similar setup to steady state

The general workflow is:

Set the Analysis Type to Transient

Specify the transient time duration to solve and the time step size

Set up physical models and boundary conditions as usual
• Boundary conditions may change with time

Prescribe initial conditions
• Best to use a physically realistic initial condition, such as a steady solution

Assign solver settings

Configure transient results files, transient statistics, monitor points

Run the solver

Introduction

Motivation

Setup

Time Steps

Output

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

9

Release 14.0

Analysis Type

Edit ‘Analysis Type’ in the Outline tree and set the Option to ‘Transient’

Introduction

Motivation

Setup

Time Steps

Output

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

10

Release 14.0

Time Duration and Time Step

Set the Time Duration

This controls when the simulation will end

Options are:

Total Time
• When restarting, this time carries over

Time per Run
• Ignores any time completed in previous runs

Maximum number of Timesteps
• The number of timesteps to perform, including 

any completed in previous runs

Number of Timesteps per Run
• For this run only. Ignores previously completed 

timesteps

Introduction

Motivation

Setup

Time Steps

Output

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

11

Release 14.0

Time Duration and Time Step

Set the Time Step size

This controls the spacing in time between the 
solutions points

Options are:

Timesteps / Timesteps for the Run
• Various formats accepted, e.g.
• 0.001
• 0.001, 0.002, 0.002, 0.003
• 5*0.001, 10*0.05, 20*0.06

Adaptive
• Timestep size will change dynamically within 

specified limits depending on specified 
convergence criteria or Courant number

Introduction

Motivation

Setup

Time Steps

Output

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

12

Release 14.0

Time Duration and Time Step

The Time Step size is an important parameter in transient simulations

It must be small enough to resolve time‐dependent features

True solution

Time

Variable of
interest

t

Time

Variable of
interest

t

Time step too large to resolve transient
changes. Note the solution points generally
will not lie on the true solution because the
true behaviour has not been resolved.

A smaller time step can
resolve the true solution

Introduction

Motivation

Setup

Time Steps

Output

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

13

Release 14.0

Time Duration and Time Step

…and it must be small enough to maintain solver stability

The quantity of interest may be changing very slowly (e.g. temperature in a solid), 
but you may not be able to use a large timestep if other quantities (e.g. velocity) 
have smaller timescales

The Courant Number is often used to estimate a time step:

This gives the number of mesh elements the fluid passes through in one timestep

Typical values are 2 – 10, but in some cases higher values are acceptable

The average and maximum Courant number is reported in the Solver out file each 
timestep

A smaller timestep will typically improve convergence

Size

Element

Velocity

Number

Courant

t

Introduction

Motivation

Setup

Time Steps

Output

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

14

Release 14.0

Boundary Conditions

If required, boundary conditions can be functions of time instead of constant 
values

Velocities, Mass flows, pressure conditions, temperatures, etc. can all be expressed 
as functions

In CEL expressions use “t” or “Time”

Can read in time varying experimental data through User FORTRAN

Introduction

Motivation

Setup

Time Steps

Output

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

15

Release 14.0

Initialization

Physically realistic initial conditions 
should be used

A converged steady state solution is often 
used as the starting point

If a transient simulation is started from 
an approximate initial guess, the early 
timesteps will not be accurate

The first few timesteps may not 
converge

A smaller time step may be needed 
initially to maintain solver stability

For cyclic behavior the first few cycles 
can be ignored until a repeatable 
pattern is obtained

2

4 6 8 10 12 14 16

Time (seconds)

Residuals

Introduction

Motivation

Setup

Time Steps

Output

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

16

Release 14.0

Solver Control

The transient scheme defines the numerical 

algorithm for the transient term

Two implicit time‐stepping schemes are 

available:

First Order Backward Euler  (more stable)

Second Order Backward Euler (more accurate)

The default Second Order Backward Euler 

scheme is generally recommended for most 

transient runs

Timestep Initialisation controls the way the 

previous timestep is used as the starting 

point for the next timestep

Can use the last solution “as is”

Or the solver can extrapolate the previous 

solution to try to provide a better starting point
• Not recommended at high Courant numbers

Automatic (default) switches between the two 

depending on the Courant number

Introduction

Motivation

Setup

Time Steps

Output

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

17

Release 14.0

Solver Control

The Min. and Max. Coeff. Loops set limits on 

the number of iteratins to use within each 

timestep

Should aim to converge each timestep within 

about 3‐5 loops

Complex physics may need more loops

If convergence is not achieved in the 

maximum number of loops, it is generally 

better to reduce the timestep size rather than 

increase the number of loops

The solution will proceed to the next timestep
regardless of whether the convergence criteria 
was met

Important to monitor the solution

Introduction

Motivation

Setup

Time Steps

Output

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

18

Release 14.0

Output Control

Transient Results

By default only a final res file is written
• No information about the transient solution

Need to define the Transient Results under 

Output Control

Transient Results Option

Standard
• Like a full results file
• Can take up a lot of disk space

Smallest
• Writes the smallest file which can still be used 

for a restart (still quite large)

Selected Variables
• Pick only the variables of interest to give 

smaller files

Output Frequency

Controls how often results are written

Introduction

Motivation

Setup

Time Steps

Output

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

19

Release 14.0

Output Control

Transient Statistics

Used to generate running statistics for solution 

variables

Arithmetic Average, RMS, Minimum, 

Maximum, Standard Deviation and Full 

(everything) are available options

Pick the variables of interest

Start and Stop Iteration List defines when to 

begin and end collecting the statistics

Introduction

Motivation

Setup

Time Steps

Output

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

20

Release 14.0

Output Control

Monitor Points are generally used as in 

steady‐state simulations

Monitor Coefficient Loop Convergence 

creates monitor history for each iteration 

within a timestep

Useful to see if quantities of interest are 

converging within a timestep

By default only the monitor values from the end 

of the timestep are displayed

Tip: Monitoring an expression will create a 

transient history chart in the Solver Manager.  

This can be easier than creating the chart 

from transient results files after‐the‐fact, and 

it doesn’t require transient results files to be 

written

Introduction

Motivation

Setup

Time Steps

Output

background image

© 2011 ANSYS, Inc.

January 16, 2012

21

Release 14.0

Solver Output

Output differs from steady 

state in that each time step 

now contains coefficient loop 

output onitor Points are 

generally used as in steady‐

state simulations

Courant number information 

shown at the start of each 

timestep

Make sure convergence has 

been achieved by the end of 

the timestep by monitoring the 

RMS and MAX residual plots

Introduction

Motivation

Setup

Time Steps

Output


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:

więcej podobnych podstron