非定常流体的瞬态动力学CFD分析
工程上，有大量的非定常流体问题无法简单地通过稳态方法来求解。非定常流动主要由两种因素产生，一种是由于流体内部不稳定因素或初始流体状态的非平衡状态，如各种尺度的湍流旋涡，激波，对流等。另一种是由于变换的边界条件或者源项，如脉动流，旋转机械的定转子转动。对于这些非定常流动，就必须通过瞬态的分析方法来了解流体及其固体接触表面的状态。
瞬态分析由于计算多个步长下的流场，计算量会随着模拟的时间长短线性增长。数值上，常用的方法是在每一个时间步长下，计算一个短时间内的稳态，并将这个稳态的计算结果，作为初始条件带入到下一个时间步长的计算中。根据不同的时间求解器，时间步长的选择略有不同，通常隐式求解器的时间步长可以设置的比显式求解器的时间步大。著名的开源多物理场求解器SU2已经被证明可以很好地求解瞬态CFD问题，WELSIM也在2023R3中增加了SU2的支持，详情参见《使用WELSIM生成SU2求解器文件》一文。
瞬态CFD分析的步骤
下面通过实例，演示如何进行瞬态CFD分析。
1. 以二维模型为例，打开WELSIM后，新建一个项目，并将模型设置为2维的流体瞬态模型。
2. 导入几何模型。
3. 划分网格，将最大单元尺寸设置为0.03m。
4. 设置求解的时间步为0.0005秒，总共运行0.6秒。
5. 求解器使用SU2。
6. 控制方程使用可压缩流体的RANS，湍流模型选用Spalart-Allmaras。
7. 设置求解器的相关参数。
8. 设置自由流场区域条件。其中，马赫数为0.3，攻角17度。常温常压。雷诺数为1000。
9. 设置远场边界条件。
10. 设置热流边界条件，数值为零，无热对流。
点击计算按钮，由于是瞬态计算，根据网格密度和时长，需要较长的物理计算时间。计算完成后添加马赫数结果节点，并显示结果云图。下图分别显示流场在0.027秒和0.597秒时的马赫数。
本算例的计算结果视频如下。
同时，本算例加入了WELSIM的自动化回归测试库，能够有益于求解器和前端软件的长期维护。测试文件已经开源并分享在GitHub上。地址如下：
https://github.com/WelSimLLC/WelSimAutoTests
WELSIM对SU2命令的支持
SU2的控制文件是主要的求解器输入文件，目前WELSIM作为前处理器已经支持了大量核心命令。SU2的7.5.1版本共含有671个控制命令，WELSIM已经支持了134个命令，占全部命令的20%。已经支持的命令列举如下。
SOLVER
MATH_PROBLEM
KIND_TURB_MODEL
KIND_TRANS_MODEL
BODY_FORCE
BODY_FORCE_VECTOR
RESTART_SOL
FLUID_MODEL
SPECIFIC_HEAT_CP
VISCOSITY_MODEL
MU_CONSTANT
CONDUCTIVITY_MODEL
THERMAL_CONDUCTIVITY_CONSTANT
REYNOLDS_NUMBER
REYNOLDS_LENGTH
PRANDTL_LAM
PRANDTL_TURB
MACH_NUMBER
INIT_OPTION
FREESTREAM_OPTION
FREESTREAM_PRESSURE
FREESTREAM_DENSITY
FREESTREAM_TEMPERATURE
FREESTREAM_TEMPERATURE_VE
INC_DENSITY_MODEL
INC_ENERGY_EQUATION
INC_DENSITY_INIT
INC_VELOCITY_INIT
INC_TEMPERATURE_INIT
FREESTREAM_VELOCITY
FREESTREAM_VISCOSITY
FREESTREAM_INTERMITTENCY
FREESTREAM_TURBULENCEINTENSITY
FREESTREAM_NU_FACTOR
SIDESLIP_ANGLE
AOA
REF_ORIGIN_MOMENT_X
REF_ORIGIN_MOMENT_Y
REF_ORIGIN_MOMENT_Z
REF_AREA
REF_LENGTH
REF_DIMENSIONALIZATION
MARKER_PLOTTING
MARKER_MONITORING
MARKER_ANALYZE
MARKER_DESIGNING
MARKER_EULER
MARKER_FAR
MARKER_SYM
MARKER_NEARFIELD
INLET_TYPE
INC_INLET_TYPE
MARKER_INLET
MARKER_INLET_SPECIES
MARKER_INLET_TURBULENT
MARKER_SUPERSONIC_INLET
MARKER_SUPERSONIC_OUTLET
MARKER_OUTLET
INC_OUTLET_TYPE
MARKER_ISOTHERMAL
MARKER_HEATFLUX
MARKER_HEATTRANSFER
MARKER_PRESSURE
MARKER_DAMPER
TIME_MARCHING
CFL_NUMBER
CFL_ADAPT
CFL_ADAPT_PARAM
RK_ALPHA_COEFF
TIME_DISCRE_FLOW
TIME_DISCRE_FEM_FLOW
TIME_DISCRE_ADJFLOW
TIME_DISCRE_TURB
LINEAR_SOLVER
LINEAR_SOLVER_PREC
LINEAR_SOLVER_ERROR
LINEAR_SOLVER_ITER
CONV_RESIDUAL_MINVAL
CONV_STARTITER
CONV_CAUCHY_ELEMS
CONV_CAUCHY_EPS
CONV_FIELD
MGLEVEL
MGCYCLE
MG_PRE_SMOOTH
MG_POST_SMOOTH
MG_CORRECTION_SMOOTH
MG_DAMP_RESTRICTION
MG_DAMP_PROLONGATION
NUM_METHOD_GRAD
NUM_METHOD_GRAD_RECON
VENKAT_LIMITER_COEFF
ADJ_SHARP_LIMITER_COEFF
CONV_NUM_METHOD_FLOW
MUSCL_FLOW
SLOPE_LIMITER_FLOW
JST_SENSOR_COEFF
LAX_SENSOR_COEFF
CONV_NUM_METHOD_ADJFLOW
MUSCL_ADJFLOW
SLOPE_LIMITER_ADJFLOW
MESH_FORMAT
MESH_FILENAME
MESH_OUT_FILENAME
CONV_FILENAME
SOLUTION_FILENAME
SOLUTION_ADJ_FILENAME
RESTART_FILENAME
RESTART_ADJ_FILENAME
VOLUME_FILENAME
VOLUME_ADJ_FILENAME
GRAD_OBJFUNC_FILENAME
VALUE_OBJFUNC_FILENAME
SURFACE_FILENAME
SURFACE_ADJ_FILENAME
SURFACE_SENS_FILENAME
VOLUME_SENS_FILENAME
TIME_DOMAIN
TIME_ITER
ITER
RESTART_ITER
TIME_STEP
SCREEN_OUTPUT
HISTORY_OUTPUT
VOLUME_OUTPUT
OUTPUT_WRT_FREQ
OUTPUT_FILES
总结
SU2是一款性能优异且协议友好的开源CFD求解器，可以快速的计算含有湍流的瞬态流体问题。同时，得益与友好的图形化界面，WELSIM令SU2的使用变得简单。WELSIM既可以无缝调用SU2进行求解并显示结果，也可以只生成用户所需的SU2计算输入文件。当前，WELSIM是世界上对SU2支持最好的前后处理软件。
