FloEFD培训讲义(全套)

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..EFD培训讲义 Lecture 1 - EFD介绍 Lecture 2 - 向导 Lecture 3 - 边界条件&初始条件 Lecture 4 - 目标设定&其它条件 Lecture 5 - 项目建立 Lecture 6 - 计算域&求解 Lecture 7 - 获取结果 Lecture 8 – 计算网格Lecture 1 EFD介绍12..What is EFD? Engineering Fluid Dynamics (EFD)工程流体动力学EFD product line b: 通用的流动与换热动分析软件 EFD.Pro: 完全集成于 Pro/ENGINEER中的 b版本 EFD.V5:完全集成于CATIA V5中的 b版本 高级而又灵活易用的流体流动与换 热分析软件.34..却与传统 CFD不同! EFD软件“讲述”工程师的语言，允许用户关注于工程设 计任务。 NIKA的EFD替用户封装了复杂的数学/数值算法以及流 体动力学方程. 专业的分析专家，在此并非必要! b采用有限体积方法求解控制方程 Finite Volume (FV) Method，网格在一空间 立方体区域内采用笛卡尔坐标进行离散。56NIKA GmbH 1

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..Analysis Type Internal flows为内流分析， 比如管内流动，容器内流动 ，建筑物内流动等. External flows 为外流分析 ，如绕飞机，绕汽车，绕建 筑物流动等.Analysis Type Options Exclude internal spaces. – 对于分析中有内部封闭区域的时候使用该选项的话 将意味着您对此封闭区域将做排除于分析处理。. Exclude cavities without flow conditions. – 该选项应用于内流分析或者是外流分析。该选项对 于封闭的内部空间且曲面上不带有边界条件或者是 风扇的情况下是很有用的。 如果您选择上面两个中任意一个选项，那么EFD将用 solid充满空间.78..Heat Conduction in Solids 导热 材料 初始温度Surface-to-surface Radiation 求解包括固体间换热的情况。 固体温度很高且/或气体稀疏。 与对流换热相比，固体表面之间的辐射换热更 为显著。910..Satellite exposure to sun radiationTrajectory 卫星模型 Satellite 热源 1.5 kW ShadowTime - Dependent Analysis 稳态分析Ro卫星材料 – Aluminum 发射系数 = 0.7 Re= 6300 km Ro=48000 km 非稳态分析 (瞬态,或者与时间相关)ReSun rays11–初始条件必须准确.12NIKA GmbH 2

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..Fluid Type and Compressibility 气体 / 液体 牛顿 /非牛顿流体 压缩与不可压缩流体 蒸气13不可压缩流体ρ= ρ(T, y), y ρ= ρ(T), µ= µ(T), λ= λ(T), Cp= Cp(T) ρ = ∑ m ρ m m 1可压缩流体对数律:ρ= ρ(T, P) B+P ρ = ρ 0 / 1 C ln B + P0 指数律:理想气体ρ=P RT P+ B ρ = ρ0 P + B 0 1/ ny R = Runiv ∑ MmmM, µ= µ(T), λ= λ(T), Cp= Cp(T)m14..非牛顿流体 能够计算非弹性非牛顿流体的层流. – The Herschel-Bulkley model – The power-law model – The Carreau model压缩流动 如果流体密度与压力相关，那么密度的变化是 比较重要的，则流动被视为可压缩的。 气体一般是可压缩的。 液体可以压缩性的或者是不可压缩的。1516..湍流 湍流一般在整个流场或者是近壁边界层上存在。 如果你没有指定层流或者是湍流，流动可能是层 流、湍流或者是过渡层 (取决于流动特征)。重力影响 包括对于自然对流问题时的重力影响。TVXVY1718NIKA GmbH 3

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..多孔介质四个多孔介质渗透性类别：多孔介质 各向同性 单向性 轴对称性 各向异性多孔介质流动阻力：k = grad (P ) / (ρ V )其中 P- 流体压力, ρ- 流体密度, V- 流体速度多孔介质在EFD中被处理为分布式压阻。Efd允许指定k ：使用如下公式: k = P ·S/(m · L), 其中 S-面积, L-长度, m – 质量流量 k = (A· V+B)/ρ, 其中 A, B – 指定常数 k = µ/(ρ· D2), 其中 D- 参考小孔尺寸, µ- 动力黏度 k = µ/(ρ ·D2)·f(Re)1920..水蒸汽冷凝P 气体包含水蒸汽 预测与流体局部温度与压力相关。饱和曲线 Pmax=10 MPaLG Tmin=283 K T2122..汽化P Pmax=107 Pa L The homogeneous equilibrium cavitation Saturation curve 对于许多工程设备来说一个通常遇到的问题是 主要工质是流体状态。– 流体局部压力可能低于蒸汽 压力。 – 由于强热的影响局部水沸腾G Tmin=277.15 K Tmax=583.15 K T2324NIKA GmbH 4

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..相对湿度压音速高马赫数与超高马赫数超音速 超高音速 相对湿度定义为当前压力和温度下水蒸汽密度 与饱和蒸汽密度之比： =ρH2O/ ρH2O_s · 100%,a h _ f= 3 lp a e 1 .52 1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 X / C 100mz0.08 0.06 0.04 0.02 0 -0.02 -0.04 0 30 60 90 120 150 180 Attack angle (degree) Experiment CalculationρH2O_s – 在指定温度和压力下的饱和水蒸汽密度-1 P( -P q =P a )/ -2 -3 -4 -5 -6 -7exp er i e nta l dat a m Calc ulat i n o2526..EFD in Industry汽车 航空 电子 机械 食物 石油天然气 能源 制冷通风与空调 阀门与灌溉设备 环境 医疗 … and many more!Lecture 2 向导2728..Wizard and Navigator Wizard指引用户step-by-step创建一个新的 项目 。 Navigator允许直接进入 wizard中的对话框.2930NIKA GmbH 5

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.. Navigator面板包含下面的按钮, 该按钮可以直接进入 Wizard中的相关对话框: – 项目配置 – 单位系统 – 分析类型 – 默认流体 – 默认固体 (如果固体间导热选项被开启) – 壁面条件 – 初始条件 (对外部分析而言就是初始与环境条件) – 结果与几何“精度” 如果已经定义好了所有的数据，那么按Finish就可以 创建项目了.31Begin with Wizard 流动分析, 项目, 向导 – Step 1: 项目配置 …32..Step1: Project Configuration Create new：如果你想拷贝当前配置，并且添加一个 新的项目于它. – 输入一个新的 Configuration name. Use current：如果你想用目前的配置添加一新的 EFD项目. – 如果当前配置已经包含了一个项目，那么该项目会 被取代，并且原先里面的所有数据会丢失。 添加Comments 到项目中： – 项目创建完后，也可以修改comments，只要点击 Flow Analysis, Project, Edit Comment.3334..Step2: 单位系统 单位系统CGS – 厘米-克-秒 FPS – 英尺-磅-秒 IPS – 英寸-磅-秒 NMM – 牛顿-毫米-千克-秒 SI – 国际单位: 牛顿 – 米 – 千克 – 秒 USA –英尺-磅-秒(压力 –psi, 体积流量 –CFM)3536NIKA GmbH 6

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..Step3: Analysis Type 在运行Wizard前, 你可以检查Units数据库，如有必要 可以在定义自己需要的单位系统：点击 – Flow Analysis → Tools → Engineering Database → Units. 在完成Wizard后,你可以调整项目的单位系统 ：点击 Flow Analysis, Units.3738..Analysis type Internal flow：固体封闭形成流动空间 – e.g., 管内流, 容器内部流, 制冷空调通风, etc.. External flow：未封闭区域的流动. 这种情况下流动包 围所有的固体模型： – e.g., 绕飞机流动, 汽车, 建筑物, etc. 如果想分析内部和外部的流动，那么一般你需要定义 External外部流动： – e.g. 比如绕建筑的流动考虑腔体封闭对于有一些模型内部包含部分封闭空间，但是不想让其 参与计算的话，你可以采用两种方式减少仿真的时间: – Exclude internal spaces：允许你做External 分析 的时候不考虑内部封闭的空间. – Exclude cavities without flow conditions：对于 Internal和 External的分析，选择这项的话,对于封闭 区域上没有 Boundary Conditions、区域表面上也 没有Fans 的话，该封闭空间就不会被考虑.4039..物理特性 固体导热 辐射4142NIKA GmbH 7

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.. 与时间相关 旋转 重力4344..Step4A: 默认流体材料Step4B: 默认固体材料4546..Step5: 默认壁面条件 默认壁面热条件 – Adiabatic wall ：绝热壁面 – Heat transfer rate：热传输率 – Heat flux：热流量 – Wall temperature：壁面温度4748NIKA GmbH 8

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..Step6: 初始与环境条件对于 External分析4950..Step7: 结果与几何结构分辨率 在参数定义（Parameter Definition）可以手 工设置初始（环境）条件，或者是采用其他项 目的结果作为当前项目的初始（环境）条件: – 选择 User Defined：手动设置 – 选择 Transferred ：采用其他计算的结果5152.. 结果分辨率定义: – Level of initial mesh ：初始网格等级 – 在 Initial Mesh Settings 对话框中设置. – 仅控制初始网格. – Results resolution level：结果分辨率等级 – 在 Calculation Control Options对话框中设置 – 控制计算时对计算网格的 refinement 和计算结 束条件。 使用滑条, 你可以选择八个等级之中的任何一个 – The first level ：能最快给出结果，但是精度不高. – The eighth level：能给出最准确的结果，但是需要 比较长的时间计算收敛. 几何分辨率（Geometry Resolution）选项： 也可以 影响初始网格。可以在 Initial Mesh对话框中修改, 或 者在 Local Initial Mesh 对话框中修改局部几何分辨 率。5354NIKA GmbH 9

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..Navigator面版 教程 球阀设计5556..条件Lecture 3 边界条件 & 初始条件 EFD中任何问题都必须设置合理边界条件（ boundary conditions ）与初始条件（ initial conditions ）才能进行求解。 对于稳态问题，初始条件影响收敛速度，边界条件完 全决定流动特征。 对于瞬态问题I，流动特征与时间相关，初始条件和边 界条件都影响计算结果。57 58..创建边界条件 在EFD特征工具条上点击创建边界条件按钮 Flow Analysis, Insert, Boundary Condition. 在 EFD分析树下右键点击Boundary Conditions图标 再选择 Insert Boundary Condition 在模型中可以直接看到已经定义好的边界条件: –彩色箭头指出方向和边界 类型. –在EFD分析树中右击某个 边界条件项，再选择Show 或者Hide 来显示或者是关 闭箭头。b中你还可以直接右键点击直接选取模型 上的面，再选择Insert Boundary Condition来 在选种的面上创建 边界条件。59 60NIKA GmbH 10

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..边界条件类型 Flow Openings：流动开口 – 进口或者是出口 – 速度; 质量流量; 体积流量 Pressure Openings：压力出口 – 静压; 总压; 环境压力 Walls：壁面 – 实际面; 理想面Flow Openings ( Inlet/outlet：进口与出口 Mass Flow ：质量流量 Volume Flow：体积流量 Velocity：速度)：流动开口6162..Flow Parameters：流动参数 Normal To Face：流动垂直于开口面 Swirl ：允许指定关于某轴的旋转流 – 右手螺旋定律 – 角速度和径向速度 3D Vector：X, Y, Z 速度分量 Inlet Profile：对于积 分型进口流动条件 ， 如：质量流量和体积 流量, 你可以指定进口 速度分布 (e.g. 抛物线 型分布).6364..Pressure Openings ()：压力开口条件Walls ( Ideal wall：理想壁面):壁面 静压（Static Pressure）, 总压（Total Pressure ） 或者是环境压力（Environment Pressure） – 环境压力（Environment Pressure）条件被EFD 解释为入流总压和出流静压。 温度（Temperature ）– 理想壁面允许你选择面作为绝 热无摩擦壁面而不是默认流体 摩擦。 Real wall：实际壁面 – 可以指定粗糙度and/or 传热系 数 and/or 壁面温度6566NIKA GmbH 11

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..Walls () :壁面其他参数 Humidity：湿度. – 如果项目中气体的相对湿度也计算了的话 (打开湿 度选项) Substance Concentrations：物质浓度. – 对于多种流体存在时，可以指定每个流体的相对质 量/体积浓度 Turbulence Parameters：湍流参数 Boundary Layer：边界层. – Turbulent or Laminar (默认为Turbulent).67 68 Wall Temperature：壁面温度 – 指定的壁面温度作为热源 Heat Transfer Coefficient：换热系数 – Q = α (Ts - Tf) S. Wall Roughness：壁面粗糙度..初始条件 如果你想快速求解Internal 流动问题, 那么简单指定初 始条件接近求解的解 (而不是采用默认的值)。 如果想求解 External问题, 你指定初始条件作为初始 与环境条件。环境条件是不受干扰的外部独立流动参数. 对于气体: – 静态压力, 静态温度, 静态密度 (其中任何两 项) – 速度 (或者马赫数) 对于液体: – 静态压力, 温度和速度 对于固体: – 温度7069..创建初始条件 在EFD特征工具条上点击 创建初始条件 Flow Analysis, Insert, Initial Condition. 在 EFD分析树中右击Initial Conditions图标，选择 Insert Initial Condition局部初始条件你可以对一个项目的internal流动区域内单独定义一个局 部初始条件使之与默认不同。 封闭流动区域 – 在该区域封闭面上选择一个面 disabled 部件 – 备注：如果一个流体部件与固体区域重叠, EFD将 认为重叠区域为固体7172NIKA GmbH 12

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..What is Dependency? 容许你以适当的方式指定数 据：常数, 与 x, y, z, r, phi ( ), theta (θ ) 坐标与时间 t(仅 对 瞬态分析有效) 相关的表 格与公式.Dependency () Constant: 该值为常数，默认输入为常数. Table：允许你用表来定义与坐标或者是时间相关的参 数. – 从 Excel, txt导入 – Ctrl+C 和 Ctrl+V – Preview：预览 Table中的参数值必须升续排列7374.. Formula definition：公式定义 – 与 x, y, z, r, phi, theta坐标和时间t (仅对 瞬态分析) 相关. – log, sin, exp, cos和 tan函数里的参数必须用括号 包进去。 – “^” 符号是指幂. 如: 指定 sin2x ： sin(x)^2. 指定 sin x2 ： sin(x^2).Tutorial 耦合换热7576..What are Goals?Lecture 4 Goals and conditions EFD包含停止计算的内嵌准则, 但是采用自己的准则是 更好的： Goals（目标）. 在项目中，你指定Goals作为感兴趣的物理参数, 所以 Goals的收敛，从工程的角度上讲可以认为是达到了 稳定的解.7778NIKA GmbH 13

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..How does it work? 当EFD分析goal的收敛性时，它会将goal的差量与收 敛准则差量进行比较： – 差量 –指的是在分析interval中 goal 的最大最小值 之差； – 当goal的差量< = goal收敛准则差量时，计算认为 已经达到收敛。 创建 GoalsPoint Goal – 在某点上计算物理参数 Global Goal – 在整个计算域内. Surface Goal – 在模型某个面上. Volume Goal - 在计算域内某个体上 – 流体或者固体. Equation Goal – 一个方程 (基本数学方程). – 以已经定义好的goals或者输入数据特征 (整体的初 始或者环境条件, 边界条件, 风扇, 热源, 局部初始条 件, 等)作为变量。79 80.. 最小 (Min), 平均 (Av) 最大 (Max) 质量平均 (Bulk av.) Av = EFD分析树中黄色-红色图标 表明该goals 对收敛性 没有任何影响。同样这些 goals 在Goal Plot 和Goal Table 监视对话框中也没有进度条。 名字 – PG – GG – SG + <Parameter> <Number> – VG – Equation Goal <Number>Bulk av. =8182..Heat Sources：热源 Surface Source ：面热源 – Heat Transfer Rate, Heat Flux（若不考虑固体内 热传导） – Heat Generation Rate, Surface Heat Generation Rate （若考虑固体内热传导） Volume Source ：体热源 – Temperature – Heat Generation Rate – Volumetric Heat Generation Rate83 正值代表生成热，负值代表吸收热 对Volume Source – 若该部件处理为 solid, 那heat conduction in solids 就会被考虑. – 若该部件处理为 fluid, 那你必须在Component Control 对话框中disable 该部件.84NIKA GmbH 14

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..Fan：风扇 风扇 是一种理想设备，它提供体积或者质量流量 (可以带旋转). 风扇性能曲线可以在 Engineering Database找到. 风扇性能曲线当选择风扇时，强烈建议您和供应商联系，获取风扇的 性能曲线。8586.. External Fan:外部风扇 – Inlet Fan ：送风 – Outlet Fan：抽风 – 对于Inlet和Outlet风扇，你指定环境压力。内部静 压由计算时获取，它在风扇面上处理为平均压力。 Internal Fan ：内部风扇 – 含有出口面 (流体到风扇) 和进口面 (风扇到流体)。 – 静压决定风扇流量，它在流动计算时获得，风扇面 上平均处理。 你可以指定风扇关于某参考轴旋转一角速度. 你可以指定流体温度和组分浓度. 当然,你可以重新输入湍流参数 (湍流强度和长度或者 湍流能量和耗散率).8788..Engineering Database：工程数据库– Flow Analysis, Tools, Engineering Database 里面具有许多丰富的物理数据：gas, liquid, nonNewtonian liquid, compressible liquid, steam and solid. 对于风扇曲线定义来说定义系列静压与流量点。 多孔介质模型 不同固体材料间可以有接触热阻 对于散热器简化模型需要热阻与压降曲线 TEC 定制可视化参数 辐射面属性 单位<system_drive\Documents and Settings\All Users\Application Data\NIKA\b 8> EFD.Pro defined data are stored in the ChemBase.mdb file user-defined dataare stored in the ChemBaseUser.mdb file8990NIKA GmbH 15

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..Tutorial 多孔介质Lecture 5 项目建立9192..Content Project：项目 Default template：默认模板 Parameter editor：参数编辑 Component control：组件控制New Project：创建新项目 EFD使用配置作为项目的几何基础，你可以通过下面 几种方式创建EFD项目: – Create new:创建新的项目和配置. 采用这种方法， 你可以基于现有的某个配置定义一个新的EFD项目. – Use current configuration:采用当前的配置. 采用这 种方法将一个新的EFD项目赋予到当前的配置，项 目名和当前配置名一致。 – Flow Analysis -> Project -> New.9394..Clone Project：项目克隆è FlowAnalysis -> Project -> Clone Project. 允许你创建一个当前项目的 完全拷贝。 采用一已经存在的配置或者 是拷贝到一个新的配置 项目的设置，比如General Settings, Conditions, Goals, Units和结果都拷贝到新的项目。 如果结果已经存在，那么你也可以拷贝它。在这种情况 下当前项目和被拷贝到的项目是完全一样的。有的时候这是非常有用的，比如你需要比较一些细 节的变化对结果的影响：几何小特征、边界不同、 流体属性不同等。9596NIKA GmbH 16

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..Copy Features among Projects： 在项目中拷贝特征è FlowRebuild Project：重建项目 如果你修改了模型，那么点击Flow Analysis, Project, Rebuild 来更新项目设置。 在你修正了EFD中任何 Rebuild Error之后，也必须重 建项目。Analysis -> Tools -> Copy Features 允许你将项目的输入数据和结果特 征从当前项目拷贝到同一模型的其 他项目9798..Template：模板è Flow下列不能在模板中存储: 子流域, 旋转区域, 边界条件, 多孔介质, 风扇, 局部初始条件, 固体材料, 热源, 辐射面, 接触热阻, 散热器简化模型, TEC, 面Goals, 体 Goals, 方程 Goals和结果Analysis -> Project -> Create Template. 模板包含了所有的通用项目设置，这样可以用来作为 新项目的基础。 这些设置，包括问题类型、 物理特征、流体、固体、 初始和环境流动参数、壁面条件、几何和结果分辨率 以及单位设置，可以在 General Settings, Calculation Control Options, Initial Mesh and Units指定.99100.. 分析类型： Internal 默认物理特征： – 固体导热： OFF (没有定义固体) – 仅固体导热： OFF – 辐射： OFF – 时间相关： OFF – 重力： OFF – 旋转： OFF 默认流体 – 默认流体：Liquid – 默认Liquid ： Water – 高马赫数流动： OFF – 流动类型： Laminar and TurbulentEFD 默认模板 默认壁面热边界： Adiabatic wall 粗糙度： 0 micrometers 热动力学参数 – 压力：101325 Pa – 温度 293.2 K 速度： 0 m/s 湍流参数 – 湍流强度 2% – 湍流长度 <取决于模型尺寸> 初始网格等级： Level 3 几何分辨率： <取决于模型尺寸> Advanced narrow channel refinement OFF101102NIKA GmbH 17

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..Parameter Editor:参数编辑器– Flow Analysis -> Tools -> Parameter Editor 允许你在一个对话框内对不同项目内的输入数据进行 边界 (边界条件，初始条件，风扇等）。如果所选择的 参数一样的话，你可以同时编辑许多参数值。103104..Component Control：部件控制– Flow Analysis -> Component Control 用来控制部件的状态。部件 (parts 或者装配件中的子 装配件 ，还有多体parts中的体) 可以编辑为disabled 或者enabled。该种设置对你的模型和配置都不会产 生影响。 EFD处理disabled组件为流体。对于disable组件可以用来: 指定为旋转区域. 指定局部初始条件或者体热源、或者流体中的体Goal。 指定为多孔介质模型。 指定为局部初始网格. 排除该组件于EFD分析（如果suppressing该组件会导致 无效的几何体的话） – 注意：如果需要将某个部件排除于EFD分析，最好的 方式是suppressing该组件。105106..Tutorial Hydraulic LossLecture 6 计算域与求解107108NIKA GmbH 18

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..内容 计算域 子流域 求解 监测计算Computational Domain：求解域求解域是3D立方体或者是2D四边形。 尺寸 边界条件 颜色设置 – Flow Analysis -> Computational Domain109 110..Symmetry Planes：对称面Periodic Boundary Conditions：周期性边界条件ROW OF COOLING PLANE AIRFOILS在Boundary Condition 页选择对应边界(At X min, or At X max, 等 .)的对称面条件Symmetry在Boundary Condition 页选择对应边界(At X min, or At X max, 等 .)的周期性条件Periodicity111 112..2D Plane Flow: 二维平面流 如果需要求解二维平面流动问题（ YZ-, or XY-, or XZ面）, 那么在Boundary Condition 页选择相应的流动 平面。Fluid Subdomain：子流域 用来一个封闭流动区域作为与Wizard or General Settings中定义的流体类型不一样的流动区域. 不同流体类型的流动区域必须由固体区域所分离。 – Flow Analysis -> Insert -> Fluid Subdomain – 对流体子流域指定流体类型 – 对流体子流域指定初始条件113114NIKA GmbH 19

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..115116..Solving：求解– Flow Analysis -> Solve -> Run Create mesh – 如果你想在计算之前查看一下网格，那么只在 Create mesh 复选框前打勾，网格生成之后载入 .cpt 文件。 Solver – New calculation – Continue calculation如果你希望采用之前计算的结果作为当前计算的初始条件，那么 请选择New calculation, Create mesh, 和 Take previous results 复选框.117118..Batch Run：批量计算允许你按照预先定义的顺序进行一系列的求解。你可以包括任 何当前的打开项目. Current Session：求解器将与CAD软件共享可用内存。 如果你选择了当前计算机名的话， 求解器将会对其运行为独立的进程。 当你从局域网中选择计算机名的话， 求解器将在选择的计算机上运行。指定计算机作为网络求解 网络上计算机必须已经安装了EFD: Individual, Client, Server + Client, 或者Solver Only。 需要进行calculations 的数量 (在当前计算机或者是在 网络计算机上) 不能超过license文件上指定的 solver Instances 数目。119120NIKA GmbH 20

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..监视求解 可以挂起 （suspend）或者停止当前计算 ； 手工初始已有计算网格的refinement ； 修改Calculation Control Options 在计算过程中修改显示当前结果– Calculation, Stop ：停止计算 – Calculation, Suspend ：挂起或者恢复计算– File, Save and Close ：停止计算，保存当前结果 和关闭监视器。 – File, Save Current Results：当计算完成的时候， 结果自动保存。121122.. 在计算过程中你可以获得计算过程中的许多信息。点 击Insert 选择下列一项: – Log. 显示当前计算的历史记录. – Information. 显示网格统计和信息.– Goal Table. 显示所有指定goals的 列表, 当前 值, 收敛过程, goals的interval离散度 (Delta) 和 goal的收敛准则。123124..– Preview. 在指定面上预览当前结果– Goal Plot. 显示 goal 的收敛图, 当前参数值，goal 收敛过程, goal的interval离散度 (Delta) 和 goal的收 敛准则。125126NIKA GmbH 21

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