FLUENT培訓教材04求解器設(shè)置

1、ANSYS FLUENT 培訓教材 第四節(jié)：求解器設(shè)置,安世亞太科技（北京）有限公司,概要,使用求解器（求解過程概覽） 設(shè)置求解器參數(shù) 收斂 定義 監(jiān)測 穩(wěn)定性 加速收斂 精度 網(wǎng)格無關(guān)性 網(wǎng)格自適應(yīng) 非穩(wěn)態(tài)流模擬（后續(xù)章節(jié)中介紹） 非穩(wěn)態(tài)流問題設(shè)置 非穩(wěn)態(tài)流模型選擇 總結(jié) 附錄,求解過程概覽,求解參數(shù) 選擇求解器 離散格式 初始條件 收斂 監(jiān)測收斂過程 穩(wěn)定性 設(shè)置松弛因子 設(shè)置 Courant number 加速收斂 精度 網(wǎng)格無關(guān)性 自適應(yīng)網(wǎng)格,求解器選擇,FLUENT中有兩種求解器 壓力基和密度基。 壓力基求解器以動量和壓力為基本變量 通過連續(xù)性方程導出壓力和速度的耦合算法 壓力基求解

2、器有兩種算法 分離求解器 壓力修正和動量方程順序求解。 耦合求解器 (PBCS) 壓力和動量方程同時求解,求解器選擇,密度基耦合求解器 以矢量方式求解連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和組分方程 通過狀態(tài)方程得到壓力 其他標量方程按照分離方式求解 DBCS 可以顯式或隱式方式求解 隱式 使用高斯賽德爾方法求解所有變量 顯式: 用多步龍格庫塔顯式時間積分法。,Enabling pressure-based coupled solver (PBCS),如何選擇求解器,壓力基求解器應(yīng)用范圍覆蓋從低壓不可壓縮流到高速壓縮流 需要的內(nèi)存少 求解過程靈活 壓力基耦合求解器 (PBCS) 適用于大多數(shù)單相流，比

3、分離求解器性能更好 不能用于多相流（歐拉）、周期質(zhì)量流和 NITA 比分離求解器多用1.52倍內(nèi)存 密度基耦合求解器 (DBCS)適用于密度、能量、動量、組分間強耦合的現(xiàn)象 例如: 伴有燃燒的高速可壓縮流動，超高音速流動、激波干擾 隱式方法一般優(yōu)于顯式，因為其對時間步有嚴格的限制 顯式方法一般用于流動時間尺度和聲學時間尺度相當?shù)那闆r（如高馬赫激波的傳播）,離散化（插值方法）,存儲在單元中心的流場變量必須插值到控制體面上 對流項的插值方法有: First-Order Upwind 易收斂，一階精度。 Power Law 對低雷諾數(shù)流動 （ Recell 5 ）比一階格式更精確 Second-Or

4、der Upwind 尤其適用流動和網(wǎng)格方向不一致的四面體/三角形網(wǎng)格，二階精度，收斂慢 Monotone Upstream-Centered Schemes for Conservation Laws (MUSCL) 對非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，局部三階精度，對二次流、旋轉(zhuǎn)渦、力等預(yù)測的更精確 Quadratic Upwind Interpolation (QUICK) 適用于四邊形/六面體以及混合網(wǎng)格，對旋轉(zhuǎn)流動有用，在均勻網(wǎng)格上能達到三階精度,插值方法（梯度）,為了得到擴散通量、速度導數(shù)，以及高階離散格式，都需要求解變量的梯度 單元中心的變量梯度由以下三種方法得到: Green-Gauss Cell-

5、Based 可能會引起偽擴散 Green-Gauss Node-Based 更精確，更少偽擴散，建議對三角形/四面體網(wǎng)格采用 Least-Squares Cell-Based 建議對多面體網(wǎng)格采用，精度和屬性同Node-based 面上的梯度用多級泰勒級數(shù)展開求得,壓力的插值方法,使用分離算法時，計算面上壓力的插值方法有: Standard 默認格式，對于近邊界的沿面法向存在大壓力梯度流動，精度下降（如果存在壓力突變，建議改用 PRESTO! ） PRESTO! 用于高度旋流，包括壓力梯度突變（多孔介質(zhì)，風扇模型等）或者計算域存在大曲率的面 Linear 當其他格式導致收斂問題或非物理解時使用

6、 Second-Order 用于壓縮流，不適用多孔介質(zhì)、風扇、壓力突變以及VOF/Mixture 多相流 Body Force Weighted 用于大體積力的情況，如高瑞利數(shù)自然對流或高旋流,壓力速度耦合,壓力基求解器通過連續(xù)性方程和動量方程導出壓力方程或壓力修正方程 FLUENT中有四種耦合方式 Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations (SIMPLE) 默認算法，穩(wěn)健性好 SIMPLE-Consistent (SIMPLEC) 對簡單問題，收斂更快，如層流 Pressure-Implicit with Splitting of

7、Operators (PISO) 對非穩(wěn)態(tài)流動或者高扭曲度網(wǎng)格有用 Fractional Step Method (FSM) 對非穩(wěn)態(tài)問題 和 NITA 合用，類似 PISO.,初始化,FLUENT 要求所有的求解變量有初始值 更真實的初值能提高收斂穩(wěn)定性，加速收斂過程. 有些情況需要一個好的初值 在特定區(qū)域?qū)μ囟ㄗ兞繂为氋x值 自由射流（噴射區(qū)高速） 燃燒問題 （高溫激活反應(yīng)） 單元標注（自適應(yīng)）,FMG 初始化,Full MultiGrid (FMG) 能用來創(chuàng)建更好的初場。 FMG 初始化對包括大的壓力梯度和速度梯度的復(fù)雜流動有用 在粗級別網(wǎng)格上求解一階歐拉方程 可用于壓力基或密度基求解器

8、，但限于穩(wěn)態(tài)問題 啟動 FMG 初始化 壓力基求解器: /solve/init/fmg-initialization 密度基求解器: 當選擇密度基求解器后在 GUI里可見 FMG 在粗網(wǎng)格上用多重網(wǎng)格求解 通過 TUI 命令來設(shè)置/solve/init/set-fmg-initialization,檢查Case,Case Check 功能發(fā)現(xiàn)一些常見的錯誤設(shè)置和不一致性 提供選擇參數(shù)和模型的指導 用于可以直接應(yīng)用或忽略這些建議,收斂性,計算收斂時應(yīng)該滿足: 所有離散的守恒方程（動量、能量等）在所有的單元中滿足指定的誤差或者結(jié)果隨計算不再改變 全局的質(zhì)量、動量、能量和標量達到平衡 使用殘差歷史曲

9、線來監(jiān)測收斂： 一般地，殘差下降三個量級表示至少達到定性的收斂，流場的主要特征已經(jīng)形成。 壓力基求解器的能量殘差應(yīng)下降到10-6 組分殘差應(yīng)下降到10-5 監(jiān)測定量的收斂: 監(jiān)測其他關(guān)鍵的物理量 確保全局的質(zhì)量、能量、組分守恒。,監(jiān)測收斂-殘差,殘差圖顯示何時收斂達到指定標準,監(jiān)測收斂-力和面上的變量,除了殘差外，也可以監(jiān)測升力、阻力和力矩系數(shù) 邊界或其他定義的面上的導出變量或函數(shù)（如面積分）,檢查全局通量守恒,除了監(jiān)測殘差和變量歷史外，也可以檢查全局熱和質(zhì)量平衡 凈通量差值（Net Results）應(yīng)該小于通過邊界最小通量的1%,殘差與收斂,如果監(jiān)測到求解已經(jīng)收斂，但計算結(jié)果還在改變，或還有

10、大的質(zhì)量/熱量不平衡，這表示求解還未收斂 此時，你應(yīng)該: 減小殘差標準或關(guān)閉監(jiān)測殘差的窗口 繼續(xù)迭代直至計算收斂 在Convergence Criterion 窗口選擇 None關(guān)閉監(jiān)測 殘差的窗口,收斂遇到的困難,對一些病態(tài)問題，差質(zhì)量的網(wǎng)格或不合適的求解設(shè)置，都可能出現(xiàn)數(shù)值不穩(wěn)定性 表現(xiàn)為殘差曲線上揚（發(fā)散）或不下降 發(fā)散意味守恒方程的不平衡增加 沒收斂的結(jié)果會誤導使用者 解決方法 確保問題是物理合理的 用一階離散格式計算一個初場 對壓力基求解器，減少發(fā)散方程的 松弛因子 對密度基求解器，減少Courant 數(shù) 重新生成網(wǎng)格或加密質(zhì)量差的網(wǎng)格 注意網(wǎng)格自適應(yīng)不能提高扭曲度大 的網(wǎng)格質(zhì)量,C

11、ontinuity equation convergence trouble affects convergence of all equations.,修改松弛因子,松弛因子用來穩(wěn)定壓力基求解器的迭代過程 以缺省的松弛因子開始計算 減少動量方程的松弛因子經(jīng)常有助于收斂 缺省值對大多數(shù)問題都適用，需要時你可以改變這些值 合適的設(shè)置最好通過經(jīng)驗獲得 對密度基求解器，對耦合方程組外的方程，松弛因子同樣有用,修改 Courant 數(shù),對密度基求解器，即使穩(wěn)態(tài)問題，也存在瞬態(tài)項 用Courant 定義時間步長 對顯式求解器: 穩(wěn)定性約束限制了最大Courant 數(shù) 不能超過 2（缺省為1） 有收斂困難

12、時減少 Courant 數(shù) 對隱式求解器: Courant 沒有穩(wěn)定性約束限制 缺省值為 5.,加速收斂,可以通過以下方法加速收斂: 設(shè)置更好的初場 從前次的計算結(jié)果開始（如需要，可以使用file/interpolation） 漸次增加松弛因子或Courant數(shù) 過高的值容易引起發(fā)散 繼續(xù)迭代是應(yīng)保存case和date文件 控制多重網(wǎng)格求解器設(shè)置 （一般不推薦） 缺省設(shè)置一般足夠穩(wěn)定，不建議修改,從已有結(jié)果開始計算,已有的計算結(jié)果可以作為初場使用 使用結(jié)果插值（如密網(wǎng)格計算以粗網(wǎng)格結(jié)果為初值開始） 初始化后，新的迭代從目前數(shù)據(jù)開始 一些建議:,求解精度,收斂的結(jié)果不一定是正確的 需要利用其他數(shù)

13、據(jù)或物理知識對結(jié)果進行檢查和評價 用二階上風格式獲得最終解 確保結(jié)果是網(wǎng)格無關(guān)的: 用自適應(yīng)加密網(wǎng)格或重新劃分網(wǎng)格來研究網(wǎng)格無關(guān)性 如果流場結(jié)果看起來不合理: 重新考慮物理模型和邊界條件 檢查網(wǎng)格質(zhì)量，如必要，重新劃分網(wǎng)格 重新考慮邊界條件或域的位置，不充分的邊界對結(jié)果精度影響很大,網(wǎng)格質(zhì)量和求解精度,數(shù)值誤差和網(wǎng)格梯度及網(wǎng)格面上插值相關(guān) 建議: 使用高階離散格式 (二階上風, MUSCL) 盡量讓網(wǎng)格和流動方向一致減少偽擴散 加密網(wǎng)格 足夠的網(wǎng)格密度對求解有突變的流動非常有用 隨著網(wǎng)格尺寸減少，插值誤差也減少 對非均勻網(wǎng)格，尺寸變化不要太大 均勻網(wǎng)格的截斷誤差小 FLUENT 提供基于網(wǎng)格尺寸梯度的自適應(yīng) 減小網(wǎng)格扭曲度和長細比 一般地，避免使用長細比大于5的網(wǎng)格（邊界層允許使用更大長細比的網(wǎng)格） 優(yōu)化四邊形/六面體網(wǎng)格，使其更接近正交 優(yōu)化三邊形/四面體網(wǎng)格，使其更接近等邊,網(wǎng)格無關(guān)解,當加密網(wǎng)格，結(jié)果不再改變時，稱為網(wǎng)格無關(guān)解。 得到網(wǎng)格無關(guān)解的過程: 生成一個新的、更密的網(wǎng)格 回到網(wǎng)格階段，手動調(diào)整網(wǎng)格 或者，用自適應(yīng). 重要: 首先保存 case 和 data文件 創(chuàng)建自適應(yīng)網(wǎng)格，插值原結(jié)果到密網(wǎng)格上。FLUENT提供動態(tài)網(wǎng)格自適應(yīng)，會根據(jù)用戶定義的標準自動改變網(wǎng)格 繼續(xù)計算直至收斂。 比較兩次結(jié)果的解。 如有必要，重復(fù)以上過程 要對某一問題，使用不同網(wǎng)格時，可以使