FLUENT13培訓(xùn)教材04求解器設(shè)置-ANSYS公司(共29張)(PPT 29頁)

1、ANSYS FLUENT 培訓(xùn)教材第四節(jié)：求解器設(shè)置安世亞太科技（北京）有限公司第1頁，共29頁。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)附錄第2頁，共29頁。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NoSet the solution parametersInitialize the solutionEnable the solution monitors of int

2、erestModify solution parameters or gridCalculate a solutionCheck for convergenceCheck for accuracyStopYesYesNo第3頁，共29頁。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(dǎo)出壓力和速度的耦合算法壓力基求解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(shí)求解Pressure-Based(segregated)Density-Based(coupled)Solve Mass Cont

3、inuity;Update VelocitySolve U-MomentumSolve V-MomentumSolve W-MomentumPressure-Based(coupled)Solve Turbulence Equation(s)Solve SpeciesSolve EnergySolve Other Transport Equations as requiredSolve Mass& MomentumSolve Mass,Momentum,Energy,Species第4頁，共29頁。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

4、壓力其他標(biāo)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(shí)間積分法。Enabling pressure-based coupled solver (PBCS)第5頁，共29頁。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(qiáng)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

5、動、激波干擾隱式方法一般優(yōu)于顯式，因?yàn)槠鋵r(shí)間步有嚴(yán)格的限制顯式方法一般用于流動時(shí)間尺度和聲學(xué)時(shí)間尺度相當(dāng)?shù)那闆r（如高馬赫激波的傳播）第6頁，共29頁。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(xiàng)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-Order 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)

6、 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(dá)到三階精度第7頁，共29頁。插值方法（梯度）為了得到擴(kuò)散通量、速度導(dǎo)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-Based 可能會引起偽擴(kuò)散Green-Gauss Node-Based 更精確，更少偽擴(kuò)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No

7、de-based面上的梯度用多級泰勒級數(shù)展開求得第8頁，共29頁。壓力的插值方法使用分離算法時(shí)，計(jì)算面上壓力的插值方法有:Standard 默認(rèn)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(fēng)扇模型等）或者計(jì)算域存在大曲率的面Linear 當(dāng)其他格式導(dǎo)致收斂問題或非物理解時(shí)使用Second-Order 用于壓縮流，不適用多孔介質(zhì)、風(fēng)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)自然對流或高旋流第9頁，共29頁。壓

8、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(dǎo)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(rèn)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 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.第10頁，共29頁。初始化FLUENT

9、 要求所有的求解變量有初始值更真實(shí)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?dú)賦值自由射流（噴射區(qū)高速）燃燒問題 （高溫激活反應(yīng)）單元標(biāo)注（自適應(yīng)）第11頁，共29頁。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，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(dāng)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

10、過 TUI 命令來設(shè)置/solve/init/set-fmg-initialization第12頁，共29頁。檢查CaseCase 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(dǎo)用于可以直接應(yīng)用或忽略這些建議第13頁，共29頁。收斂性計(jì)算收斂時(shí)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(jì)算不再改變?nèi)值馁|(zhì)量、動量、能量和標(biāo)量達(dá)到平衡使用殘差歷史曲線來監(jiān)測收斂：一般地，殘差下降三個量級表示至少達(dá)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

11、保全局的質(zhì)量、能量、組分守恒。第14頁，共29頁。監(jiān)測收斂-殘差殘差圖顯示何時(shí)收斂達(dá)到指定標(biāo)準(zhǔn)All equationsconverged.10-310-6第15頁，共29頁。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(dǎo)出變量或函數(shù)（如面積分）第16頁，共29頁。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%第17頁，共29頁。殘差與收斂如果監(jiān)測到求解已經(jīng)收斂，但計(jì)算結(jié)果還在改變，或還有大的質(zhì)量/熱量不平衡，這表示求解還未收斂此時(shí)，你應(yīng)該:減小殘差標(biāo)準(zhǔn)或關(guān)閉監(jiān)測

12、殘差的窗口繼續(xù)迭代直至計(jì)算收斂在Convergence Criterion 窗口選擇 None關(guān)閉監(jiān)測 殘差的窗口第18頁，共29頁。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(yáng)（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(dǎo)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(jì)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Continuity equation convergencetrouble affects

13、 convergence ofall equations.第19頁，共29頁。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(jì)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(shí)你可以改變這些值合適的設(shè)置最好通過經(jīng)驗(yàn)獲得對密度基求解器，對耦合方程組外的方程，松弛因子同樣有用第20頁，共29頁。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(xiàng)用Courant 定義時(shí)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）有收斂困難時(shí)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

14、為 5.第21頁，共29頁。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(jì)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，不建議修改第22頁，共29頁。從已有結(jié)果開始計(jì)算已有的計(jì)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(jì)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:Actual ProblemInitial ConditionHeat TransferIsothermalNatural c

15、onvectionLow Rayleigh numberCombustion / reacting flowCold flow (no combustion)TurbulenceInviscid (Euler) solution第23頁，共29頁。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)據(jù)或物理知識對結(jié)果進(jìn)行檢查和評價(jià)用二階上風(fēng)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)果精度影響很大第24頁，共29頁。網(wǎng)格質(zhì)量和求解精度

16、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(fēng), MUSCL)盡量讓網(wǎng)格和流動方向一致減少偽擴(kuò)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?cái)嗾`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(xì)比一般地，避免使用長細(xì)比大于5的網(wǎng)格（邊界層允許使用更大長細(xì)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，使其更接近等邊第25頁，共29頁。網(wǎng)格無關(guān)解當(dāng)加密網(wǎng)格，結(jié)果不再改變時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)自動改變網(wǎng)格 繼續(xù)計(jì)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(shí)，可以