《求解器的設(shè)置》PPT課件.ppt

求解器的設(shè)置,Introductory FLUENT Training,大綱,使用求解器 設(shè)置求解器參數(shù) 收斂 定義 監(jiān)視 穩(wěn)定性 加速收斂 準(zhǔn)確度 網(wǎng)格獨立性 網(wǎng)格自適應(yīng) 非定常流動模型 非定常流動問題設(shè)置 非定常流動模型選項 摘要 附錄,大綱,使用求解器（大致求解過程） 設(shè)置求解器參數(shù) 收斂 定義 監(jiān)視 穩(wěn)定性 加速收斂 準(zhǔn)確度 網(wǎng)格獨立性 網(wǎng)格自適應(yīng) 非定常流動模型 非定常流動問題設(shè)置 非定常流動模型選項 摘要 附錄,否,設(shè)置求解參數(shù),初始化,激活感興趣的監(jiān)視,檢查收斂,檢查準(zhǔn)確性,停,求解過程概覽,求解參數(shù) 選擇求解器 離散化方案 初始化 收斂 監(jiān)視收斂 穩(wěn)定性 設(shè)置低松弛 設(shè)置柯朗數(shù) 加速收斂 精確度 網(wǎng)格獨立性 自適應(yīng),是,是,否,可用的求解器,在FLUENT中有兩個可用的求解器 基于壓力的求解器 基于密度的求解器 pressure-based求解器把動量和壓力（或者壓力修正）作為主要變量 壓力速度耦合算法則起源于從連續(xù)性方程出發(fā)推導(dǎo)一個壓力方程 基于壓力的求解器中兩個運算法則可用 分離求解器按順序求解算壓力修正和動量方程 壓力耦合求解器同時解算壓力和動量方程,Segregated,PBCS,Solve Turbulence Equation(s),Solve Species,Solve Energy,DBCS,Solve Other Transport Equations as required,可用求解器,基于密度的耦合求解器以矢量形式同時求解連續(xù)性方程，動量方程，能量方程，如果需要還可求解組分方程。壓力由狀態(tài)方程得到。其他的標(biāo)量方程用分離求解器求解。 基于密度的求解器既能用于顯式也能用于隱式求解方式 隱式使用高斯/賽德爾對稱塊方法來解出變量 顯式使用龍格庫塔顯式時間積分格式 注意：基于壓力的求解器只有隱式格式,選擇一個求解器,pressure-based求解器在從低速不可壓流到高速可壓流這樣大范圍的流動體系中都適用 需要較小內(nèi)存 在求解過程中彈性較大 基于壓力的耦合求解器對大多數(shù)的單相流動是適用的，而且它基于壓力求解器效果好。對多相流，周期質(zhì)量流和NITA型不適用。 比分離式求解器要多用1.52倍內(nèi)存。 (DBCS)密度耦合解算器一般適用于有強烈耦合或者在密度，能量，動量或組分之間關(guān)聯(lián)性較強的情況 舉例：伴隨燃燒，高超音速流，相互沖擊的高速可壓流 隱式解法通常更受喜歡，因為顯式方式在時間步長上有嚴(yán)格限制 顯式方式用在流動的特征時間比例與聲學(xué)時間比例處于相同量級的情況下（比如高馬赫數(shù)沖擊波傳播）,離散化（插值方法）,場變量（存儲于單元體中心）必須內(nèi)插于控制體的面上 對流形式的內(nèi)插方案 First-Order Upwind 一階迎風(fēng)最容易收斂，只有一階精度 Power Law 冪率定理當(dāng)雷諾數(shù)小于5（低雷諾數(shù)）時比一階精度更高 Second-Order Upwind 二階迎風(fēng)對一階精度來說使用更小的截斷誤差，適用三角/四面體網(wǎng)格或者當(dāng)流動與網(wǎng)格不在一條直線上；收斂可能變慢 Monotone Upstream-Centered Schemes for Conservation Laws (MUSCL) 當(dāng)?shù)?階對流離散化格式，用于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；在預(yù)測二次流，漩渦，力等等時更精確 Quadratic Upwind Interpolation (QUICK) 二次迎風(fēng)插值法,插值方法（梯度）,對于更高階數(shù)的離散化方案，求解擴(kuò)散通量和速度派生需要先解出變量的梯度。 單元體中心處結(jié)果變量的梯度可以用三種方法得到 Green-Gauss Cell-Based 格林高斯基于單元體默認(rèn)方法；解有偽擴(kuò)散（求解域的拖尾現(xiàn)象） Green-Gauss Node-Based 格林高斯基于節(jié)點更精確；最小化偽擴(kuò)散；推薦用在三角網(wǎng)格上 Least-Squares Cell-Based 基于單元體的最小二乘法推薦用于多面體網(wǎng)格；與上一種有相同精度和屬性 在面上的結(jié)果變量梯度用多維泰勒級數(shù)展開,對面壓力的插值方法,下面是FLUENT中可用的使用分離求解器的用來計算單元體面上壓力的插值格式： Standard 標(biāo)準(zhǔn)缺省格式；對大表面邊界層附近的曲面法線壓力梯度流動求解精度會降低（但是不能夠用于流動中壓力急劇變化的地方應(yīng)該用PRESTO!格式 代替） PRESTO! 用于高回旋流，壓力急劇變化流（多孔介質(zhì)，渦扇模型，等等），或者劇烈彎曲的區(qū)域 Linear 線性的當(dāng)其它選項導(dǎo)致收斂困難或者出現(xiàn)非物理現(xiàn)象時使用 Second-Order 二階用于可壓流；不能用于多孔介質(zhì)，跳躍，風(fēng)扇，等等。或者VOF/混合多相流。 Body Force Weighted 體積力當(dāng)體積力很大時，比如高雷諾數(shù)自然對流或者高回旋流。,壓力速度耦合,當(dāng)使用基于壓力的求解器時，壓力速度耦合是指在離散連續(xù)性方程時，利用連續(xù)性方程和動量方程聯(lián)合推導(dǎo)出一個壓力方程（或者壓力修正）的數(shù)值運算法則 在FLUENT中有下面四種耦合方法 Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations (SIMPLE) 半隱式連接壓力方程方法 缺省格式 SIMPLE-Consistent (SIMPLEC) 允許對簡單問題快速收斂（比如，沒有物理上可用模型的層流） Pressure-Implicit with Splitting of Operators (PISO) 對非定常流動問題或者包含比平均網(wǎng)格傾斜度更高的網(wǎng)格適用 Fractional Step Method (FSM) 對非定常流的分步方法 用于NITA格式；與PISO特征相同,初始化,迭代計算之前需要給所有變量初始化 和實際情況近似的假設(shè)可改善解的穩(wěn)定性和加速收斂 對有些問題，一個好的初始假設(shè)是必需的。 舉例：高溫區(qū)域引起化學(xué)反應(yīng) 修補值用于特定區(qū)域的獨立變量 自由射流（高速射流） 燃燒問題（高溫區(qū)域來初始化反應(yīng)） 單元寄存器（在自適應(yīng)面板上給單元體作記號）能夠用于補綴不同領(lǐng)域的不同地方,全部多重網(wǎng)格初始化,全部多重網(wǎng)格初始化能夠用來創(chuàng)建一個更好的流場初始化 TUI command: TUI 命令： /solve/init/fmg-initialization 在計算上又省又快。在粗網(wǎng)格上用一階精度的歐拉方程計算 在基于壓力和密度的求解器中都能使用，但是只能用于定常狀態(tài)。 在把解轉(zhuǎn)到實際網(wǎng)格上之前， FMG 使用完全近似存儲（FAS）多重網(wǎng)格方法用在一系列粗網(wǎng)格上來解決流動問題。 設(shè)置能夠用TUI命令存取/solve/init/set-fmg-initialization FMG初始化方法對很多復(fù)雜問題。包括在一個大的計算域上存在很大壓力和速度梯度的復(fù)雜流動問題都比較有用（比如：旋轉(zhuǎn)噴灌器，擴(kuò)展螺旋管）,檢查Case,Case Check是FLUENT中的一種非常有用的功能，用于尋找常規(guī)的設(shè)置錯誤和在選擇case參數(shù)和模型時提供指導(dǎo) 使用法則和最優(yōu)方法 Case 檢查主要依次檢查以下內(nèi)容 網(wǎng)格 模型選擇 邊界條件 材料屬性 求解器設(shè)置 列表選項部分包含推薦 自動建議功能將自動改變錯誤設(shè)置 手動推薦：手動改變,Solve,Case Check,大綱,使用求解器（大致求解過程） 設(shè)置求解器參數(shù) 收斂 定義 監(jiān)視 穩(wěn)定性 加速收斂 準(zhǔn)確度 網(wǎng)格獨立性 網(wǎng)格自適應(yīng) 非定常流動模型 非定常流動問題設(shè)置 非定常流動模型選項 摘要 附錄,收斂,收斂必須滿足下面條件： 所有離散化的守恒方程（動量，能量，等等）在所有單元體中都達(dá)到設(shè)定的殘差或者解算在之后的迭代中不再改變 全部的質(zhì)量，動量，能量，和標(biāo)量平衡都要達(dá)到 使用殘差記錄來監(jiān)視收斂 一般來說，殘差減少了三個數(shù)量級就意味著定性的收斂。在這個時候，主要的流動特征就應(yīng)該已經(jīng)呈現(xiàn)出來了。 能量殘差大小必須減少到 10-6 （對基于壓力的求解器而言） 組分殘差大小需要減少到10-5 以達(dá)到介質(zhì)平衡。 監(jiān)視定量收斂： 監(jiān)視其它相關(guān)關(guān)鍵變量/物理量來確認(rèn) 確保全部質(zhì)量/熱量/物質(zhì)守恒得到滿足,收斂監(jiān)視：殘差,殘差圖顯示直到殘差值達(dá)到了指定的容差范圍,All equations converged.,10-3,10-6,Solve,Monitors,Residual,收斂監(jiān)視：力/面,除了殘差之外，你還能夠監(jiān)視： 升力，阻力或力矩 相關(guān)變量或函數(shù)（比如，面積分）在邊界上或者定義的面上,Solve,Monitors,Force,Solve,Monitors,Surface,校核通量守恒,除了監(jiān)視殘差和變量歷史之外，你還能檢查整體的熱量和質(zhì)量平衡 凈不平衡量應(yīng)該小于區(qū)域邊界上最小通量的1%,Report,Fluxes,固定收斂容差,如果解的監(jiān)視器指示出解是收斂的，但是解依然跳動或者在質(zhì)量/熱量上不平衡，這也清楚地表明解還沒有收斂 在這種情況下，你需要： 減少收斂性判據(jù)的值或者在殘差監(jiān)視面板關(guān)掉殘差監(jiān)視面板 繼續(xù)迭代直到解收斂 在收斂性判據(jù)下選擇none將會指示FLUENT不給任何方程檢查收斂。,Solve,Monitors,Solve,Iterate,Residual,收斂困難,收斂性差，數(shù)值計算穩(wěn)定性差，可能是因為提出的問題本身就存在問題或是由于網(wǎng)格的質(zhì)量差，或者不適當(dāng)?shù)那蠼馄髟O(shè)置出現(xiàn)的。 出現(xiàn)增長的（分叉的）或者“停滯的”殘差 分離的殘差意味著在守恒方程中不平衡一直在增長 不收斂的結(jié)果是錯誤的,Continuity equation convergence trouble affects convergence of all equations.,解決方案 確保問題建立是正確的 用一階離散化格式計算一個初始解 對有收斂問題的方程減少低松弛因子（基于壓力的求解器） 減少柯朗數(shù)（基于密度的求解器） 重畫網(wǎng)格和修改有大縱橫比和大斜度的單元體,修飾欠松弛因子,內(nèi)嵌欠松弛因子 用來穩(wěn)定壓力求解器的迭代過程 使用默認(rèn)欠松弛因子來開始計算 減少動量的欠松弛因子經(jīng)常能夠幫助收斂 默認(rèn)設(shè)置是對較大范圍的問題適用的，如果需要的話，你可以減少這個值 適當(dāng)?shù)脑O(shè)置最好從試驗中得到,對基于密度的求解器來說，欠松弛因子對于外部方程連接的設(shè)置修正用在基于壓力的求解器,Solve,Controls,Solution,修正柯朗數(shù),即使是定常問題也包括衰減項 柯朗數(shù)定義時間步 對基于密度的顯式求解器 穩(wěn)定性約束給柯朗數(shù)一個最大的限制 不能大于2（默認(rèn)值為1） 當(dāng)收斂困難時減小柯朗數(shù) 基于密度的隱式算法 柯朗數(shù)不受穩(wěn)定性約束限制 默認(rèn)值是5,Solve,Controls,Solution,Mesh size,Appropriate velocity scale,加速收斂,收斂可以由以下方式加速： 提供更好的初始條件 從一個已有的解開始（如果需要的話可以使用文件或者插值） 逐漸增加的欠松弛因子或者柯朗數(shù) 過高的值會導(dǎo)致不穩(wěn)定或者收斂問題 建議在繼續(xù)迭代之前保存case和data文件 控制多重網(wǎng)格求解器設(shè)定（但是默認(rèn)設(shè)置提供了一個精確的網(wǎng)格設(shè)置而且一般不需要改動）,從已有的解開始,當(dāng)改變用于問題說明時已有的解可以作為初始條件 使用解的插值來初始化一個運行（當(dāng)粗糙網(wǎng)格解是可用的時候?qū)﹂_始一個細(xì)網(wǎng)格case特別有用） 一旦這個解初始化，附加的迭代經(jīng)常使用現(xiàn)在的數(shù)據(jù)作為起始點 對一些實際問題如何提供初始解的一些建議,大綱,使用求解器（大致求解過程） 設(shè)置求解器參數(shù) 收斂 定義 監(jiān)視 穩(wěn)定性 加速收斂 準(zhǔn)確度 網(wǎng)格獨立性 網(wǎng)格自適應(yīng) 非定常流動模型 非定常流動問題設(shè)置 非定常流動模型選項 摘要 附錄,解的精確性,收斂解不一定是正確解 經(jīng)常使用測量數(shù)據(jù)，物理定理來檢查和評價結(jié)果 對最終結(jié)果使用二階迎風(fēng)離散化格式 確保結(jié)果是獨立于網(wǎng)格的 使用自適應(yīng)來修正網(wǎng)格或者創(chuàng)建增加的網(wǎng)格數(shù)使結(jié)果獨立于網(wǎng)格If 如果流動特征看起來不合理： 重新考慮物理模型和邊界條件 檢查網(wǎng)格質(zhì)量而且可能要重畫 重新考慮邊界位置的選擇（或者計算域的位置）：計算域的選擇不適當(dāng)（特別是出流邊界）會顯著影響解的精確性,網(wǎng)格質(zhì)量和解的精確性,數(shù)字誤差是與單元梯度計算和單元面插值聯(lián)接在一起的 包含數(shù)字誤差的方式： 使用高階離散化格式（二階迎風(fēng)， MUSCL) 努力使流動與網(wǎng)格成一條直線使得“偽擴(kuò)散”最小化 優(yōu)化網(wǎng)格 足夠的網(wǎng)格密度是解決流動特征的必要條件 內(nèi)插誤差隨著單元體尺寸的減小而減小 在不均勻網(wǎng)格處最小化網(wǎng)格尺寸的變化量 截斷誤差在統(tǒng)一的網(wǎng)格處是最小的 FLUENT 提供了基于單元體尺寸變化的網(wǎng)格適應(yīng)能力 最小化網(wǎng)格傾斜和縱橫比 一般而言，避免縱橫比超過5：1（但是更高的縱橫比在邊界層處是允許的） 最佳的方形/六面體網(wǎng)格是90度角 最佳的三角/四面體是等邊的,決定網(wǎng)格獨立性,當(dāng)解在進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格時不再改變的獨立于網(wǎng)格的解存在 獲得一個網(wǎng)格獨立解的系統(tǒng)程序： 生成一個新的好網(wǎng)格 在FLUENT中使用基于解的自適應(yīng)特征 在進(jìn)行之前保存原始網(wǎng)格 如果你知道大的梯度會發(fā)生在哪兒，你需要在那里有一個比較好的初始網(wǎng)格，比如使用邊界層和/或尺寸函數(shù) 適應(yīng)網(wǎng)格 數(shù)據(jù)從原始網(wǎng)格插值到優(yōu)化后的網(wǎng)格 FLUENT提供動網(wǎng)格自適應(yīng)，它可以根據(jù)用戶定義標(biāo)準(zhǔn)自動改變。 繼續(xù)計算直到收斂 與在不同的網(wǎng)格上獲得的結(jié)果進(jìn)行比較 如果需要的話重復(fù)這個過程 在簡單問題上使用不同的網(wǎng)格，用TUI命令寫入和讀入來幫助新問題的設(shè)置。通過從已有文件中獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行插值可以得到更好的初始化結(jié)果。,File,Interpolate,Grid,Adapt,大綱,使用求解器（大致求解過程） 設(shè)置求解器參數(shù) 收斂 定義 監(jiān)視 穩(wěn)定性 加速收斂 準(zhǔn)確度 網(wǎng)格獨立性 網(wǎng)格自適應(yīng) 非定常流動模型 非定常流動問題設(shè)置 非定常流動模型選項 摘要 附錄,非定常流動模型,解算在每個時間步內(nèi)都迭代到收斂，然后前進(jìn)到下一步 解的初始化定義了初始條件而且這些條件必須是真實的 非迭代時間前進(jìn)法對更快的計算機(jī)時間適用（看附錄中的細(xì)節(jié)） 對基于壓力的解算器： 時間步長, t, 在 Iterate 面板中設(shè)置 t 必須足夠小 用來解決依賴于時間的特征; 保證在每個時間步的最大迭代步數(shù)中能夠達(dá)到收斂 合適的時間步長可以由下估計得出： 時間步長估算也能夠被選擇為了能夠解算得出非定常流動的特征（比如流動在一個已知的波動周期內(nèi)） 使用零時間步數(shù)來定義及時不前進(jìn)的迭代 PISO格式可能對許多非定常流動的加速收斂都有幫助,非定常流動模型選項,自適應(yīng)時間步 通過分析局部舍入誤差來自動調(diào)節(jié)時間步長 可以通過UDF來定制 時間統(tǒng)計平均 對LES紊流模型特別適用 如果值得的話，在迭代之前應(yīng)該設(shè)置運動（對于可以看到的流動） 對于基于密度的求解器，柯朗數(shù)定義了： 對于密度顯式求解器的全局時間步長 對于密度隱式求解器的虛的時間步長 真實的時間步長依然在Iterate 面板中定義,小結(jié),壓力模式和密度模式的求解器的求解過程是相同的 一直算到一個收斂的結(jié)果 獲得一個二階的解（建議） 優(yōu)化網(wǎng)格并且重新計算直到獲得一個獨立網(wǎng)格的解 所有的求解器提供工具用來判定和改善收斂和確保穩(wěn)定 所有的求解器提供工具來檢查和改善精確度 解的精確性依賴于你所選擇的物理模型和定義的邊界條件是否合適,附錄,背景 有限體積法 顯式對比隱式 獨立對比耦合 瞬態(tài)解 NITA和ITA格式的流程圖,The Finite Volume Method 有限體積法,FLUENT 求解器基于有限體積法. 計算域離散為控制體的有限集合 全部的質(zhì)量，動量，能量等輸運方程離散后應(yīng)用于每一個單元體 解出所有方程用來顯示流場,方程 變量 連續(xù)性 1 X 動量 u Y動量 v Z動量 w 能量 h,有限體積法,每個輸運方程離散為代數(shù)形式，對單元體 P來說, 離散后的方程需要單元體中心和表面上的信息 流場數(shù)據(jù)（材料屬性，速度，等等）存儲在單元體中心 面上信息由當(dāng)?shù)鼗蛘呦噜彽膯卧w信息插值得到 離散精確度依賴于 截斷誤差. 離散后的方程可以簡單表示為 對計算域中的每一個控制體適用的方程構(gòu)成一個方程組,線性化,方程組反復(fù)迭代求解 系數(shù) ap 和 anb 是解的變量 系數(shù)矩陣 (非線性耦合). 系數(shù)從之前的迭代計算中的解算變量中寫入 線性化除去對系數(shù)的相關(guān)性. 退耦過程除去其它求解變量的系數(shù)相關(guān)性 系數(shù)隨著每次外迭代實時更新 對于所給的內(nèi)迭代，系數(shù)是常數(shù)（凍結(jié)） p 既能夠顯式解出也能夠隱式解出.,顯式、隱式解對比,關(guān)于 nb 的假設(shè) 顯式線性化 從每一個單元體上的已知數(shù)和它們之間的關(guān)系計算出未知數(shù)(nb 假定從之前的迭代中已知). p 然后用龍格庫塔法顯式解出 隱式線性化 p 和nb 假定為未知的，用線性方程方法來解 方程隱式線性化趨向于對穩(wěn)定性要求較低 方程組在解的同時要使用二次迭代循環(huán)（比如，指向高斯賽德爾）,基于壓力的對比基于密度的求解器,基于壓力的求解器 如果假設(shè)一個方程中只有一個未知數(shù)，那么方程組就能夠不依賴其它變量的解而解出了 簡單輸入，每個控制方程都可以獨立解出 在這種情況下，系數(shù)ap 和anb 是標(biāo)量值 基于密度的求解器 如果在每個方程中不止一個變量是未知的，而且每個變量是由它自身的輸運方程所定義的，那么這個方程組就是耦合在一起的 在這種情況下, 系數(shù) ap 和 anb 是 Neq Neq 矩陣. 是一個因變量矢量, p, u, v, w, T, YT,基于壓力的求解器,在基于壓力的求解器中，每個方程都能夠獨立解出 連續(xù)性方程把壓力修正方程的形式作為SIMPLE算法的一部分 欠松弛因子包含在離散化的方程中 包括它為了改善迭代過程的穩(wěn)定性 顯式欠松弛因子 ，限制了變量從一個迭代步到下個迭代步之間的改變,更新屬性,解動量方程 (u, v, w 速度),解壓力修正 (連續(xù)性)方程更新壓力場和面的質(zhì)量流率,求解能量、組分、湍能和其他標(biāo)量方程,是,否,收斂?,停,基于密度的求解器,連續(xù)性，動量，能量和多物質(zhì)在密度求解器中同時解出 修正后的方程可解出可壓流和不可壓流 衰減項經(jīng)常包括其中 隨著時間推進(jìn)和瞬時現(xiàn)象趨近于零，穩(wěn)態(tài)解就形成了 對于穩(wěn)態(tài)問題，“時間步”由柯朗數(shù)定義 穩(wěn)定判據(jù)限制了顯式解的最大的時間步長，但沒有限制隱式解的,CFL = 柯朗特數(shù)r u = 特征流速 x = 網(wǎng)格長度,Update properties,Solve continuity, momentum, energy and species equations simultaneously,Solve turbulence and other scalar equations,Yes,No,Converg