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1、求解设置,Introductory FLUENT Training,大纲,求解器设置求解参数收敛 Convergence定义 Definition监视Monitoring稳定性Stability加速收敛Accelerating Convergence准确度Accuracy网格相关性网格自适应非定常流动模型非定常流动问题设置非定常流动模型选项总结附录,大纲,求解器设置求解参数收敛 Convergence定义 Definition监视Monitoring稳定性Stability加速收敛Accelerating Convergence准确度Accuracy网格相关性网格自适应非定常流动模型非定常流动
2、问题设置非定常流动模型选项总结附录,No,Set the solution parameters,Initialize the solution,Enable the solution monitors of interest,Check for convergence,Check for accuracy,Stop,求解过程概览,Yes,Yes,No,求解器,求解器,在FLUENT中有两个可用的求解器基于压力的求解器基于密度的求解器基于压力的求解器中两个算法分离求解器先后求解压力修正项和动量耦合求解器同时求解压力和动量,Segregated,PBCS,Solve Turbulence Equ
3、ation(s),Solve Species,Solve Energy,DBCS,Solve Other Transport Equations as required,可用求解器,可用求解器,基于密度求解器求解矢量形式的连续性方程、动量方程、能量方程、组分方程。压力由状态方程得到。基于密度求解器可以使用隐式或者显示方式求解：隐式使用高斯赛德尔方法来求解变量显式使用龙格库塔显式方法求解变量注意：基于压力的求解器只有隐式格式,选择求解器,选择求解器,基于压力求解器在从低速不可压流到高速可压流这样大范围的流动体系中都适用需要较小内存基于压力的耦合求解器(PBCS)对大多数单相流动是适用的，而且比分
4、离的基于压力求解器效果好。对多相流，周期性流动和NITA算法不适用。比分离求解器要多用1.52倍内存。基于密度求解器(DBCS)适用于强耦合情况举例：伴随燃烧的高速可压缩流、高超音速流、激波相对于隐式算法，显式算法对时间步长有更高要求，因此通常使用隐式算法,插值方法,插值方法,场变量（存储于单元体中心）必须内插于控制体的面上对流项的插值方法First-Order Upwind：一阶迎风，最容易收敛，只有一阶精度Power Law：指数形式，当雷诺数较小时比一阶精度高Second-Order Upwind：二阶迎风，收敛较慢，二阶精度Monotone Upstream-Centered Sche
5、mes for Conservation Laws(MUSCL)：.对于非结构网格局部有三阶精度，在预测二次流、漩涡流动时等具有更高精度Quadratic Upwind Interpolation(QUICK)：应用于四边形/六面体或混合网格上，对于旋转流动非常有用,对于均匀网格具有三阶精度,插值方法,插值方法,需要解出变量的梯度用来求通量，速度导数，以及用于更高阶数离散化格式单元体中心处结果变量的梯度可以用三种方法得到Green-Gauss Cell-Based：默认方法，可能会有假扩散（求解域的拖尾现象）Green-Gauss Node-Based：更精确，将假扩散现象最小化，推荐用在三角
6、形/四面体网格上Least-Squares Cell-Based：推荐用于多面体网格上，与nodebased方法具有相同精度,面压力的插值方法,面压力的插值方法,下面是FLUENT中可用的使用分离器时可以用来计算单元体面上压力的插值格式Standard：默认格式，对于边界附近表面法向压力梯度较大处降低精度（但是不能够用于流动中压力急剧变化的地方，应该用PRESTO!格式 代替）PRESTO!：用于强旋流、压力急剧变化流（多孔介质、涡扇模型等等），或者曲率较大区域Linear：当其它方法导致收敛困难或者出现非物理现象时使用Second-Order：用于可压流，不能用于多孔介质、跳跃、涡扇等，也不
7、能用于VOF和混合多相流模型Body Force Weighted：当质量力很大时使用，比如高雷诺数自然对流或者高回旋流,压力速度耦合,压力速度耦合,压力速度耦合：当使用基于压力的求解器时，需要用数值算法从连续方程以及动量方程得到压力方程在FLUENT中有四种算法Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations(SIMPLE)The default scheme,robust缺省格式SIMPLE-Consistent(SIMPLEC)对于简单问题可以得到更快收敛（例如简单层流）Pressure-Implicit with Splitting
8、of Operators(PISO)对于非定常流动问题或者包含高扭曲度网格适用Fractional Step Method(FSM)对非定常流的分步方法NITA算法配合使用，与PISO方法特征相同,初始化,初始化,计算开始之前需要对所有变量初始化合理的初始条件可以改善解的稳定性和加速收敛对有些问题，一个好的初始假设是必需的。举例：高温区域引起化学反应对特定区域变量patch自由射流（高速射流）燃烧问题（高温区域来初始化反应）自适应网格,多重网格初始化,多重网格初始化,FMG能够用来创建一个更好的初始化流场TUI 命令：/solve/init/fmg-initializationFMG 在计算上
9、即省又快，即在粗网格上先用一阶精度的欧拉方程计算在基于压力和密度的求解器中都能使用，但是只能用于定常状态。FMG使用完全近似存储（FAS）多重网格方法在一系列粗网格上求解流动问题，再把解传到实际网格上作为初始条件进行精确计算。参数设置TUI命令：/solve/init/set-fmg-initializationFMG初始化对包含大压力、速度梯度的流动问题非常有用（比如：旋转机械，螺旋管）,检查Case,检查Case,Case check在计算前对工况设置进行检查，减少错误Case check内容Grid 网格Model Selection 模型选择Boundary Conditions 边界
10、条件Material Properties 材料属性Solver Settings 求解器设置自动方法：将错误处自动改变手动方法:错误处手动改变,Solve,Case Check,大纲,大纲,求解器设置求解参数收敛 Convergence定义 Definition监视Monitoring稳定性Stability加速收敛Accelerating Convergence准确度Accuracy网格相关性网格自适应非定常流动模型非定常流动问题设置非定常流动模型选项总结附录,收敛,收敛条件所有离散化的守恒方程在所有单元体中都满足指定的残差或者求解值在之后的迭代中不再改变全部的质量、动量、能量平衡都要达到
11、监测残差记录一般来说，残差减少了三个数量级就意味着定性的收敛，在这个时候，主要的流动特征就应该已经呈现出来了能量残差必须减少到 10-6（对基于压力的求解器而言）组分残差需要减少到10-5 以达到组分平衡。监视参数收敛监视其它相关关键变量/物理量以确认收敛确保全部质量/热量/组分守恒得到满足,收敛监视残差,收敛监视残差,残差图显示残差值达到程度,All equations converged.,10-3,10-6,Solve,Monitors,Residual,收敛监视力/面,收敛监视力/面,除了残差之外，还能够监视升力，阻力或力矩边界上或者面上的相关变量或函数（比如，面积分）,Solve,M
12、onitors,Force,Solve,Monitors,Surface,通量守恒校核,通量守恒校核,除了监视残差和变量，还可以检查整体的热量和质量平衡净不平衡量应该小于区域边界上最小通量的1%,Report,Fluxes,减小收敛容差,减小收敛容差,如果残差监视显示解是收敛的，但是变量仍然变化较大或者在质量、热量上不平衡，这意味着解并没有达到真正收敛在这种情况下需要减小收敛性判据的值或者在残差监视面板中使得Check Convergence 不可用继续迭代直到解收敛在收敛性判据下选择none将会指示FLUENT不给任何方程检查收敛,Solve,Monitors,Solve,Iterate,R
13、esidual,收敛困难,收敛困难,由于网格质量、不正确的设置等问题，会出现数值不稳定。残差增长、不变、或者振荡,Continuity equation convergencetrouble affects convergence ofall equations.,解决方案确保问题正确设置用一阶离散化格式计算一个初始解对有收敛问题的方程降低松弛因子（基于压力的求解器）减少柯朗特数（基于密度的求解器）重新划分网格，避免网格扭曲,修正松弛因子,修正松弛因子,欠松弛因子 用来稳定压力求解器的迭代过程使用默认欠松弛因子开始计算减小动量的欠松弛因子通常能够帮助收敛默认设置是对较大范围的问题适用的，如果需
14、要的话可以减小这个值适当的设置最好从试验中得到,Solve,Controls,Solution,修正柯朗特数,修正柯朗特数,基于密度的显式求解器稳定性约束给柯朗特数一个最大的限制不能大于2（默认值为1）当收敛困难时减小柯朗特数基于密度的隐式算法柯朗特数不受稳定性约束限制默认值是5,Solve,Controls,Solution,Mesh size,Appropriate velocity scale,加速收敛,加速收敛,收敛可以由以下方式加速提供更好的初始条件从一个已有的解开始逐渐增加的欠松弛因子或者柯朗数过高的值会导致不稳定或者收敛问题建议在继续迭代之前保存case和data文件控制多重网格
15、求解器设定（但是默认设置提供了一个比较稳定的网格设置而且一般不需要改动）,从已有的解开始,从已有的解开始,当问题定义有所改变时，可以使用已有的解作为初始条件对一些实际问题的初始解提供建议,大纲,大纲,求解器设置求解参数收敛 Convergence定义 Definition监视Monitoring稳定性Stability加速收敛Accelerating Convergence准确度Accuracy网格相关性网格自适应非定常流动模型非定常流动问题设置非定常流动模型选项总结附录,解的精确性,收敛解不一定是正确解使用可用数据、物理定理来检查和评价结果对最终结果使用二阶迎风离散化格式确保结果与网格无关使
16、用自适应来修正网格如果流动特征看起来不合理：重新考虑物理模型和边界条件检查网格质量重新考虑边界位置的选择（或者计算域的位置），计算域选择不适当会显著影响解的精确性,网格质量和解的精确性,网格质量和解的精确性,数值误差是与单元梯度和单元面插值相关减小数值误差方法使用高阶离散格式（二阶迎风，MUSCL)尽量使网格与流动方向一致以减小“假扩散”优化网格足够的网格密度是解决流动特征的必要条件内插误差随着单元体尺寸的减小而减小在非一致网格处减小网格尺寸的变化量均匀网格的截断误差最小FLUENT 提供了基于单元体尺寸变化的网格自适应能力减小网格扭曲和纵横比一般情况下，避免纵横比超过5：1（但是更高的纵横比
17、在边界层处是允许的）最佳的四面体/六面体网格是90度角最佳的三角/四面体网格是等边的,网格细化,网格细化,解不随网格的细化而改变建立gridindependent流程生成一个新的精细网格在FLUENT中使用基于解的自适应方法在进行之前保存原始网格如果知道梯度较大区域，则需要在该区域生成较好的初始网格，例如使用边界层或尺寸函数自适应网格从原始网格插值到优化后的网格FLUENT提供动网格自适应，它可以根据用户定义标准自动改变继续计算直到收敛对不同网格上获得的结果进行比较如果需要的话重复这个过程使用TUI命令在不同粗细网格上使用相同边界条件（file/write-bc and file/read-b
18、c）以协助问题求解。通过从已有文件中获得数据进行插值可以得到更好的初始结果,File,Interpolate,Grid,Adapt,大纲,大纲,求解器设置求解参数收敛 Convergence定义 Definition监视Monitoring稳定性Stability加速收敛Accelerating Convergence准确度Accuracy网格相关性网格自适应非定常流动模型非定常流动问题设置非定常流动模型选项总结附录,非定常流动模型,在每个时间步内迭代收敛，然后推进到下一步解的初始化定义了初始条件，而且这些条件必须是真实的非迭代时间前进法(NITA)节省计算时间对基于压力的求解器：时间步长 t
19、,在 Iterate 面板中设置t 必须足够小 用来解决依赖于时间的特征；确保在每个时间步的最大迭代步数中能够达到收敛合适的时间步长可以由下估算得出：可以用流动的特征时间来估算时间步长（比如在一个已知波动周期内的流动）PISO格式对许多非定常流动可以帮助收敛,非定常流动模型选项,非定常流动模型选项,自适应时间步通过分析局部舍入误差来自动调节时间步长可以通过UDF来定制时间统计平均对LES湍流模型特别有用动画在计算之前设置对于基于密度的求解器，柯朗特数定义了：基于密度显式求解器的全局时间步长基于密度隐式求解器的虚时间步长真实的时间步长依然在Iterate 面板中定义,小结,小结,压力模式和密度模
20、式的求解器的求解过程是相同的一直算到一个收敛的结果获得一个二阶的解（建议）优化网格并且重新计算直到获得一个独立于网格的解所有的求解器都提供工具用来判定、改善收敛和确保稳定所有的求解器提供工具来检查和改善精确度解的精确性依赖于你所选择的物理模型和定义的边界条件是否合适,附录,背景Finite Volume Method 有限体积法Explicit vs.Implicit 显式vs.隐式Segregated vs.Coupled 分离vs.耦合Transient Solutions 瞬态解Flow Diagrams of NITA and ITA Schemes NITA和ITA格式流程图,有限体
21、积法,FLUENT 求解器基于有限体积法.计算域离散为控制体的有限集合全部的质量、动量、能量等输运方程离散后应用于每一个单元体解出所有方程来显示流场,EquationVariableContinuity1X momentumuY momentumvZ momentumwEnergyh,有限体积法,每个输运方程离散为代数形式，对单元体 P来说,离散后的方程需要单元体中心和表面上的信息.流场数据（材料属性，速度等）存储在单元体中心面上信息由当地或者相邻的单元体信息插值得到离散精确度依赖于“stencil”尺寸.离散后的方程可以简单表示为对计算域中的每一个控制体适用的方程构成一个方程组,线性化,方程
22、组反复迭代求解系数 ap 和 anb 是解的函数(非线性、耦合)系数由前一步的迭代计算结果得到线性化去除对系数的相关性.退耦过程除去其它求解变量的系数相关性系数随着每次迭代实时更新对于循环内迭代，系数是常数p 既能够显式解出也能够隐式解出.,显式vs.隐式,关于 nb 的假设显式线性化从每一个单元体上的已知数和它们之间的关系计算出未知数(nb 假定从之前的迭代中已知)然后用龙格库塔法显式解出p 隐式线性化p 和nb 假定为未知的，用线性方程方法来解方程隐式线性化对稳定性要求较低方程组在解的同时要使用二次迭代循环（比如高斯赛德尔迭代法）,Pressure-Based vs.Density-Bas
23、ed Solver,基于压力的求解器如果假设一个方程中只有一个未知数，那么方程组就能够不依赖其它变量的解而求出每个控制方程都可以独立解出在这种情况下，系数ap 和anb 是标量值基于密度的求解器如果在每个方程中不止一个变量是未知的，而且每个变量是由它自身的输运方程所定义的，那么这个方程组就是耦合在一起的在这种情况下,系数 ap 和 anb 是 Neq Neq 矩阵.是一个因变量矢量p,u,v,w,T,YT,基于压力的求解器,在基于压力的求解器中，每个方程都能够独立求解The continuity equation takes the form of a pressure correction
24、equation as part of Patankars SIMPLE algorithm.连续性方程以压力修正方程的形式作为SIMPLE算法的一部分欠松弛因子包含在离散化的方程中改善迭代过程的稳定性显式欠松弛因子，限制了变量从一个迭代步到下个迭代步之间的改变,Update properties,Solve momentum equations(u,v,w velocity),Solve pressure correction(continuity)equationUpdate pressure field and face mass flow rates,Solve energy,spec
25、ies,turbulence,andother scalar equations,Yes,No,Converged?,Stop,基于密度的求解器,连续、动量、能量和组分在密度求解器中同时解出修正后的方程可求解可压流和不可压流瞬态项经常包括其中稳态解是令时间增加、时间步长趋近于零对于稳态问题，“时间步”由柯朗特数定义稳定判据限制了显式解的最大的时间步长，但没有限制隐式解的,CFL=Courant-Friedrichs-Lewy-numberu=appropriate velocity scalex=grid spacing,Update properties,Solve continuity,m
26、omentum,energyand species equations simultaneously,Solve turbulence and other scalar equations,Yes,No,Converged?,Stop,多重网格求解器,多重网格求解器在多种密度水平的网格上解离散方程来加速收敛，以致近似解的“低频”误差能够有效排除边界和远点的影响在粗网格上比细网格更容易传送到内部粗网格由原始网格定义多重粗网格水平能够生成代数多重网格代数模拟的粗网格.完全近似储存多重网格“单元结合”定义新网格基于密度显式求解器的一个选项，对原始网格的最终解多重网格求解器自动在后台操作参照FLUEN
27、T使用指南获取更多的选项和技术细节,后台：耦合/瞬态项,耦合求解方程经常包含瞬态项使用非定常耦合求解器解方程可能包含两个瞬态项：虚拟时间间隔DtDt.物理时间间隔Dt虚拟时间间隔在每个时间步中接近零，而且适用于定常流动流程图指出需要什么时候需要输入步长柯朗数决定DtIterate 面板的输入决定 Dt.,ITA vs.NITA,Non-Iterative Time Advancement(NITA),Iterative Time Advancement(ITA),基于压力求解器下的NITA格式,Non-iterative time advancement(NITA)schemes reduce
28、 the splitting error to O(t2)by using sub-iterations(not the more expensive outer iterations to eliminate the splitting errors used in ITA)per time step.非迭代时间推进（NITA）格式使用子循环减小了分裂误差（不像在ITA中使用更多的外循环消除分裂误差）NITA运行速度大约是ITA的两倍在 FLUENT 6.3中两种NITA格式都可用PISO(NITA/PISO)能量和湍流方程松散耦合Fractional-step 方法在每个时间步基础上比NI
29、TA/PISO节约20%NITA在非定常模拟中应用较广，比如不可压、可压（亚音速，跨音速）、涡轮流动等等NITA schemes are not available for multiphase(except VOF),reacting flows,porous media,and fan models,etc.Consult the FLUENT Users Guide for additional details.NITA对多相流（除了VOF）、反应流、多孔介质、和涡扇模型等等不适用。参照FLUENT用户指南获取更多细节,NITA求解器控制和监视,对于离散方程进行子迭代，直到修正容差满足，或达到最大修正数每个子循环实行AMG循环，直到满足AMG标准或者最后的迭代满足残差标准。松弛因子用来控制在每个子迭代中求解,
