Fluent中計算收斂標(biāo)準(zhǔn)淺析

2017-01-11 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

FLUENT中殘差的概念:

殘差是cell各個face的通量之和,當(dāng)收斂后,理論上當(dāng)單元內(nèi)沒有源項使各個面流入的通量也就是對物理量的輸運之和應(yīng)該為零。最大殘差或者RSM殘差反映流場與所要模擬流場(只收斂后應(yīng)該得到的流場,當(dāng)然收斂后得到的流場與真實流場之間還是存在一定的差距)的殘差,殘差越小越好,由于存在數(shù)值精度問題,不可能得到0殘差,對于單精度計算一般應(yīng)該低于初始?xì)埐?/span>1e-03以下才好,當(dāng)注意具體情況,看各個項的收斂情況(比方說連續(xù)項不易收斂而能量項容易)。

一般在FLUENT中可以進(jìn)行進(jìn)出口流量監(jiān)控,當(dāng)殘差收斂到一定程度后,還要看進(jìn)出口流量是否穩(wěn)定平衡,才可確定收斂與否(翼型計算時要監(jiān)控升阻力的平衡)。

殘差在較高位震蕩,需要檢查邊界條件是否合理,其次檢查初始條件是否合理,比如激波的流場,初始條件的不合適會造成流場的振蕩。有時流場可能有分離或者回流,這本身是非定常現(xiàn)象,計算時殘差會在一定程度上發(fā)生振蕩,這是如果進(jìn)出口流量是否達(dá)到穩(wěn)定平衡,也可以認(rèn)為流場收斂。另外fluent缺省采用多重網(wǎng)格,在計算后期將多從網(wǎng)格設(shè)置為0可以避免一些波長的殘差在細(xì)網(wǎng)格上發(fā)生震蕩。

計算收斂標(biāo)準(zhǔn)淺析

收斂曲線,實際上就是殘值曲線。求解微分方程的時候,都是采用迭代方法進(jìn)行迭代。對于同一個節(jié)點的同一個物理值,第N次迭代的結(jié)果是c1,第N+1次迭代的結(jié)果是c2,那改點同一個物理值的殘值就可以定義為c2-c1。所以當(dāng)殘值很小的時候,也就是c1和c2基本上一樣,即流場參數(shù)不變化,達(dá)到穩(wěn)定了,所以就可以認(rèn)為計算收斂了。一般來說,計算流體力學(xué)中殘值并不簡單的等于c2-c1,應(yīng)該是單元格的通量項殘差,不過作用跟c2-c1是一樣的。在fluent的求解中,為了防止殘值過大導(dǎo)致計算出錯,在迭代中加上了松弛因子,也就是說fluent中的殘值應(yīng)該等于通量項殘值*松弛因子。為什么很多網(wǎng)友說殘值降不下去,但是把松弛因子調(diào)的很小一下就能收斂?通過這個式子就能得到解釋,所以說將松弛因子調(diào)的很小(比如說0.001),這個時候的收斂是假收斂。

大致了解了殘值代表的物理意義之后,我們就可以來分析各種收斂情況了。

定常計算

所謂的定常計算,就是計算條件(主要指邊界條件)和計算結(jié)果不隨時間變化而變化的情況,比如說翼型在小攻角下的流動。該類算例從理論上講殘值曲線應(yīng)該是能達(dá)到10-5下的,當(dāng)然,具體能達(dá)到的收斂標(biāo)準(zhǔn)還與網(wǎng)格質(zhì)量有關(guān)。有的時候也會出現(xiàn)殘值曲線震蕩的現(xiàn)象,這個時候如何去判斷是不是收斂了呢?

1. 殘值出現(xiàn)無規(guī)律的震蕩。導(dǎo)致這種情況絕大部分是由于個別網(wǎng)格質(zhì)量太差造成的,解決的辦法當(dāng)然是提高網(wǎng)格質(zhì)量了。如果實在是沒辦法修改網(wǎng)格,那就在流場中設(shè)置幾個不同的監(jiān)測點,監(jiān)測其流場參數(shù)(比如說速度,溫度,壓強等等),如果這些參數(shù)不變化了,可以認(rèn)為計算是收斂了。

如果你采用的是dpm模型,也有可能出現(xiàn)這種情況的。因為隨著粒子的不斷進(jìn)入流場,同時還有粒子被墻壁吸附,反彈,從出口的逃逸等等,這些都導(dǎo)致了流場總質(zhì)量的變化,所以連續(xù)曲線會出現(xiàn)無規(guī)律震蕩。

2. 殘值出現(xiàn)有規(guī)律震蕩。導(dǎo)致這種情況是由于流場出現(xiàn)了非定常性,也就是說雖然邊界條件是定常的,但是實際流場是非定常的,最典型的例子就是卡門渦街——雖然來流速度是不變的,但是流場是變的。這個時候通過殘值曲線判斷收斂就不太合適了。最合理的方法就是采用非定常計算,設(shè)置多個監(jiān)測點,然后監(jiān)測其流場參數(shù),如果其參數(shù)呈現(xiàn)周期性的變化,那就可以認(rèn)為是收斂了。

非定常計算

與定常計算相對應(yīng)的,非定常計算就是計算條件或計算結(jié)果隨時間變化而變化的情況。因為流場參數(shù)是變化的,所以監(jiān)測其殘值曲線已經(jīng)沒有什么意義了。我們關(guān)心的是這個過程中流場參數(shù)隨時間的變化規(guī)律,比如說投彈中,彈體隨時間的位置等等,所以對于非定常計算,需要根據(jù)你的具體要求來設(shè)置監(jiān)測曲線,比如說監(jiān)測彈體位置隨時間的變化曲線。當(dāng)然了,Fluent對于非定常計算采用的是雙時間推進(jìn)(具體的理論請參閱相關(guān)資料,我這里三言兩語講不清楚,怕誤人子弟),對于偽時間步內(nèi)的迭代,還是要保證其收斂的,就是將單步迭代步數(shù)調(diào)大。

綜上所述,你首先要搞清楚你計算的問題是定常的還是非定常的,如果是定常的就要看收斂曲線,如果是非定常的,那就不需要看收斂曲線了。

FLUENT中判斷收斂的三種方法

判斷計算是否收斂,沒有一個通用的方法。通過殘差值判斷的方法,對一些問題或許很有效,但在某些問題中往往會得出錯誤的結(jié)論。因此,正確的做法是,不僅要通過殘差值,也要通過監(jiān)測所有相關(guān)變量的完整數(shù)據(jù),以及檢查流入與流出的物質(zhì)和能量是否守恒的方法來判斷計算是否收斂。

1、監(jiān)測殘差值。

在迭代計算過程中,當(dāng)各個物理變量的殘差值都達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)時,計算就會發(fā)生收斂。Fluent默認(rèn)的收斂標(biāo)準(zhǔn)是:除了能量的殘差值外,當(dāng)所有變量的殘差值都降到低于10-3 時,就認(rèn)為計算收斂,而能量的殘差值的收斂標(biāo)準(zhǔn)為低于10-6。

2、計算結(jié)果不再隨著迭代的進(jìn)行發(fā)生變化。

有時候,因為收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置得不合適,物理量的殘差值在迭代計算的過程中始終無法滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)。然而,通過在迭代過程中監(jiān)測某些代表性的流動變量,可能其值已經(jīng)不再隨著迭代的進(jìn)行發(fā)生變化。此時也可以認(rèn)為計算收斂。

3、整個系統(tǒng)的質(zhì)量,動量,能量都守恒。

在Flux Reports

對話框中檢查流入和流出整個系統(tǒng)的質(zhì)量,動量,能量是否守恒。守恒,則計算收斂。不平衡誤差少于0.1%,也可以認(rèn)為計算是收斂的。

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