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1、ANSYS FLUENT 培训教材 第四节：求解器设置,安世亚太科技（北京）有限公司,概要,使用求解器（求解过程概览） 设置求解器参数 收敛 定义 监测 稳定性 加速收敛 精度 网格无关性 网格自适应 非稳态流模拟（后续章节中介绍） 非稳态流问题设置 非稳态流模型选择 总结 附录,求解过程概览,求解参数 选择求解器 离散格式 初始条件 收敛 监测收敛过程 稳定性 设置松弛因子 设置 Courant number 加速收敛 精度 网格无关性 自适应网格,求解器选择,FLUENT中有两种求解器 压力基和密度基。 压力基求解器以动量和压力为基本变量 通过连续性方程导出压力和速度的耦合算法 压力基求解
2、器有两种算法 分离求解器 压力修正和动量方程顺序求解。 耦合求解器 (PBCS) 压力和动量方程同时求解,求解器选择,密度基耦合求解器 以矢量方式求解连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程 通过状态方程得到压力 其他标量方程按照分离方式求解 DBCS 可以显式或隐式方式求解 隐式 使用高斯赛德尔方法求解所有变量 显式: 用多步龙格库塔显式时间积分法。,Enabling pressure-based coupled solver (PBCS),如何选择求解器,压力基求解器应用范围覆盖从低压不可压缩流到高速压缩流 需要的内存少 求解过程灵活 压力基耦合求解器 (PBCS) 适用于大多数单相流，比
3、分离求解器性能更好 不能用于多相流（欧拉）、周期质量流和 NITA 比分离求解器多用1.52倍内存 密度基耦合求解器 (DBCS)适用于密度、能量、动量、组分间强耦合的现象 例如: 伴有燃烧的高速可压缩流动，超高音速流动、激波干扰 隐式方法一般优于显式，因为其对时间步有严格的限制 显式方法一般用于流动时间尺度和声学时间尺度相当的情况（如高马赫激波的传播）,离散化（插值方法）,存储在单元中心的流场变量必须插值到控制体面上 对流项的插值方法有: First-Order Upwind 易收敛，一阶精度。 Power Law 对低雷诺数流动 （ Recell 5 ）比一阶格式更精确 Second-Or
4、der Upwind 尤其适用流动和网格方向不一致的四面体/三角形网格，二阶精度，收敛慢 Monotone Upstream-Centered Schemes for Conservation Laws (MUSCL) 对非结构网格，局部三阶精度，对二次流、旋转涡、力等预测的更精确 Quadratic Upwind Interpolation (QUICK) 适用于四边形/六面体以及混合网格，对旋转流动有用，在均匀网格上能达到三阶精度,插值方法（梯度）,为了得到扩散通量、速度导数，以及高阶离散格式，都需要求解变量的梯度 单元中心的变量梯度由以下三种方法得到: Green-Gauss Cell-
5、Based 可能会引起伪扩散 Green-Gauss Node-Based 更精确，更少伪扩散，建议对三角形/四面体网格采用 Least-Squares Cell-Based 建议对多面体网格采用，精度和属性同Node-based 面上的梯度用多级泰勒级数展开求得,压力的插值方法,使用分离算法时，计算面上压力的插值方法有: Standard 默认格式，对于近边界的沿面法向存在大压力梯度流动，精度下降（如果存在压力突变，建议改用 PRESTO! ） PRESTO! 用于高度旋流，包括压力梯度突变（多孔介质，风扇模型等）或者计算域存在大曲率的面 Linear 当其他格式导致收敛问题或非物理解时使用
6、 Second-Order 用于压缩流，不适用多孔介质、风扇、压力突变以及VOF/Mixture 多相流 Body Force Weighted 用于大体积力的情况，如高瑞利数自然对流或高旋流,压力速度耦合,压力基求解器通过连续性方程和动量方程导出压力方程或压力修正方程 FLUENT中有四种耦合方式 Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations (SIMPLE) 默认算法，稳健性好 SIMPLE-Consistent (SIMPLEC) 对简单问题，收敛更快，如层流 Pressure-Implicit with Splitting of
7、Operators (PISO) 对非稳态流动或者高扭曲度网格有用 Fractional Step Method (FSM) 对非稳态问题 和 NITA 合用，类似 PISO.,初始化,FLUENT 要求所有的求解变量有初始值 更真实的初值能提高收敛稳定性，加速收敛过程. 有些情况需要一个好的初值 在特定区域对特定变量单独赋值 自由射流（喷射区高速） 燃烧问题 （高温激活反应） 单元标注（自适应）,FMG 初始化,Full MultiGrid (FMG) 能用来创建更好的初场。 FMG 初始化对包括大的压力梯度和速度梯度的复杂流动有用 在粗级别网格上求解一阶欧拉方程 可用于压力基或密度基求解器
8、，但限于稳态问题 启动 FMG 初始化 压力基求解器: /solve/init/fmg-initialization 密度基求解器: 当选择密度基求解器后在 GUI里可见 FMG 在粗网格上用多重网格求解 通过 TUI 命令来设置/solve/init/set-fmg-initialization,检查Case,Case Check 功能发现一些常见的错误设置和不一致性 提供选择参数和模型的指导 用于可以直接应用或忽略这些建议,收敛性,计算收敛时应该满足: 所有离散的守恒方程（动量、能量等）在所有的单元中满足指定的误差或者结果随计算不再改变 全局的质量、动量、能量和标量达到平衡 使用残差历史曲
9、线来监测收敛： 一般地，残差下降三个量级表示至少达到定性的收敛，流场的主要特征已经形成。 压力基求解器的能量残差应下降到10-6 组分残差应下降到10-5 监测定量的收敛: 监测其他关键的物理量 确保全局的质量、能量、组分守恒。,监测收敛-残差,残差图显示何时收敛达到指定标准,监测收敛-力和面上的变量,除了残差外，也可以监测升力、阻力和力矩系数 边界或其他定义的面上的导出变量或函数（如面积分）,检查全局通量守恒,除了监测残差和变量历史外，也可以检查全局热和质量平衡 净通量差值（Net Results）应该小于通过边界最小通量的1%,残差与收敛,如果监测到求解已经收敛，但计算结果还在改变，或还有
10、大的质量/热量不平衡，这表示求解还未收敛 此时，你应该: 减小残差标准或关闭监测残差的窗口 继续迭代直至计算收敛 在Convergence Criterion 窗口选择 None关闭监测 残差的窗口,收敛遇到的困难,对一些病态问题，差质量的网格或不合适的求解设置，都可能出现数值不稳定性 表现为残差曲线上扬（发散）或不下降 发散意味守恒方程的不平衡增加 没收敛的结果会误导使用者 解决方法 确保问题是物理合理的 用一阶离散格式计算一个初场 对压力基求解器，减少发散方程的 松弛因子 对密度基求解器，减少Courant 数 重新生成网格或加密质量差的网格 注意网格自适应不能提高扭曲度大 的网格质量,C
11、ontinuity equation convergence trouble affects convergence of all equations.,修改松弛因子,松弛因子用来稳定压力基求解器的迭代过程 以缺省的松弛因子开始计算 减少动量方程的松弛因子经常有助于收敛 缺省值对大多数问题都适用，需要时你可以改变这些值 合适的设置最好通过经验获得 对密度基求解器，对耦合方程组外的方程，松弛因子同样有用,修改 Courant 数,对密度基求解器，即使稳态问题，也存在瞬态项 用Courant 定义时间步长 对显式求解器: 稳定性约束限制了最大Courant 数 不能超过 2（缺省为1） 有收敛困难
12、时减少 Courant 数 对隐式求解器: Courant 没有稳定性约束限制 缺省值为 5.,加速收敛,可以通过以下方法加速收敛: 设置更好的初场 从前次的计算结果开始（如需要，可以使用file/interpolation） 渐次增加松弛因子或Courant数 过高的值容易引起发散 继续迭代是应保存case和date文件 控制多重网格求解器设置 （一般不推荐） 缺省设置一般足够稳定，不建议修改,从已有结果开始计算,已有的计算结果可以作为初场使用 使用结果插值（如密网格计算以粗网格结果为初值开始） 初始化后，新的迭代从目前数据开始 一些建议:,求解精度,收敛的结果不一定是正确的 需要利用其他数
13、据或物理知识对结果进行检查和评价 用二阶上风格式获得最终解 确保结果是网格无关的: 用自适应加密网格或重新划分网格来研究网格无关性 如果流场结果看起来不合理: 重新考虑物理模型和边界条件 检查网格质量，如必要，重新划分网格 重新考虑边界条件或域的位置，不充分的边界对结果精度影响很大,网格质量和求解精度,数值误差和网格梯度及网格面上插值相关 建议: 使用高阶离散格式 (二阶上风, MUSCL) 尽量让网格和流动方向一致减少伪扩散 加密网格 足够的网格密度对求解有突变的流动非常有用 随着网格尺寸减少，插值误差也减少 对非均匀网格，尺寸变化不要太大 均匀网格的截断误差小 FLUENT 提供基于网格尺
14、寸梯度的自适应 减小网格扭曲度和长细比 一般地，避免使用长细比大于5的网格（边界层允许使用更大长细比的网格） 优化四边形/六面体网格，使其更接近正交 优化三边形/四面体网格，使其更接近等边,网格无关解,当加密网格，结果不再改变时，称为网格无关解。 得到网格无关解的过程: 生成一个新的、更密的网格 回到网格阶段，手动调整网格 或者，用自适应. 重要: 首先保存 case 和 data文件 创建自适应网格，插值原结果到密网格上。FLUENT提供动态网格自适应，会根据用户定义的标准自动改变网格 继续计算直至收敛。 比较两次结果的解。 如有必要，重复以上过程 要对某一问题，使用不同网格时，可以使用 TUI 命令file/write-bc 和 file/read-bc 来设置新问题。 通过插值能得到更好的初场,总结,压力基和密度基求解器的计算过程是相同的 计算直至收敛 获得二阶精度的解（建议） 加密网格重新计算直至得到网格无关解 两种求解器都提供了提高收敛和稳定性的工具 两种求解器都提供了检查和改善精度的工具 结果的精度取决于合适的物理模型和设定的边界条件,谢谢,A Pera Global Company PERA China,
