A Pera Global Company © PERA ChinaANSYS CFX 培训教材第三节：求解器设置安世亚太科技（北京）有限公司1 A Pera Global Company © PERA China概要n初始化Initializationn求解器控制Solver Controln输出控制Output Controln求解器管理Solver Manager注: 这章的重点在稳态模拟的求解器设置. 瞬态模拟的设置在后续章节.2 A Pera Global Company © PERA Chinan迭代求解的过程需要在计算前对所有的求解变量指定一个初始值n合理的初值可以减少求解时间n在个别情况下，不合理的初值可能在计算开始的几步就导致求解失败n设置初值的3个方法:1.求解器自动计算初值2.手动输入初值3.以计算结果作为初值n可以对每个domain进行初值设置，也可以对所有domain设置全局初值初始化3 A Pera Global Company © PERA China初始化– 设置初值n在工具栏中点击插入Global Initialisation 或右键 Flow Analysis 1选择插入Global Initialisation n编辑各个Domain，设置不同初值–当两者都定义，局部初值定义优先–固体domain必须进行处置设定4 A Pera Global Company © PERA China初始化– 设置初值n初值选项为Automatic，表示CFX-Solver会为求解变量计算一个初值. –将基于边界条件和domain的设置n初值选项为Automatic with Value，表示CFX-Solver 以设定的值作为求解变量的计算初值.–可以是常数或表达式n当以计算结果作为初值时，以上设置失效.5 A Pera Global Company © PERA China初始化 – 以计算结果为初值n启动Solver时，可以勾选一计算结果作为流场计算的初值–可以提供多个初值文件•当模拟一个体系时，可以以体系的每个组件的计算结果作为相应组件的计算初值•通常，每个文件应该是空间分离的•最好求解器输入文件的domains与多初值文件的domains不重叠6 A Pera Global Company © PERA China求解器控制 – 编辑7 A Pera Global Company © PERA Chinan求解器控制面板——包括影响求解器的各种控制n这些控制影响求解精度、求解稳定性以及求解时间求解器控制 – 选项8 A Pera Global Company © PERA China求解器控制– 对流格式n对流项格式指在输运方程中对对流项的数值离散方法n三种可供选择的格式：High Resolution, Upwind 和 Specified Blend–后续将有讨论n默认的High Resolution格式，一般不作修改UnsteadyAdvectionDiffusionGeneration9 A Pera Global Company © PERA China求解器控制 – 对流格式理论n求解数据储存在节点(nodes)上, 但是在计算控制体面上的变量流时，会用到面上的变量值n上游节点值(fup)会被插值到控制体的面上节点 :–这里 是变量梯度， 是上游节点到插值节点的矢量–换言之, ip 点的值等于up上游的值+一基于梯度的修正–0<<1…10 A Pera Global Company © PERA China求解器控制 – 对流格式理论n如果 = 0 得到迎风(upwind)对流格式, 即无修正–求解收敛性较好，但仅有一阶精度–通常用这种方法作初步计算n指定混合格式，指定 值(0~1), (即. 介于无修正到全修正)–容易出现超过或者低于实际物理值的结果nHigh resolution：在整个流体域中， 值一直保持最大–与物理值基本保持一致TheoryHigh ResolutionSchemeUpwind Scheme=1.00Flow is misaligned with mesh0111 A Pera Global Company © PERA China求解器控制 – 湍流n湍流方程的离散格式默认的为迎风(Upwind)格式–通常的应用足够n也能采用高精度的求解格式–对非结构化网格的边界层计算中会得到更精确的计算结果12 A Pera Global Company © PERA China收敛控制n当求解器达到最大的迭代步数以后，求解结束–达到最大求解步，但是为获得收敛结果–可以设较多的迭代步数n求解结束后，需要检查求解结束的原因n在稳态模拟中，需要设置流体的时间步…13 A Pera Global Company © PERA ChinanANSYS CFX 采用的是所谓的“伪瞬态算法”–时间步是完成求解的每个时间段n在稳态模拟计算中，时间步提供了非线性方程的松弛因子n一个稳态的模拟是从初始值到稳态解的瞬态演变过程–收敛的结果与所使用的时间步无关Initial Guess50 iterations100 iterations150 iterationsFinal Solution求解器控制 – 时间步14 A Pera Global Company © PERA Chinan时间步在CFX的计算中，起了非常重要的作用–如果时间步太大，收敛困难，甚至会计算失败–如果时间步太小，收敛速度将降低，时间代价较大求解器控制 – 时间步15 A Pera Global Company © PERA China求解器控制 – 时间步n对对流项占主导的流动，可以将流体在流体区域的驻留时间作为时间步–最佳时间步：取长度尺度/速度尺度的 1/3–对复杂物理现象的流动，超音速流动等等，在开始迭代的几步可能需要较小的时间步n对旋转机械, 推荐时间步取1/ ( 的单位为rad/s) n对浮力驱动流, 时间步应该是基于重力, 热膨胀率, 温差和长度尺度等各种量的函数16 A Pera Global Company © PERA Chinan时间步有三种：Auto Timescale, Physical Timescale 或 Local Timescale FactornPhysical Timescale–指定时间步. 可以指定时间步为常数，也可以指定为表达式–可以设置比Auto Timescale更合理的时间步—可以更快收敛求解器控制 – 时间步17 A Pera Global Company © PERA China求解器控制 – 时间步nAuto Timescale–基于边界/初始条件或domain的长度尺度，求解器计算出的时间步–对计算域长度尺度的估算有两种方式Conservative 或 Aggressive ，或可以给一个指定的值–流场改变时，时间步会在几步迭代后得到更新–可以设置一个最大时间步为时间步上限–时间步会趋向于保守的时间步值–时间步因子(Timescale factor) (默认值为1)是个乘数因子，用于自动调节时间步18 A Pera Global Company © PERA Chinan局部时间步因子Local Timescale Factor–Domain中不同的地方，时间步不同 –当局部时间差别较大时，可以加速收敛•如. 高压喷射模拟–用于网格大小基本一致的情况, 因为小的网格对应于小的时间尺度，这样会使收敛变慢–Local Timescale Factor是局部时间步的乘数因子–不能以局部时间步完成求解(一般用于计算的过程); 完成计算的时间步一般都是以常数时间步(constant timescale).局部时间步Local Timescale =局部网格尺度Local Mesh Length Scale局部速度尺度Local Velocity Scale在高速/高质量网格处采用较小的时间步求解器控制 – 时间步19 A Pera Global Company © PERA China求解器控制 – 收敛标准n收敛标准用于判别求解是否收敛，以及是否停止求解器的运行–假定最大的迭代步数未达到n残差是求解方程应达到的精度–求解的过程是从初始解逐渐逼近理论上的精确解，但是永远不能达到精确解–小的残差设置=高的方程求解精–高的方程精确求解≠整个求解的高精度 – 取决于方程对真实系统的描述是否合适!–残差是表征精度高低的一个量度，其它的量度还有:•监测点和不平衡量20 A Pera Global Company © PERA Chinan连续的控制方程被离散为一系列可以求解的线性方程. 这些线性方程可以写为: [A] [Φ] = [b]这里 [A]是系数矩阵 ，[Φ] 是求解变量n将方程写为下列形式:[A] [Φ] - [b] = [0]n如果以[R]表示数值计算的残差矢量，那么有:[A] [Φ] - [b] = [R]n残差面板可显示每个控制体的平均或者最大残差求解器控制 – 残差21 A Pera Global Company © PERA Chinan残差类型–MAX: 收敛曲线基于控制体的最大残差值–RMS: 收敛基于所有控制体的平均残差–RMS(Root Mean Square) = n残差目标–合理的残差目标：MAX应达到1.0E-3, RMS应达到1.0E-4–根据所需精度确定残差目标•残差目标越小需要的计算精度越高求解器控制 – 残差22 A Pera Global Company © PERA China求解器控制– 收敛目标n设定守恒目标(Conservation Target)= 设定全局的非平衡量目标n非平衡量表征流体域内所有量(质量, 动量, 能量)的守恒性•对收敛解Flux In=Flux Out•建议在求解的过程中，设置守恒目标和/或守恒监测•有了守恒目标, 求解器必须在既满足残差目标，又满足守恒目标下才能停止求解 (假定最大迭代次数未达到)•守恒目标设为0.01 (1%)或更小–Flux In – Flux Out < 1%23 A Pera Global Company © PERA Chinan总时间控制(Elapsed Time Control)–可以为求解指定一个最大的总时间(wall clock time)–计算的时间到了这个时间以后，不论求解收敛与否都会停止n中断控制(Interrupt Control)–指定另外的停止计算的标准(通过CEL表达式的方法)–当表达式的值为 true 时，求解器停止计算•Any value >= 0.5 为 true求解器控制–例如•若温度超过一个指定的值if(areaAve(T)@wall>200[C],1,0)•做动网格的时候，网格质量下降到一个指定的值–详情，见CEL章24 A Pera Global Company © PERA Chinan用于当求解域中包含固体域时，对固体时间步的设置n固体时间步要大于流体时间步 (至少100倍)–固体域内能量方程非常稳定–固体时间步远大于流体时间步求解器控制 – 固体域时间步控制•流体时间步的估算： Length Scale / Velocity Scale•固体时间步是基于长度尺度, 导热系数，密度和比热的函数–也可以选择物理时间步或者直接给一个时间步25 A Pera Global Company © PERA Chinan方程的分类设置(Equation Class Settings)按钮 提供一个高级的选择，用于对某些方程进行特别的求解控制–一般不用–将取代在Basic Settings 中对相应方程的控制设置n高级选项(Advanced Options)–高级求解器控制选项–极少用到求解器控制– 方程的分类设置26 A Pera Global Company © PERA China输出控制 – 结果n输出控制(Output Control) 用于控制输出的量–Trn Results, Trn Stats和Export 按钮仅仅用于瞬态模拟的情况，以后再讲nResults 按钮控制最终的结果文件( .res)–不推荐通过Selected Variables (或 None!) 的方式进行结果输出控制 . 可能导致后处理数据不足–输出方程残差(Output Equation Residuals), 用于检查计算的收敛性–额外的输出变量列表(Extra Output Variables List), 选择没有包含 于标准结果文件的变量•例如. 涡量(Vorticity)27 A Pera Global Company © PERA China可以调整输出频率可以调整输出频率输出控制– 备份nBackup按钮用于控制求解器是否以及何时自动的写出备份文件n推荐用于计算时间较长的情况，如出现断电、网络问题等n选项:–Standard: 等同于完整的结果文件–Essential: 允许完全重算–Smallest: 允许重启求解器，以某计算结果为初值计算–Selected Variables: 不推荐n也能在任何时候通过求解器管理器手动的写出备份文件28 A Pera Global Company © PERA Chinan监测(Monitor)键用于监测点的创建–求解器运行时，监测关心的值的变化趋势nCartesian Coordinates 选项用于监测在一个指定点的变量变化趋势nExpression 选项用于监测CEL表达式的值–如. 计算进口边界上的面积平均的Cp值： areaAve(Cp)@inlet–如. 某流体通过出口的质量流: oil.massFlow()@outletn在稳态模拟中，可以创建任何关心量的监测–可以作为判断计算是否收敛的另一个标准：监测量的值不再改变输出控制 – 监测29 A Pera Global Company © PERA ChinanCFX-Solver Manager用于:–定义求解–交互式的控制CFX-Solver–观察求解信息–输出数据求解器管理器30 A Pera Global Company © PERA Chinan定义新的求解n求解器输入文件应该是 .def文件–也可以采用.res, .bak或者 _full.trn文件，重启以前未完成的求解n当改变了物理设置后再计算，可以创建一个新的.def文件 ，然后选择.res, .bak 或 _full.trn文件作为初值进行计算–若物理设置未改变, 这个操作等同于将 .res/ .bak/ 或_full.trn文件作为输入文件nUse Mesh From选择使用的网格. 如果网格相同，两个选项都可以，如果不同：–如果选用Solver Input File, 则初始值会被内插值到输入文件–如选用Initial Values mesh，那么只用到输入文件的物理设置n以初值的收敛残差曲线为基础继续显示残差曲线求解器管理器– 定义求解31 A Pera Global Company © PERA China求解器管理器– 并行计算的定义n求解器默认为单机计算(serial)–本机上的单求解器运行nRun Mode 用于并行计算的设置–需要并行 licenses–将大的CFD问题分解成多个部分进行计算•计算更快•利用多个计算机的内存进行大规模计算n单机上的并行计算，应选用Local Parallel模式n多台计算机机上的并行计算，应选用Distributed Parallel 模式32 A Pera Global Company © PERA ChinanSerialnLocal ParallelnDistributed Paralleln提供不同的通讯方法 (MPICH2, HP MPI, PVM)–详情请看“When To Use MPI or PVM”, 在大多数情况下推荐采用HP MPI的通讯方式求解器管理器– 并行计算的定义33 A Pera Global Company © PERA Chinan勾选Show Advanced Control，显示出Partitioner, Solver 和 Interpolator按钮n在 Partitioner 按钮内,可以选择不同的切割(partitioning)算法–切割是一个系列过程–对大的计算，难以在机子之间进行合理的内存分配–默认的MeTiS算法耗费内存较大, 如果内存不够可以选择其他的方法 (详情见帮助文件)nMultidomain选项:–Independent Partitioning: 每个被切割为n 个部分–Coupled Partitioning: 所有domain作为一个整体，然后被分割成n个部分求解器管理器 – 定义求解高级控制34 A Pera Global Company © PERA ChinanSolver 里，可选择双精度计算–计算中，更精确的有效数字–双倍的求解器内存要求–当圆整误差(round-off error )相对“较大”时, 选用双精度 – 当对某个变量“较小”的变化也很重要的时候. 这个“较小”，指的是相对于该变量的全局变化而言, 例如:•网格运动的例子, 网格的运动相对于整个domain是很小•大多数的 CHT例子, 流体和固体的热传导率相差非常大•如果压力变化范围很大, 但是小的压力变化很重要求解器管理器 – 定义求解高级控制•正式计算之前，求解器会估算内存要求正式计算之前，求解器会估算内存要求•Memory Alloc Factor是估算值的乘数因子是估算值的乘数因子–值可以适当加大，以增加内存对计算内存的分配值可以适当加大，以增加内存对计算内存的分配35 A Pera Global Company © PERA China求解管理器 – 交互式控制nEdit Run in Progress可以在计算过程中改变一些设置–通常不能改变模型, 但是可以改变时间步, BC等36 A Pera Global Company © PERA China.out fileMonitor Plot求解器管理器 – 添加求解监测Right-clickn默认的监测曲线是各个方程的RMS残差曲线，再加上定义的监测点曲线n点击右键，可以实现RMS与 MAX之间的切换n可以添加的监测:–非平衡量(Imbalances)–边界流量(Boundary fluxes)–边界上的力(Boundary forces)•切应力(Tangential -viscous)•压应力(Normal-pressure)–源项(Source terms) …New Monitor37 A Pera Global Company © PERA ChinaStart a new SimulationMonitor Run in ProgressMonitor Finished RunStop Current RunSave Current RunSwitch Residual Plot between RMS and MAX求解器管理器 – 其它按钮38 谢谢A Pera Global Company © PERA China39 。