Fluent中計算收斂標準淺析

2017-01-11 by:CAE仿真在線來源:互聯網

FLUENT中殘差的概念:

殘差是cell各個face的通量之和,當收斂后,理論上當單元內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(只收斂后應該得到的流場,當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,由于存在數值精度問題,不可能得到0殘差,對于單精度計算一般應該低于初始殘差1e-03以下才好,當注意具體情況,看各個項的收斂情況(比方說連續項不易收斂而能量項容易)。

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

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,這本身是非定常現象,計算時殘差會在一定程度上發生振蕩,這是如果進出口流量是否達到穩定平衡,也可以認為流場收斂。另外fluent缺省采用多重網格,在計算后期將多從網格設置為0可以避免一些波長的殘差在細網格上發生震蕩。

計算收斂標準淺析

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行迭代。對于同一個節點的同一個物理值,第N次迭代的結果是c1,第N+1次迭代的結果是c2,那改點同一個物理值的殘值就可以定義為c2-c1。所以當殘值很小的時候,也就是c1和c2基本上一樣,即流場參數不變化,達到穩定了,所以就可以認為計算收斂了。一般來說,計算流體力學中殘值并不簡單的等于c2-c1,應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中的殘值應該等于通量項殘值*松弛因子。為什么很多網友說殘值降不下去,但是把松弛因子調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該是能達到10-5下的,當然,具體能達到的收斂標準還與網格質量有關。有的時候也會出現殘值曲線震蕩的現象,這個時候如何去判斷是不是收斂了呢?

1. 殘值出現無規律的震蕩。導致這種情況絕大部分是由于個別網格質量太差造成的,解決的辦法當然是提高網格質量了。如果實在是沒辦法修改網格,那就在流場中設置幾個不同的監測點,監測其流場參數(比如說速度,溫度,壓強等等),如果這些參數不變化了,可以認為計算是收斂了。

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

2. 殘值出現有規律震蕩。導致這種情況是由于流場出現了非定常性,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,設置多個監測點,然后監測其流場參數,如果其參數呈現周期性的變化,那就可以認為是收斂了。

非定常計算

與定常計算相對應的,非定常計算就是計算條件或計算結果隨時間變化而變化的情況。因為流場參數是變化的,所以監測其殘值曲線已經沒有什么意義了。我們關心的是這個過程中流場參數隨時間的變化規律,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,需要根據你的具體要求來設置監測曲線,比如說監測彈體位置隨時間的變化曲線。當然了,Fluent對于非定常計算采用的是雙時間推進(具體的理論請參閱相關資料,我這里三言兩語講不清楚,怕誤人子弟),對于偽時間步內的迭代,還是要保證其收斂的,就是將單步迭代步數調大。

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論。因此,正確的做法是,不僅要通過殘差值,也要通過監測所有相關變量的完整數據,以及檢查流入與流出的物質和能量是否守恒的方法來判斷計算是否收斂。

1、監測殘差值。

在迭代計算過程中,當各個物理變量的殘差值都達到收斂標準時,計算就會發生收斂。Fluent默認的收斂標準是:除了能量的殘差值外,當所有變量的殘差值都降到低于10-3 時,就認為計算收斂,而能量的殘差值的收斂標準為低于10-6。

2、計算結果不再隨著迭代的進行發生變化。

有時候,因為收斂標準設置得不合適,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準。然而,通過在迭代過程中監測某些代表性的流動變量,可能其值已經不再隨著迭代的進行發生變化。此時也可以認為計算收斂。

3、整個系統的質量,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的質量,動量,能量是否守恒。守恒,則計算收斂。不平衡誤差少于0.1%,也可以認為計算是收斂的。

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