Fluent中计算收敛标准浅析

2017-01-11  by:CAE仿真在线  来源:互联网


FLUENT中残差的概念:

残差是cell各个face的通量之和,当收敛后,理论上当单元内没有源项使各个面流入的通量也就是对物理量的输运之和应该为零。最大残差或者RSM残差反映流场与所要模拟流场(只收敛后应该得到的流场,当然收敛后得到的流场与真实流场之间还是存在一定的差距)的残差,残差越小越好,由于存在数值精度问题,不可能得到0残差,对于单精度计算一般应该低于初始残差1e-03以下才好,当注意具体情况,看各个项的收敛情况(比方说连续项不易收敛而能量项容易)。

一般在FLUENT中可以进行进出口流量监控,当残差收敛到一定程度后,还要看进出口流量是否稳定平衡,才可确定收敛与否(翼型计算时要监控升阻力的平衡)。

残差在较高位震荡,需要检查边界条件是否合理,其次检查初始条件是否合理,比如激波的流场,初始条件的不合适会造成流场的振荡。有时流场可能有分离或者回流,这本身是非定常现象,计算时残差会在一定程度上发生振荡,这是如果进出口流量是否达到稳定平衡,也可以认为流场收敛。另外fluent缺省采用多重网格,在计算后期将多从网格设置为0可以避免一些波长的残差在细网格上发生震荡。

计算收敛标准浅析

收敛曲线,实际上就是残值曲线。求解微分方程的时候,都是采用迭代方法进行迭代。对于同一个节点的同一个物理值,第N次迭代的结果是c1,第N+1次迭代的结果是c2,那改点同一个物理值的残值就可以定义为c2-c1。所以当残值很小的时候,也就是c1c2基本上一样,即流场参数不变化,达到稳定了,所以就可以认为计算收敛了。一般来说,计算流体力学中残值并不简单的等于c2-c1,应该是单元格的通量项残差,不过作用跟c2-c1是一样的。在fluent的求解中,为了防止残值过大导致计算出错,在迭代中加上了松弛因子,也就是说fluent中的残值应该等于通量项残值*松弛因子。为什么很多网友说残值降不下去,但是把松弛因子调的很小一下就能收敛?通过这个式子就能得到解释,所以说将松弛因子调的很小(比如说0.001),这个时候的收敛是假收敛。

大致了解了残值代表的物理意义之后,我们就可以来分析各种收敛情况了。

定常计算

所谓的定常计算,就是计算条件(主要指边界条件)和计算结果不随时间变化而变化的情况,比如说翼型在小攻角下的流动。该类算例从理论上讲残值曲线应该是能达到10-5下的,当然,具体能达到的收敛标准还与网格质量有关。有的时候也会出现残值曲线震荡的现象,这个时候如何去判断是不是收敛了呢?

1. 残值出现无规律的震荡。导致这种情况绝大部分是由于个别网格质量太差造成的,解决的办法当然是提高网格质量了。如果实在是没办法修改网格,那就在流场中设置几个不同的监测点,监测其流场参数(比如说速度,温度,压强等等),如果这些参数不变化了,可以认为计算是收敛了。

如果你采用的是dpm模型,也有可能出现这种情况的。因为随着粒子的不断进入流场,同时还有粒子被墙壁吸附,反弹,从出口的逃逸等等,这些都导致了流场总质量的变化,所以连续曲线会出现无规律震荡。

2. 残值出现有规律震荡。导致这种情况是由于流场出现了非定常性,也就是说虽然边界条件是定常的,但是实际流场是非定常的,最典型的例子就是卡门涡街——虽然来流速度是不变的,但是流场是变的。这个时候通过残值曲线判断收敛就不太合适了。最合理的方法就是采用非定常计算,设置多个监测点,然后监测其流场参数,如果其参数呈现周期性的变化,那就可以认为是收敛了。

非定常计算

与定常计算相对应的,非定常计算就是计算条件或计算结果随时间变化而变化的情况。因为流场参数是变化的,所以监测其残值曲线已经没有什么意义了。我们关心的是这个过程中流场参数随时间的变化规律,比如说投弹中,弹体随时间的位置等等,所以对于非定常计算,需要根据你的具体要求来设置监测曲线,比如说监测弹体位置随时间的变化曲线。当然了,Fluent对于非定常计算采用的是双时间推进(具体的理论请参阅相关资料,我这里三言两语讲不清楚,怕误人子弟),对于伪时间步内的迭代,还是要保证其收敛的,就是将单步迭代步数调大。

综上所述,你首先要搞清楚你计算的问题是定常的还是非定常的,如果是定常的就要看收敛曲线,如果是非定常的,那就不需要看收敛曲线了。

FLUENT中判断收敛的三种方法

判断计算是否收敛,没有一个通用的方法。通过残差值判断的方法,对一些问题或许很有效,但在某些问题中往往会得出错误的结论。因此,正确的做法是,不仅要通过残差值,也要通过监测所有相关变量的完整数据,以及检查流入与流出的物质和能量是否守恒的方法来判断计算是否收敛。

1、监测残差值。

在迭代计算过程中,当各个物理变量的残差值都达到收敛标准时,计算就会发生收敛。Fluent默认的收敛标准是:除了能量的残差值外,当所有变量的残差值都降到低于10-3 时,就认为计算收敛,而能量的残差值的收敛标准为低于10-6

2、计算结果不再随着迭代的进行发生变化。

有时候,因为收敛标准设置得不合适,物理量的残差值在迭代计算的过程中始终无法满足收敛标准。然而,通过在迭代过程中监测某些代表性的流动变量,可能其值已经不再随着迭代的进行发生变化。此时也可以认为计算收敛。

3、整个系统的质量,动量,能量都守恒。

Flux Reports

对话框中检查流入和流出整个系统的质量,动量,能量是否守恒。守恒,则计算收敛。不平衡误差少于0.1%,也可以认为计算是收敛的。



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