CFD计算过程发散诸多原因分析.ppt

CFD计算过程发散诸多原因分析,cfd 计算是将描述物理问题的偏微分方程转化为代数方程组求解，从而得到离散空间上指定点上的值，而其他位置的值通过插值来完成。这本质是将非线性方程线性化并求解的过程，我是这样理解的，对于物理问题真解随时间的变化是一条曲线，而求解过程中不断的求解曲线的斜率，并实现时间的上的步进(可以理解为1阶导数)。如果在指定的时间步长内斜率变化很小，这种步进是可以满足方程要求的，并可以得到将来任意时刻的近似解。然而，如果变化比较大时，实际的变化过程将不能通过线性化方法来处理，这时候再使用这种方法就会出现问题。随着时间的推移，数值解越来越偏离真解，最终引起发散。对于我们求解的流动问题，有下面几种可能会引起计算过程的发散 1)时间步长过大 这点很容易理解，时间步长过长可能会造成时间段内，斜率变化较大，从而会造成数值解偏离真解。一般而言，对于显式方法要求在指定的时间步长内流体流动不能超过一个网格(库朗数限制)。 对于NS方程SIMPLE系列算法而言，需要通过压力来显式修正表面流率和速度，如果修正次数过少，通常会造成修正后的速度和真实速度偏离较大，下一时间步求解速度的时候会得到一个不真实的表面流率，从而影响下一个时刻的速度求解，进而影响压力，长期计算会影响造成误差积累设置发散。因此，压力修正次数要有一定的限制。一般而言对于2d问题，23次能够满足要求，而对于3d问题34次应该可以，但也和具体问题有关系，同一个问题3d的比2d的要求修正次数多。,2)非正交修正 在网格正交性比较差的情况下，直接利用正交网格导出的扩散项离散过程通常会引起误差，通常将离散过程分为正交和非正交两部分，正交部分隐式处理，非正交部分显示处理。非正交中压力值采用了上一层迭代的值，因此会影响收敛性。当网格质量较差时，可以指定一定量的非正交循环，不需要太多3次以内即可。 3)负扩散系数 扩散过程描述的是从物理量从高浓度向低浓度的传输过程，负扩散系数会造成低浓度向高浓度的传输，这和实际物理现象不符的，长期模拟下去会造成局部浓度过度增加，从而造成发散。引起负扩散系数原因很多，比如湍流模型求出来的湍流粘性为负值，或者你误将扩散项前面的-写成了+。 4)不适当的边界条件 边界条件不合理也会引起方程的发散，比如开口系统只有进口没有出口。对于不可压缩流而言，边界条件的设置方法见前面博文。需要指出的时，湍流k-e模型中入口通常需要根据经验关系式指定，而并非随意给值，这常常是初学者常见的问题。 5)不合适的代数方程求解器 对于一些问题，离散后的代数方程需要采用一些性能优越的代数方程求解器。特别是对于3d问题，网格单元数越多对代数方程求解器要求越高，如果采用传统的 pcg(pbicg)+传统预条件有时候在指定的迭代步内(openfoam默认1001)很难收敛到你指定的精度。这时，可以选用GAMG或者 pcg+GAMG等代数求解器，以确保较少时间步收敛到指定解。,6)过大的源项 源项过大是引起方程发散的一个重要原因，当自己写程序或者做耦合计算的时候，不妨检查一下你的源项。 7)对流项离散 对流项的离散格式对收敛性的影响很多cfd的书上都有介绍。 一般而言低阶格式较稳定，高阶稳定性则较差。 8)不合适的初始场 对于cfd计算初始场往往设置具有较大的随意性，特别是对于稳态问题更是如此。如果设置的初值偏离真实物理量太远会造成一开始就发散。对于稳态问题，可以采用势流的求解结果作为初始场进行进一步迭代，这样会大大改善收敛性。 9)求解过程中物理量越界 有些求解的物理量通常是有界的，比如体积分率应该在0 1之间，而k 和 e 应当是大于0的数目，而在求解过程中由于离散方程植入不慎，会造成求解变量不在其物理范围之内，从而造成发散。因此对于有界量跟踪方程植入过程应特别注意。,元计算科技发展有限公司是一家既年青又悠久的科技型企业。年青是因为她正处在战略重组后的初创期，悠久是因为她秉承了中国科学院数学研究所在有限元和数值计算方面所开创的光荣传统。元计算的目标是做强中国人自己的计算技术，做出中国人自己的CAE软件。 元计算秉承中国科学院数学与系统科学研究院有限元自动生成核心技术（曾获中科院科技进步二等奖、国家科技进步二等奖），通过自身不懈的努力与完善，形成一系列具有高度前瞻性和创造性的产品。 元计算产品适用范围广泛，目前有国内外专业客户300余家，涉及美、加、日、韩、澳、德、新等国，遍布石油化工、土木建筑、电磁电子、国防军工、装备制造、航空航天等多个领域。,有限元语言及编译器（Finite Element Language And its Compiler，以下简称FELAC）是中国科学院数学与系统科学研究院梁国平研究院于1983年开始研发的通用有限元软件平台，是具有国际独创性的有限元计算软件，是PFEPG系列软件三十年成果（1983年2013年）的总结与提升，有限元语言语法比PFEPG更加简练，更加灵活，功能更加强大。目前已发展到2.0版本。其核心采用元件化思想