ANSYS FLUENT培训教材之求解器设置课件

ANSYSFLUENT培训教材之求解器设置ANSYSFLUENT培训教材之求解器设置1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概要使用求解器（求解过程概览）2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Courantnumber加速收敛精度网格无关性自适应网格NoSetthesolutionparametersInitializethesolutionEnablethesolutionmonitorsofinterestModifysolutionparametersorgridCalculateasolutionCheckforconvergenceCheckforaccuracyStopYesYesNo求解过程概览求解参数NoSetthesolutionp3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Pressure-Based(segregated)Density-Based(coupled)SolveMassContinuity;UpdateVelocitySolveU-MomentumSolveV-MomentumSolveW-MomentumPressure-Based(coupled)SolveTurbulenceEquation(s)SolveSpeciesSolveEnergySolveOtherTransportEquationsasrequiredSolveMass&MomentumSolveMass,Momentum,Energy,Species求解器选择FLUENT中有两种求解器–压力基和密度基。P4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。Enablingpressure-basedcoupledsolver(PBCS)求解器选择密度基耦合求解器Enablingpressure5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1.5–2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）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6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-OrderUpwind–易收敛，一阶精度。PowerLaw–对低雷诺数流动（Recell<5）比一阶格式更精确Second-OrderUpwind–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MonotoneUpstream-CenteredSchemesforConservationLaws(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QuadraticUpwindInterpolation(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7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-GaussCell-Based–可能会引起伪扩散Green-GaussNode-Based–更精确，更少伪扩散，建议对三角形/四面体网格采用Least-SquaresCell-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8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BodyForceWeighted–用于大体积力的情况，如高瑞利数自然对流或高旋流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:9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-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations(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-ImplicitwithSplittingofOperators(PISO)对非稳态流动或者高扭曲度网格有用FractionalStepMethod(FSM)对非稳态问题和NITA合用，类似PISO.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10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）初始化FLUENT要求所有的求解变量有初始值11FMG初始化FullMultiGrid(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，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-initializationFMG初始化FullMultiGrid(FMG)能用12检查CaseCaseCheck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检查CaseCaseCheck功能发现一些常见的错误设置13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。收敛性计算收敛时应该满足:14监测收敛-残差残差图显示何时收敛达到指定标准Allequationsconverged.10-310-6监测收敛-残差残差图显示何时收敛达到指定标准Allequa15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）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16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（NetResults）应该小于通过边界最小通量的1%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17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ConvergenceCriterion窗口选择None关闭监测残差的窗口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18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Continuityequationconvergencetroubleaffectsconvergenceofallequations.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19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松弛因子松弛因子用来稳定压力基求解器的迭代过程20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.修改Courant数对密度基求解器，即使稳态问题，也存在21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，不建议修改加速收敛可以通过以下方法加速收敛:22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:ActualProblemInitialConditionHeatTransferIsothermalNaturalconvectionLowRayleighnumberCombustion/reactingflowColdflow(nocombustion)TurbulenceInviscid(Euler)solution从已有结果开始计算已有的计算结果可以作为初场使用Actual23求解精度收敛的结果不一定是正确的需要利用其他数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求解精度收敛的结果不一定是正确的24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25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网格无关解当加密网格，结果不再改变时，称为网格无关解。26ANSYSFLUENT培训教材之求解器设置ANSYSFLUENT培训教材之求解器设置27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概要使用求解器（求解过程概览）28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Courantnumber加速收敛精度网格无关性自适应网格NoSetthesolutionparametersInitializethesolutionEnablethesolutionmonitorsofinterestModifysolutionparametersorgridCalculateasolutionCheckforconvergenceCheckforaccuracyStopYesYesNo求解过程概览求解参数NoSetthesolutionp29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Pressure-Based(segregated)Density-Based(coupled)SolveMassContinuity;UpdateVelocitySolveU-MomentumSolveV-MomentumSolveW-MomentumPressure-Based(coupled)SolveTurbulenceEquation(s)SolveSpeciesSolveEnergySolveOtherTransportEquationsasrequiredSolveMass&MomentumSolveMass,Momentum,Energy,Species求解器选择FLUENT中有两种求解器–压力基和密度基。P30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。Enablingpressure-basedcoupledsolver(PBCS)求解器选择密度基耦合求解器Enablingpressure31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1.5–2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）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32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-OrderUpwind–易收敛，一阶精度。PowerLaw–对低雷诺数流动（Recell<5）比一阶格式更精确Second-OrderUpwind–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MonotoneUpstream-CenteredSchemesforConservationLaws(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QuadraticUpwindInterpolation(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33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-GaussCell-Based–可能会引起伪扩散Green-GaussNode-Based–更精确，更少伪扩散，建议对三角形/四面体网格采用Least-SquaresCell-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34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BodyForceWeighted–用于大体积力的情况，如高瑞利数自然对流或高旋流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:35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-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations(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-ImplicitwithSplittingofOperators(PISO)对非稳态流动或者高扭曲度网格有用FractionalStepMethod(FSM)对非稳态问题和NITA合用，类似PISO.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36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）初始化FLUENT要求所有的求解变量有初始值37FMG初始化FullMultiGrid(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，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-initializationFMG初始化FullMultiGrid(FMG)能用38检查CaseCaseCheck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检查CaseCaseCheck功能发现一些常见的错误设置39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。收敛性计算收敛时应该满足:40监测收敛-残差残差图显示何时收敛达到指定标准Allequationsconverged.10-310-6监测收敛-残差残差图显示何时收敛达到指定标准Allequa41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）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42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（NetResults）应该小于通过边界最小通量的1%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43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ConvergenceCriterion窗口选择None关闭监测残差的窗口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44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Continuityequationconvergencetroubleaffectsconvergenceofallequations.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45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松弛因子松弛因子用来稳定压力基求解器的迭代过程46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.修改Courant数对密度基求解器，即使稳态问题，也存在47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）