计算传热学第5讲离散方程的求解、加速及注意事项

计算传热学第5讲离散方程的求解SolutionofDifferenceEquations第一页，共六十页。本讲内容：引言几个基本事实基本迭代法加速收敛技术－块迭代法加速收敛技术－多重网格法加速收敛技术－块修正法加速收敛技术－其它方法收敛判据、收敛速度的控制及其它第二页，共六十页。阅读要求陶文铨《数值传热学》第4章第4.4节第7章第三页，共六十页。5.1离散化方程的求解必须讲求方法离散化代数方程的求解不论何种方法不论问题的性质如何且一般是非线性的具有基本重要性不可或缺第四页，共六十页。离散化方程的求解必须讲求方法直接方法（或精确解法）directsolution未知数个数巨大计算工作量太大，根本得不到解舍入误差（round-offerror)得不到“精确解”精确解法的结果往往是错误的只能采用迭代法（iterationmethod）在数值传热学中：基本重要性普通迭代法效率低收敛速度慢采用加速收敛方法（accelerationmethods）第五页，共六十页。5.2几个基本事实离散化方程的形式：对于二维问题，对于一维问题，或者写成，

39第六页，共六十页。几个基本事实离散化方程的形式对于一维问题，它是一个三对角方程，TDMA法对于多维问题：大型稀疏系数矩阵不能形成“对角”方程对角方程：高效的求解方法聪明的节点编号：“对角方程”第七页，共六十页。几个基本事实迭代法是近似法理论上：给出任意指定精度的近似解迭代法的收敛速度问题的性质结点数目增加，收敛速度迅速降低Recall：数值解的精度与子区域的大小有关实际问题：结点数目非常大为什么节点数增加，收敛速度下降？边界条件信息向区域内部的传递速度第八页，共六十页。节点多了，层次多了，“路径”长了，收敛速度慢了！第九页，共六十页。特别提示加速边界信息的传递，必然会提高收敛速度加速收敛的主要思路之一第十页，共六十页。几个基本事实收敛速度与边界条件的类型有关第一类边界：边界信息最为确定，收敛速度最快第三类边界：边界信息较确定，收敛速度较快第二类边界：边界信息最不确定，收敛速度最慢第十一页，共六十页。几个基本事实收敛速度与问题的类型有关：扩散型方程易于收敛对流－扩散方程收敛慢层流比紊流问题收敛更困难线性问题比非线性问题容易收敛收敛速度与迭代顺序有关设定边界条件时一定要慎重确定的待求变量数值第十二页，共六十页。几个基本事实三对角方程：可以高效直接求解直接解法可以一次性传递边界信息迭代过程中要尽可能多地采用直接法第十三页，共六十页。5.3基本迭代法－松弛法松弛法（Relaxationmethod)用上次迭代值（0）和本次迭代值构造本轮迭代解，即，从方程（1）中解出P代入（4），有，第十四页，共六十页。松弛法（Relaxationmethod)是松弛因子，relaxationfactor0<<2=1:Gauss-Seidel迭代法<1:亚松弛（Underrelaxation）～>1:超松弛（Overrelaxation）～第十五页，共六十页。松弛法（Relaxationmethod)最佳松弛因子opt:获得最快的收敛速度不能事先预测对于扩散型问题：超松弛可以加速收敛亚松弛：改善收敛特性，抑制发散复杂问题一般用亚松弛公式(5):点迭代（stepwiseiteration)程序简单收敛速度慢计算机速度的提高：点迭代的可能性第十六页，共六十页。松弛法（Relaxationmethod)松弛法的基本思想：具有重要意义点迭代线迭代源项等的处理：对于强源项问题，第十七页，共六十页。5.4加速收敛技术为什么一定要采用加速收敛方法？收敛速度成为制约因素加速收敛的基本出发点：加速边界信息的传递增加直接求解的份额最大限度地减少待求变量的数目第十八页，共六十页。块迭代法块迭代法：Blockiteration将求解区域分成若干块（大的子区域）未知数个数巨大块：一条线和数条网格线组成同一块上的待求变量用直接法求解不同块之间用迭代法求解这相当于：代数方程可以分区域求解各个区域间用迭代法完成第十九页，共六十页。5.4.1块迭代法最常用的方案：线迭代(lineiteration)对于二维问题，参见方程（2）：改写：方程（7）形式上变为一维问题第二十页，共六十页。线迭代法说明：形式上变为一维问题b’中的S和N是未知的：上次迭代值在同一条线上求解逐线求解，直到覆盖整个求解区域。第二十一页，共六十页。扫描方向第二十二页，共六十页。扫描方向第二十三页，共六十页。线迭代法当然，将方程（2）还可以这样改写，显然，它给出了竖直线之间的迭代。第二十四页，共六十页。扫描方向第二十五页，共六十页。扫描方向第二十六页，共六十页。线迭代法－说明交替方向法(ADI,AlternativeDirectionIteration)特点：增加了直接求解的份额加速了边界信息的传递速度大幅度地提高了收敛速度（与点迭代相比）程序仍然相对简单内存占用增加不多属于必须掌握的方法第二十七页，共六十页。线迭代法－说明分类Jacobi迭代Gauss-Seidel迭代松弛迭代系数一定要采用Jacobi迭代，否则扩散系数计算的不一致导致违反流的相容性原则迭代过程发散第二十八页，共六十页。线迭代法－说明扫描方向与扫描起始线对收敛速度的影响比较大有确定信息的边界作为扫描起始线扫描方向：对着边界信息较确定的边界各边界信息量相同时：“短路径”原则1st3rd2nd2nd扫描方向第二十九页，共六十页。yx线迭代法－说明程序中扫描方向的设计最佳方案：每个坐标方向上各进行来回两次扫描简化方案：每个坐标方向上各进行一次扫描对坐标系进行调整，起始线：确定信息2nd1st2nd3rdyx2nd1st2nd3rd第三十页，共六十页。5.4.2多重网格法Multi-gridmethod的依据影响收敛速度的关键因素：边界信息的传递节点数目增加，收敛速度降低节点数目增加，边界到内部的相对路径增加，层次增多网格加密不利于误差矢量长波分量的衰减方案:在粗网格上求解：加速边界相息的传递在密网格上求解：得到满足精度要求的解第三十一页，共六十页。多重网格法由疏到密的过程第三十二页，共六十页。多重网格法由密到疏的过程第三十三页，共六十页。多重网格法实际操作时：先由密到疏，再由疏到密细网格：衰减误差的短波分量粗网格：衰减误差的长波分量迭代：控制迭代次数，监视迭代误差尽可能采用直接法求解最细层次网格上的迭代：控制迭代精度，监视迭代次数第三十四页，共六十页。多重网格法两层网格之间：有尽可能多的“继承关系”减少插值（由细到粗）简化由粗到细网格的插值（插值方法在这里是关键技术）第三十五页，共六十页。多重网格法在精度要求不是特别高时，可以明显加快收敛过程如果精度要求非常高，效果不明显1迭代次数n12n23n3第三十六页，共六十页。多重网格法缺点：程序复杂化专业程序开发人员第三十七页，共六十页。5.4.3块修正法Block-correctiontechnique基本出发点：减少结点数目加快边界信息向求解区域传递基本思想：把求解区域分为若干个“大的块儿”在进行下一次迭代前对迭代初值进行估算：下次迭代值＝上次迭代值＋修正值假定同一块上的节点有相同的修正值第三十八页，共六十页。块修正法对于二维问题，将方程（2）改写：经过若干次迭代后，得到了近似解*i,j在此基础上，估算新的迭代值：第三十九页，共六十页。块修正法这相当于假定i,j（j＝1,2,3,…,M）这M个待求变量可以在上次迭代值*i,j的基础上加上同一个修正值得到。将方程（12）代入方程（11）第四十页，共六十页。块修正法整理后得到:其中，第四十一页，共六十页。块修正法将方程（14）对j求和，令，第四十二页，共六十页。块修正法于是有，求解上述方程，得到修正量，代入方程（12），得到新的迭代值。第四十三页，共六十页。块修正法收敛时，必然有[参见方程（11）]，于是，从而，第四十四页，共六十页。块修正法所以，方程（17）当迭代收敛时有0解：当迭代没有收敛时，利用方程（17）和方程（12）可以得到更好的试探值第四十五页，共六十页。块修正法说明：它不是一种独立的解法它只能提供“较好”的迭代试探值程序的复杂化为了提高试探值的精度，可以采用多块修正法也就是多重网格法第四十六页，共六十页。5.4.4TDMA的扩展增加直接求解的份额可以提高收敛速度沿边界逐层构造方程组进行求解第四十七页，共六十页。第四十八页，共六十页。TDMA的扩展优点最大限度地应用了TDMA方法增加了直接求解的份额提高了收敛速度缺点程序大大复杂化在计算机上的实现很困难文献中很少采用第四十九页，共六十页。5.5加速收敛的其它方法边界节点消去法（附加源项法）消去边界节点待求变量明显减少待求变量的数量正方形平面区域，边界节点所占份额＝4（N1/2-1)/NN=1000,12.25%N=10000,3.92%立方体区域，边界节点所占份额＝（6N2/3-11N1/3+8)/NN=1000,49.8%N=10000,25.6%N=100000,12.4%求解区域缩小，边界内移，提高收敛速度第五十页，共六十页。加速收敛的其它方法调整步长和精度控制尽可能采用较大的步长较低的精度控制前提：获得精度控制及步长无关解第五十一页，共六十页。5.6收敛判据与收敛速度的控制收敛判据：精度无关解最大相对误差：max{(-*)/}最大绝对误差:max{-*}余量范数:最大迭代次数：第五十二页，共六十页。收敛判据与收敛速度的控制收敛速度的控制求解稳态问题的非稳态方法欠松弛法源项松弛源项逐步加大法网格尺寸的确定：网格无关解等步长与变步长计算：均匀网格优先原则第五十三页，共六十页。简单的算例求解下面的一维稳态导热问题：第五十四页，共六十页。节点数目对求解结果的影响精度控制：0.5×10－5第五十五页，共六十页。节点数量对迭代次数的影响第五十六页，共六十页。精度控制对迭代次数的影响N＝300第五十七页，共六十页。精度控制对计算结果的影响N＝300第五十八页，共六十页。EndofThisLecture5THANKYOU第五十九页，共六十页。内容梗概计算传热学第5讲。收敛判据、收敛速度的控制及其它。第4章第4.4节。精确解法的结果往往是错误的。对于一维问题，它是一个三对角方程，TDMA法。Recall：数值解的精度与子区域的大小有关。节点多了，层次多了，“路径”长了，收敛速度慢了。边界信息较确定，收敛速度较快。线性问题比非线性问题容易收敛。是松弛因子，relaxationfactor。=1:Gauss-Seidel迭代法。<1:亚松弛（Underrelaxation）～。>1:超松弛（Overrelaxation）～。公式(5):点迭代（stepwiseiteration)。计算机速度的提高：点迭代的可能性。将求解区域分成若干块（大的子区域）