Fluent流动与传热|05：Fluent求解器设置全攻略

导读：介绍Fluent求解器 设置。

求解器类型

• Pressure Based Solver
• 压力场来源于压力修正方程, 该方程 来源于连续方程和动量方程
• 传统上求解低速不可压流动问题
• Density Based Solver
• 密度来自于连续方程, 压力由状态方程获得
• 传统上求解高速可压流动问题
• 多数问题可选用Pressure-Based Solver
• 可以准确求解马赫数0到2~3的流动

压力与速度的耦合方法

• 构造求解压力场的方程
• Coupled
• Pseudo Transient: 拟瞬态隐式亚松弛, 大多数稳态问题的默认算法, 控制简单, 收敛稳定且快
• 内存消耗量大, 是分离式算法的1.5-2倍
• SIMPLE
• 旧版本的默认算法, 适用于大部分问题, 收敛速度较慢
• 网格质量较差时, 稳定性较差
• SIMPLEC
• 相较SIMPLE, 可以采用更大的松弛因子, 某些问题展现出更好、更快的收敛性
• PISO
• 适合于瞬态问题, 可以采用较大的松弛因子

松弛因子

• SIMPLE, SIMPLEC, PISO等分离式算 法采用隐式亚松弛
• 松弛因子 $\alpha$\alpha用来稳定压力基求解器的迭代过程
• 收敛的结果与松弛因子无关,获得收敛解的迭代步数与松弛因子相关

$$\phi_{P}=\phi_{P, \text { old }}+\alpha \Delta \phi_{P} \\$$ \phi_{P}=\phi_{P, \text { old }}+\alpha \Delta \phi_{P} \\

• 缺省设置满足大部分问题
• 遇到收敛性问题, 可以减小松弛因子
• 不同的压力速度耦合方法需要采用不同的松弛因子

压力基Coupled Solver的控制

使用压力基Coupled Solver时, 有两种方法可以控制求解过程:

• Courant number : default =200
• 对于非常复杂的问题, 如多相流和燃烧问题, 可以减小至10-50
• 总的来说, Courant数小, 计算稳定, Courant数大, 计算快, 但可能遭受发散

• Pseudo Transient
• 通过拟时间步进来进行隐式亚松他
• 比普通的Coupled Solver更加稳定, 甚至当网格 质量较差时, 有时迭代数可能略多
• 需指定拟时间步长
• 对内流问题, 缺省的Automatic和Length Scale Method = Conservative 在多数情况下比较适用
• 对于外流问题, 选择Automatic和 Length Scale Method = User-Specified, 并将其设置为物体的特征长度
• 对于CHT问题, 针对Solid Time Scale, 选择Automatic （默认拟时间步高达1e20s）
• 2020R2之前, 默认的拟时间步太小，导致计算稳 态问题时, 固体热计算非常慢, 需手动调整该值

空间离散格式

• 多数算例, 默认格式是比较合适的
• 压力插值格式
• 对于自然对流、旋流等问题, 压力插值格式选用PRESTO!
• PRESTO! 可以允许在边界处采用较大的网格
• 自然对流问题也可选择Body-Force Weighted
• 激活High Order Term Relaxation有利于高阶格式计算时的稳定

初始化

• Fluent要求求解之前所有物理场必须初始化
• 某些情况下，不良的初始化可能导致收敛困难，设置发散
• 5种初始化方法
• Hybrid initialization （default）
• 通过求解拉普拉斯方程构造速度场
• FMG initialization
• 使用FAS多重网格快速求解欧拉方程
• 对可压缩流动、旋转机械效果很好
• 需要通过文本命令使用
• Standard initialization
• Patch values
• 导入类似算例的结果

计算

• 稳态问题
  
• 输入最大迭代步数
• 求解直至
• 达到最大迭代步数
• 或者达到收敛标准

• 瞬态问题
  
• 输入时间步长和时间步数

收敛

• 求解器必须迭代足够迭代步才能收敛
• 收敛需满足如下标准:
• 所有方程的误差必须达到指定的残差标准
• 残差衡量的是当前数值解的不平衡程度, 它和数值误差有 关, 但并非数值误差
• 达到全局的质量、动量、能量守恒
• 稳态问题: 目标变量不再变化
• 全局：例如压降
• 局部：例如某点的速度

收敛的监控-残差Residual

• 残差图可以展现每个方程实时的收敛状况
• 可以调整残差的收敛标准或者决定是否将其作为收敛的判据

检查全局守恒

• 净不平衡值应小于最小边界流量的1%

定义监控量-Report Definition

• 多种定义监控量的方式
• Expression, Surface, Volume, Force, Flux, DPM 和 User-Defined reports
• 相关函数, 如积分、Max/Min、各种平均值等
• 保存为文件或在窗口中显示
• 这些自定义的监控量往往是最重要的收敛指标
• 多数情况下, 推荐用户定义一些监控量判断收敛

收敛困难的原因和对策

• 数值不稳定可能是错误的问题设置、 质量较差的网格和不合适的求解器设置造成的
• 残差发散或者始终大幅度震荡
• 不收敛的结果没有任何实际意义
• 对策
• 保证问题抽象正确
• 用一阶算法先计算一个良好的初始值
• 对压力基求解器, 减小亚松他因子或Courant或 拟时间步长
• 降低密度基求解器的Courant
• 调整质量较差的网格
• 或采用Poor Mesh Numerics