CFX培训教材03求解器设置

APeraGlobalCompany©PERAChinaANSYSCFX培训教材第三节：求解器设置安世亚太科技（北京）有限公司APeraGlobalCompany©PERAChina概要初始化Initialization求解器控制SolverControl输出控制OutputControl求解器管理SolverManager注:这章的重点在稳态模拟的求解器设置.瞬态模拟的设置在后续章节.APeraGlobalCompany©PERAChina迭代求解的过程需要在计算前对所有的求解变量指定一个初始值合理的初值可以减少求解时间在个别情况下，不合理的初值可能在计算开始的几步就导致求解失败设置初值的3个方法:1.求解器自动计算初值2.手动输入初值3.以计算结果作为初值可以对每个domain进行初值设置，也可以对所有domain设置全局初值初始化APeraGlobalCompany©PERAChina初始化–设置初值在工具栏中点击插入GlobalInitialisation或右键FlowAnalysis1选择插入GlobalInitialisation编辑各个Domain，设置不同初值–当两者都定义，局部初值定义优先–固体domain必须进行处置设定APeraGlobalCompany©PERAChina初始化–设置初值初值选项为Automatic，表示CFX-Solver会为求解变量计算一个初值.–将基于边界条件和domain的设置初值选项为AutomaticwithValue，表示CFX-Solver以设定的值作为求解变量的计算初值.–可以是常数或表达式当以计算结果作为初值时，以上设置失效.APeraGlobalCompany©PERAChina初始化–以计算结果为初值启动Solver时，可以勾选一计算结果作为流场计算的初值–可以提供多个初值文件•当模拟一个体系时，可以以体系的每个组件的计算结果作为相应组件的计算初值•通常，每个文件应该是空间分离的•最好求解器输入文件的domains与多初值文件的domains不重叠APeraGlobalCompany©PERAChina求解器控制–编辑APeraGlobalCompany©PERAChina求解器控制面板——包括影响求解器的各种控制这些控制影响求解精度、求解稳定性以及求解时间求解器控制–选项APeraGlobalCompany©PERAChina求解器控制–对流格式对流项格式指在输运方程中对对流项的数值离散方法三种可供选择的格式：HighResolution,Upwind和SpecifiedBlend–后续将有讨论默认的HighResolution格式，一般不作修改UnsteadyAdvectionDiffusionGenerationAPeraGlobalCompany©PERAChina求解器控制–对流格式理论求解数据储存在节点(nodes)上,但是在计算控制体面上的变量流时，会用到面上的变量值上游节点值(fup)会被插值到控制体的面上节点:–这里是变量梯度，是上游节点到插值节点的矢量–换言之,ip点的值等于up上游的值+一基于梯度的修正0b1…fipfupbfr+=ffipfupbfr+=APeraGlobalCompany©PERAChina求解器控制–对流格式理论如果b=0得到迎风(upwind)对流格式,即无修正–求解收敛性较好，但仅有一阶精度–通常用这种方法作初步计算指定混合格式，指定b值(0~1),(即.介于无修正到全修正)–容易出现超过或者低于实际物理值的结果Highresolution：在整个流体域中，b值一直保持最大–与物理值基本保持一致fipfupbfr+=TheoryHighResolutionSchemeUpwindSchemeb=1.00Flowismisalignedwithmesh01APeraGlobalCompany©PERAChina求解器控制–湍流湍流方程的离散格式默认的为迎风(Upwind)格式–通常的应用足够也能采用高精度的求解格式–对非结构化网格的边界层计算中会得到更精确的计算结果APeraGlobalCompany©PERAChina收敛控制当求解器达到最大的迭代步数以后，求解结束–达到最大求解步，但是为获得收敛结果–可以设较多的迭代步数求解结束后，需要检查求解结束的原因在稳态模拟中，需要设置流体的时间步…APeraGlobalCompany©PERAChinaANSYSCFX采用的是所谓的“伪瞬态算法”–时间步是完成求解的每个时间段在稳态模拟计算中，时间步提供了非线性方程的松弛因子一个稳态的模拟是从初始值到稳态解的瞬态演变过程–收敛的结果与所使用的时间步无关InitialGuess50iterations100iterations150iterationsFinalSolution求解器控制–时间步APeraGlobalCompany©PERAChina时间步在CFX的计算中，起了非常重要的作用–如果时间步太大，收敛困难，甚至会计算失败–如果时间步太小，收敛速度将降低，时间代价较大求解器控制–时间步APeraGlobalCompany©PERAChina求解器控制–时间步对对流项占主导的流动，可以将流体在流体区域的驻留时间作为时间步–最佳时间步：取长度尺度/速度尺度的1/3–对复杂物理现象的流动，超音速流动等等，在开始迭代的几步可能需要较小的时间步对旋转机械,推荐时间步取1/(的单位为rad/s)对浮力驱动流,时间步应该是基于重力,热膨胀率,温差和长度尺度等各种量的函数APeraGlobalCompany©PERAChina时间步有三种：AutoTimescale,PhysicalTimescale或LocalTimescaleFactorPhysicalTimescale–指定时间步.可以指定时间步为常数，也可以指定为表达式–可以设置比AutoTimescale更合理的时间步—可以更快收敛求解器控制–时间步APeraGlobalCompany©PERAChina求解器控制–时间步AutoTimescale–基于边界/初始条件或domain的长度尺度，求解器计算出的时间步–对计算域长度尺度的估算有两种方式Conservative或Aggressive，或可以给一个指定的值–流场改变时，时间步会在几步迭代后得到更新–可以设置一个最大时间步为时间步上限–时间步会趋向于保守的时间步值–时间步因子(Timescalefactor)(默认值为1)是个乘数因子，用于自动调节时间步APeraGlobalCompany©PERAChina局部时间步因子LocalTimescaleFactor–Domain中不同的地方，时间步不同–当局部时间差别较大时，可以加速收敛•如.高压喷射模拟–用于网格大小基本一致的情况,因为小的网格对应于小的时间尺度，这样会使收敛变慢–LocalTimescaleFactor是局部时间步的乘数因子–不能以局部时间步完成求解(一般用于计算的过程);完成计算的时间步一般都是以常数时间步(constanttimescale).局部时间步LocalTimescale=局部网格尺度LocalMeshLengthScale局部速度尺度LocalVelocityScale在高速/高质量网格处采用较小的时间步求解器控制–时间步APeraGlobalCompany©PERAChina求解器控制–收敛标准收敛标准用于判别求解是否收敛，以及是否停止求解器的运行–假定最大的迭代步数未达到残差是求解方程应达到的精度–求解的过程是从初始解逐渐逼近理论上的精确解，但是永远不能达到精确解–小的残差设置=高的方程求解精–高的方程精确求解≠整个求解的高精度–取决于方程对真实系统的描述是否合适!–残差是表征精度高低的一个量度，其它的量度还有:•监测点和不平衡量APeraGlobalCompany©PERAChina连续的控制方程被离散为一系列可以求解的线性方程.这些线性方程可以写为:[A][Φ]=[b]这里[A]是系数矩阵，[Φ]是求解变量将方程写为下列形式:[A][Φ]-[b]=[0]如果以[R]表示数值计算的残差矢量，那么有:[A][Φ]-[b]=[R]残差面板可显示每个控制体的平均或者最大残差求解器控制–残差APeraGlobalCompany©PERAChina残差类型–MAX:收敛曲线基于控制体的最大残差值–RMS:收敛基于所有控制体的平均残差–RMS(RootMeanSquare)=残差目标–合理的残差目标：MAX应达到1.0E-3,RMS应达到1.0E-4–根据所需精度确定残差目标•残差目标越小需要的计算精度越高n2iiR求解器控制–残差APeraGlobalCompany©PERAChina求解器控制–收敛目标设定守恒目标(ConservationTarget)=设定全局的非平衡量目标非平衡量表征流体域内所有量(质量,动量,能量)的守恒性FluxMaximumOutFluxInFluxImbalance%•对收敛解FluxIn=FluxOut•建议在求解的过程中，设置守恒目标和/或守恒监测•有了守恒目标,求解器必须在既满足残差目标，又满足守恒目标下才能停止求解(假定最大迭代次数未达到)•守恒目标设为0.01(1%)或更小–FluxIn–FluxOut1%APeraGlobalCompany©PERAChina总时间控制(ElapsedTimeControl)–可以为求解指定一个最大的总时间(wallclocktime)–计算的时间到了这个时间以后，不论求解收敛与否都会停止中断控制(InterruptControl)–指定另外的停止计算的标准(通过CEL表达式的方法)–当表达式的值为true时，求解器停止计算•Anyvalue=0.5为true求解器控制–例如•若温度超过一个指定的值if(areaAve(T)@wall200[C],1,0)•做动网格的时候，网格质量下降到一个指定的值–详情，见CEL章APeraGlobalCompany©PERAChina用于当求解域中包含固体域时，对固体时间步的设置固体时间步要大于流体时间步(至少100倍)–固体域内能量方程非常稳定–固体时间步远大于流体时间步求解器控制–固体域时间步控制•流体时间步的估算：LengthScale/VelocityScale•固体时间步是基于长度尺度,导热系数，密度和比热的函数–也可以选择物理时间步或者直接给一个时间步APeraGlobalCompany©PERAChina方程的分类设置(EquationClassSettings)按钮提供一个高级的选择，用于对某些方程进行特别的求解控制–一般不用–将取代在BasicSettings中对相应方程的控制设置高级选项(AdvancedOptions)–高级求解器控制选项–极少用到求解器控制–方程的分类设置APeraGlobalCompany©PERAChina输出控制–结果输出控制(OutputControl)用于控制输出的量–TrnResults,TrnStats和Export按钮仅仅用于瞬态模拟的情况，以后再讲Results按钮控制最终的结果文件(.res)–不推荐通过SelectedVariables(或None!)的方式进行结果输出控制.可能导致后处理数据不足–输出方程残差(OutputEquationResiduals),用于检查计算的收敛性–额外的输出变量列表(ExtraOutputVariablesList),选择没有包含于标准结果文件的变量•例如.涡量(Vorticity)APeraGlobalCompany©PERAChina可以调整输出频率输出控制–备份Backup按钮用于控制求解器是否以及何时自动的写出备份文件推荐用于计算时间较长的情