CFX培訓(xùn)教材03求解器設(shè)置

1、A Pera Global Company PERA ChinaANSYS CFX 培訓(xùn)教材第三節(jié)：求解器設(shè)置安世亞太科技（北京）有限公司A Pera Global Company PERA China概要n初始化Initializationn求解器控制Solver Controln輸出控制Output Controln求解器管理Solver Manager注: 這章的重點(diǎn)在穩(wěn)態(tài)模擬的求解器設(shè)置. 瞬態(tài)模擬的設(shè)置在后續(xù)章節(jié).A Pera Global Company PERA Chinan 迭代求解的過(guò)程需要在計(jì)算前對(duì)所有的求解變量指定一個(gè)初始值n 合理的初值可以減少求解時(shí)間n 在個(gè)別情況下，

2、不合理的初值可能在計(jì)算開(kāi)始的幾步就導(dǎo)致求解失敗n 設(shè)置初值的3個(gè)方法:求解器自動(dòng)計(jì)算初值手動(dòng)輸入初值以計(jì)算結(jié)果作為初值1. 可以對(duì)每個(gè)domain進(jìn)行初值設(shè)置，也可以對(duì)所有domain設(shè)置全局初值初始化A Pera Global Company PERA China初始化 設(shè)置初值n在工具欄中點(diǎn)擊插入Global Initialisation 或右鍵 Flow Analysis 1選擇插入Global Initialisation n 編輯各個(gè)Domain，設(shè)置不同初值當(dāng)兩者都定義，局部初值定義優(yōu)先固體domain必須進(jìn)行處置設(shè)定A Pera Global Company PERA China

3、初始化 設(shè)置初值n初值選項(xiàng)為Automatic，表示CFX-Solver會(huì)為求解變量計(jì)算一個(gè)初值. 將基于邊界條件和domain的設(shè)置n初值選項(xiàng)為Automatic with Value，表示CFX-Solver 以設(shè)定的值作為求解變量的計(jì)算初值. 可以是常數(shù)或表達(dá)式n當(dāng)以計(jì)算結(jié)果作為初值時(shí)，以上設(shè)置失效.A Pera Global Company PERA China初始化 以計(jì)算結(jié)果為初值n啟動(dòng)Solver時(shí)，可以勾選一計(jì)算結(jié)果作為流場(chǎng)計(jì)算的初值 可以提供多個(gè)初值文件 當(dāng)模擬一個(gè)體系時(shí)，可以以體系的每個(gè)組件的計(jì)算結(jié)果作為相應(yīng)組件的計(jì)算初值 通常，每個(gè)文件應(yīng)該是空間分離的 最好求解器輸入文件

4、的domains與多初值文件的domains不重疊A Pera Global Company PERA China求解器控制 編輯A Pera Global Company PERA Chinan求解器控制面板包括影響求解器的各種控制n這些控制影響求解精度、求解穩(wěn)定性以及求解時(shí)間求解器控制 選項(xiàng)A Pera Global Company PERA China求解器控制 對(duì)流格式n對(duì)流項(xiàng)格式指在輸運(yùn)方程中對(duì)對(duì)流項(xiàng)的數(shù)值離散方法n三種可供選擇的格式：High Resolution, Upwind 和 Specified Blend 后續(xù)將有討論n默認(rèn)的High Resolution格式，一般不作修

5、改UnsteadyAdvectionDiffusionGenerationA Pera Global Company PERA China求解器控制 對(duì)流格式理論n求解數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在節(jié)點(diǎn)(nodes)上, 但是在計(jì)算控制體面上的變量流時(shí)，會(huì)用到面上的變量值n上游節(jié)點(diǎn)值(fup)會(huì)被插值到控制體的面上節(jié)點(diǎn) : 這里 是變量梯度， 是上游節(jié)點(diǎn)到插值節(jié)點(diǎn)的矢量 換言之, ip 點(diǎn)的值等于up上游的值+一基于梯度的修正 0b1fipfupb fr+=ffipfupbfr+=A Pera Global Company PERA China求解器控制 對(duì)流格式理論n如果b = 0 得到迎風(fēng)(upwind)對(duì)流

6、格式, 即無(wú)修正 求解收斂性較好，但僅有一階精度 通常用這種方法作初步計(jì)算n指定混合格式，指定 b 值(01), (即. 介于無(wú)修正到全修正) 容易出現(xiàn)超過(guò)或者低于實(shí)際物理值的結(jié)果nHigh resolution：在整個(gè)流體域中，b 值一直保持最大 與物理值基本保持一致fipfupb fr+=TheoryHigh ResolutionSchemeUpwind Schemeb=1.00Flow is misaligned with mesh01A Pera Global Company PERA China求解器控制 湍流n湍流方程的離散格式默認(rèn)的為迎風(fēng)(Upwind)格式 通常的應(yīng)用足夠n也能

7、采用高精度的求解格式 對(duì)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的邊界層計(jì)算中會(huì)得到更精確的計(jì)算結(jié)果A Pera Global Company PERA China收斂控制n當(dāng)求解器達(dá)到最大的迭代步數(shù)以后，求解結(jié)束 達(dá)到最大求解步，但是為獲得收斂結(jié)果 可以設(shè)較多的迭代步數(shù)n求解結(jié)束后，需要檢查求解結(jié)束的原因n在穩(wěn)態(tài)模擬中，需要設(shè)置流體的時(shí)間步A Pera Global Company PERA ChinanANSYS CFX 采用的是所謂的“偽瞬態(tài)算法” 時(shí)間步是完成求解的每個(gè)時(shí)間段n在穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算中，時(shí)間步提供了非線性方程的松弛因子n一個(gè)穩(wěn)態(tài)的模擬是從初始值到穩(wěn)態(tài)解的瞬態(tài)演變過(guò)程 收斂的結(jié)果與所使用的時(shí)間步無(wú)關(guān)Init

8、ial Guess50 iterations100 iterations150 iterationsFinal Solution求解器控制 時(shí)間步A Pera Global Company PERA Chinan時(shí)間步在CFX的計(jì)算中，起了非常重要的作用 如果時(shí)間步太大，收斂困難，甚至?xí)?jì)算失敗 如果時(shí)間步太小，收斂速度將降低，時(shí)間代價(jià)較大求解器控制 時(shí)間步A Pera Global Company PERA China求解器控制 時(shí)間步n對(duì)對(duì)流項(xiàng)占主導(dǎo)的流動(dòng)，可以將流體在流體區(qū)域的駐留時(shí)間作為時(shí)間步 最佳時(shí)間步：取長(zhǎng)度尺度/速度尺度的 1/3 對(duì)復(fù)雜物理現(xiàn)象的流動(dòng)，超音速流動(dòng)等等，在開(kāi)始迭代

9、的幾步可能需要較小的時(shí)間步n對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械, 推薦時(shí)間步取1/ ( 的單位為rad/s) n對(duì)浮力驅(qū)動(dòng)流, 時(shí)間步應(yīng)該是基于重力, 熱膨脹率, 溫差和長(zhǎng)度尺度等各種量的函數(shù)A Pera Global Company PERA Chinan時(shí)間步有三種：Auto Timescale, Physical Timescale 或 Local Timescale FactornPhysical Timescale 指定時(shí)間步. 可以指定時(shí)間步為常數(shù)，也可以指定為表達(dá)式 可以設(shè)置比Auto Timescale更合理的時(shí)間步可以更快收斂求解器控制 時(shí)間步A Pera Global Company PERA C

10、hina求解器控制 時(shí)間步nAuto Timescale 基于邊界/初始條件或domain的長(zhǎng)度尺度，求解器計(jì)算出的時(shí)間步 對(duì)計(jì)算域長(zhǎng)度尺度的估算有兩種方式Conservative 或 Aggressive ，或可以給一個(gè)指定的值 流場(chǎng)改變時(shí)，時(shí)間步會(huì)在幾步迭代后得到更新 可以設(shè)置一個(gè)最大時(shí)間步為時(shí)間步上限 時(shí)間步會(huì)趨向于保守的時(shí)間步值 時(shí)間步因子(Timescale factor) (默認(rèn)值為1)是個(gè)乘數(shù)因子，用于自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間步A Pera Global Company PERA Chinan局部時(shí)間步因子Local Timescale Factor Domain中不同的地方，時(shí)間步不同 當(dāng)

11、局部時(shí)間差別較大時(shí)，可以加速收斂 如. 高壓噴射模擬 用于網(wǎng)格大小基本一致的情況, 因?yàn)樾〉木W(wǎng)格對(duì)應(yīng)于小的時(shí)間尺度，這樣會(huì)使收斂變慢 Local Timescale Factor是局部時(shí)間步的乘數(shù)因子 不能以局部時(shí)間步完成求解(一般用于計(jì)算的過(guò)程); 完成計(jì)算的時(shí)間步一般都是以常數(shù)時(shí)間步(constant timescale).局部時(shí)間步Local Timescale =局部網(wǎng)格尺度Local Mesh Length Scale局部速度尺度Local Velocity Scale在高速/高質(zhì)量網(wǎng)格處采用較小的時(shí)間步求解器控制 時(shí)間步A Pera Global Company PERA Chin

12、a求解器控制 收斂標(biāo)準(zhǔn)n收斂標(biāo)準(zhǔn)用于判別求解是否收斂，以及是否停止求解器的運(yùn)行 假定最大的迭代步數(shù)未達(dá)到n殘差是求解方程應(yīng)達(dá)到的精度 求解的過(guò)程是從初始解逐漸逼近理論上的精確解，但是永遠(yuǎn)不能達(dá)到精確解 小的殘差設(shè)置=高的方程求解精 高的方程精確求解整個(gè)求解的高精度 取決于方程對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的描述是否合適! 殘差是表征精度高低的一個(gè)量度，其它的量度還有: 監(jiān)測(cè)點(diǎn)和不平衡量A Pera Global Company PERA Chinan連續(xù)的控制方程被離散為一系列可以求解的線性方程. 這些線性方程可以寫(xiě)為: A = b這里 A是系數(shù)矩陣 ， 是求解變量n將方程寫(xiě)為下列形式:A - b = 0n如果以

13、R表示數(shù)值計(jì)算的殘差矢量，那么有:A - b = Rn殘差面板可顯示每個(gè)控制體的平均或者最大殘差求解器控制 殘差A(yù) Pera Global Company PERA Chinan殘差類(lèi)型 MAX: 收斂曲線基于控制體的最大殘差值 RMS: 收斂基于所有控制體的平均殘差 RMS(Root Mean Square) = n殘差目標(biāo) 合理的殘差目標(biāo)：MAX應(yīng)達(dá)到1.0E-3, RMS應(yīng)達(dá)到1.0E-4 根據(jù)所需精度確定殘差目標(biāo) 殘差目標(biāo)越小需要的計(jì)算精度越高n2iiR求解器控制 殘差A(yù) Pera Global Company PERA China求解器控制 收斂目標(biāo)n設(shè)定守恒目標(biāo)(Conservat

14、ion Target)= 設(shè)定全局的非平衡量目標(biāo)n非平衡量表征流體域內(nèi)所有量(質(zhì)量, 動(dòng)量, 能量)的守恒性Flux MaximumOutFlux InFlux Imbalance % 對(duì)收斂解Flux In=Flux Out 建議在求解的過(guò)程中，設(shè)置守恒目標(biāo)和/或守恒監(jiān)測(cè) 有了守恒目標(biāo), 求解器必須在既滿足殘差目標(biāo)，又滿足守恒目標(biāo)下才能停止求解 (假定最大迭代次數(shù)未達(dá)到) 守恒目標(biāo)設(shè)為0.01 (1%)或更小 Flux In Flux Out = 0.5 為 true求解器控制 例如 若溫度超過(guò)一個(gè)指定的值if(areaAve(T)wall200C,1,0) 做動(dòng)網(wǎng)格的時(shí)候，網(wǎng)格質(zhì)量下降到一

15、個(gè)指定的值 詳情，見(jiàn)CEL章A Pera Global Company PERA Chinan用于當(dāng)求解域中包含固體域時(shí)，對(duì)固體時(shí)間步的設(shè)置n固體時(shí)間步要大于流體時(shí)間步 (至少100倍) 固體域內(nèi)能量方程非常穩(wěn)定 固體時(shí)間步遠(yuǎn)大于流體時(shí)間步求解器控制 固體域時(shí)間步控制 流體時(shí)間步的估算： Length Scale / Velocity Scale 固體時(shí)間步是基于長(zhǎng)度尺度, 導(dǎo)熱系數(shù)，密度和比熱的函數(shù) 也可以選擇物理時(shí)間步或者直接給一個(gè)時(shí)間步A Pera Global Company PERA Chinan方程的分類(lèi)設(shè)置(Equation Class Settings)按鈕 提供一個(gè)高級(jí)的選擇

16、，用于對(duì)某些方程進(jìn)行特別的求解控制 一般不用 將取代在Basic Settings 中對(duì)相應(yīng)方程的控制設(shè)置n高級(jí)選項(xiàng)(Advanced Options) 高級(jí)求解器控制選項(xiàng) 極少用到求解器控制 方程的分類(lèi)設(shè)置A Pera Global Company PERA China輸出控制 結(jié)果n輸出控制(Output Control) 用于控制輸出的量Trn Results, Trn Stats和Export 按鈕僅僅用于瞬態(tài)模擬的情況，以后再講nResults 按鈕控制最終的結(jié)果文件( .res)不推薦通過(guò)Selected Variables (或 None!) 的方式進(jìn)行結(jié)果輸出控制 . 可能導(dǎo)致

17、后處理數(shù)據(jù)不足輸出方程殘差(Output Equation Residuals), 用于檢查計(jì)算的收斂性額外的輸出變量列表(Extra Output Variables List), 選擇沒(méi)有包含 于標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果文件的變量 例如. 渦量(Vorticity)A Pera Global Company PERA China可以調(diào)整輸出頻率可以調(diào)整輸出頻率輸出控制 備份nBackup按鈕用于控制求解器是否以及何時(shí)自動(dòng)的寫(xiě)出備份文件n推薦用于計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)的情況，如出現(xiàn)斷電、網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題等n選項(xiàng): Standard: 等同于完整的結(jié)果文件 Essential: 允許完全重算 Smallest: 允許重啟求解器

18、，以某計(jì)算結(jié)果為初值計(jì)算 Selected Variables: 不推薦n也能在任何時(shí)候通過(guò)求解器管理器手動(dòng)的寫(xiě)出備份文件A Pera Global Company PERA Chinan監(jiān)測(cè)(Monitor)鍵用于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的創(chuàng)建求解器運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測(cè)關(guān)心的值的變化趨勢(shì)nCartesian Coordinates 選項(xiàng)用于監(jiān)測(cè)在一個(gè)指定點(diǎn)的變量變化趨勢(shì)nExpression 選項(xiàng)用于監(jiān)測(cè)CEL表達(dá)式的值如. 計(jì)算進(jìn)口邊界上的面積平均的Cp值： areaAve(Cp)inlet如. 某流體通過(guò)出口的質(zhì)量流: oil.massFlow()outletn在穩(wěn)態(tài)模擬中，可以創(chuàng)建任何關(guān)心量的監(jiān)測(cè)可以作為判斷計(jì)

19、算是否收斂的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：監(jiān)測(cè)量的值不再改變輸出控制 監(jiān)測(cè)A Pera Global Company PERA ChinanCFX-Solver Manager用于:定義求解交互式的控制CFX-Solver觀察求解信息輸出數(shù)據(jù)求解器管理器A Pera Global Company PERA Chinan定義新的求解n求解器輸入文件應(yīng)該是 .def文件也可以采用.res, .bak或者 _full.trn文件，重啟以前未完成的求解n當(dāng)改變了物理設(shè)置后再計(jì)算，可以創(chuàng)建一個(gè)新的.def文件 ，然后選擇.res, .bak 或 _full.trn文件作為初值進(jìn)行計(jì)算若物理設(shè)置未改變, 這個(gè)操作等同于將

20、.res/ .bak/ 或_full.trn文件作為輸入文件nUse Mesh From選擇使用的網(wǎng)格. 如果網(wǎng)格相同，兩個(gè)選項(xiàng)都可以，如果不同：如果選用Solver Input File, 則初始值會(huì)被內(nèi)插值到輸入文件如選用Initial Values mesh，那么只用到輸入文件的物理設(shè)置n以初值的收斂殘差曲線為基礎(chǔ)繼續(xù)顯示殘差曲線求解器管理器 定義求解A Pera Global Company PERA China求解器管理器 并行計(jì)算的定義n求解器默認(rèn)為單機(jī)計(jì)算(serial)本機(jī)上的單求解器運(yùn)行nRun Mode 用于并行計(jì)算的設(shè)置需要并行 licenses將大的CFD問(wèn)題分解成多個(gè)

21、部分進(jìn)行計(jì)算 計(jì)算更快 利用多個(gè)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存進(jìn)行大規(guī)模計(jì)算n單機(jī)上的并行計(jì)算，應(yīng)選用Local Parallel模式n多臺(tái)計(jì)算機(jī)機(jī)上的并行計(jì)算，應(yīng)選用Distributed Parallel 模式A Pera Global Company PERA ChinanSerialnLocal ParallelnDistributed Paralleln提供不同的通訊方法 (MPICH2, HP MPI, PVM)詳情請(qǐng)看“When To Use MPI or PVM”, 在大多數(shù)情況下推薦采用HP MPI的通訊方式求解器管理器 并行計(jì)算的定義A Pera Global Company PERA Ch

22、inan勾選Show Advanced Control，顯示出Partitioner, Solver 和 Interpolator按鈕n在 Partitioner 按鈕內(nèi),可以選擇不同的切割(partitioning)算法切割是一個(gè)系列過(guò)程對(duì)大的計(jì)算，難以在機(jī)子之間進(jìn)行合理的內(nèi)存分配默認(rèn)的MeTiS算法耗費(fèi)內(nèi)存較大, 如果內(nèi)存不夠可以選擇其他的方法 (詳情見(jiàn)幫助文件)nMultidomain選項(xiàng):Independent Partitioning: 每個(gè)被切割為n 個(gè)部分Coupled Partitioning: 所有domain作為一個(gè)整體，然后被分割成n個(gè)部分求解器管理器 定義求解高級(jí)控制A Pera Global Company PERA ChinanSolver 里，可選擇雙精度計(jì)算 計(jì)算中，更精確的有效數(shù)字 雙倍的求解器內(nèi)存要求 當(dāng)圓整誤差(round-off error )相對(duì)“較大”時(shí), 選用雙精度 當(dāng)對(duì)某個(gè)變量“較小”的變化也很重要的時(shí)候. 這個(gè)“較小”，指的是相對(duì)于該變量的全局變化而言, 例如: 網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)的例子, 網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)相對(duì)于整個(gè)domain是很小 大多數(shù)的 CHT例子, 流體和固體的