CFX培训讲义-03求解器设置.ppt

ANSYSCFX培训教材第三节 求解器设置 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 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 求解器自动计算初值手动输入初值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 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 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 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 求解器控制 编辑 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 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 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0 b 1 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 Theory HighResolutionScheme UpwindScheme 1 00 Flowismisalignedwithmesh 0 1 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 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 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 InitialGuess 50iterations 100iterations 150iterations FinalSolution 求解器控制 时间步 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 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 时间步有三种 AutoTimescale PhysicalTimescale或LocalTimescaleFactorPhysicalTimescale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 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 局部时间步因子LocalTimescaleFactorDomain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 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 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 b 这里 A 是系数矩阵 是求解变量将方程写为下列形式 A b 0 如果以 R 表示数值计算的残差矢量 那么有 A 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 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 求解器控制 残差 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 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 FluxOut 1 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 wall 200 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 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 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 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 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况 如出现断电 网络问题等选项 Standard 等同于完整的结果文件Essential 允许完全重算Smallest 允许重启求解器 以某计算结果为初值计算SelectedVariables 不推荐也能在任何时候通过求解器管理器手动的写出备份文件 监测 Monitor 键用于监测点的创建求解器运行时 监测关心的值的变化趋势CartesianCoordinates选项用于监测在一个指定点的变量变化趋势Expression选项用于监测CEL表达式的值如 计算进口边界上的面积平均的Cp值 areaAve Cp inlet如 某流体通过出口的质量流 oil massFlow outlet在稳态模拟中 可以创建任何关心量的监测可以作为判断计算是否收敛的另一个标准 监测量的值不再改变 输出控制 监测 CFX SolverManager用于 定义求解交互式的控制CFX Solver观察求解信息输出数据 求解器管理器 定义新的求解求解器输入文件应该是 def文件也可以采用 res bak或者 full trn文件 重启以前未完成的求解当改变了物理设置后再计算 可以创建一个新的 def文件 然后选择 res bak或 full trn文件作为初值进行计算若物理设置未改变 这个操作等同于将 res bak 或 full trn文件作为输入文件UseMeshFrom选择使用的网格 如果网格相同 两个选项都可以 如果不同 如果选用SolverInputFile 则初始值会被内插值到输入文件如选用InitialValuesmesh 那么只用到输入文件的物理设置以初值的收敛残差曲线为基础继续显示残差曲线 求解器管理器 定义求解 求解器管理器 并行计算的定义 求解器默认为单机计算 serial 本机上的单求解器运行RunMode用于并行计算的设置需要并行licenses将大的CFD问题分解成多个部分进行计算计算更快利用多个计算机的内存进行大规模计算单机上的并行计算 应选用LocalParallel模式多台计算机机上的并行计算 应选用DistributedParallel模式 SerialLocalParallelDistributedParallel提供不同的通讯方法 MPICH2 HPMPI PVM 详情请看 WhenToUseMPIorPVM 在大多数情况下推荐采用HPMPI的通讯方式 求解器管理器 并行计算的定义 勾选ShowAdvancedControl 显示出Partition。