FLUENT中求解方法的區(qū)別與選擇

2016-10-07  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

1.非耦合求解 ( Segregated );2.耦合隱式求解 ( Coupled Implicit );3.耦合顯式求解 ( Coupled Explicit )

非耦合求解方法主要用于不可壓縮或壓縮性不強(qiáng)的流體流動(dòng)。耦合求解則可以用在高速可壓縮流動(dòng)。FLUENT默認(rèn)設(shè)置是非耦合求解,但對(duì)于高速可壓流動(dòng),有強(qiáng)的體積力(浮力或離心力)的流動(dòng),求解問題時(shí)網(wǎng)格要比較密,建議采用耦合隱式求解方法,可以耦合求解能量和動(dòng)量方程,能比較快地得到收斂解。缺點(diǎn)是需要的內(nèi)存比較大(是非耦合求解迭代時(shí)間的1.5-2倍)。如果必須要耦合求解,但是你的機(jī)器內(nèi)存不夠,這時(shí)候可以考慮用耦合顯式解法器求解問題。該解法器也耦合了動(dòng)量,能量及組分方程,但內(nèi)存卻比隱式求解方法小。缺點(diǎn)是收斂時(shí)間比較長(zhǎng)。

這里需要指出的是非耦合求解的一些模型在耦合求解解法器里并不都有。耦合解法器沒有的模型包括:多相流模型,混合分?jǐn)?shù)/PDF燃燒模型,預(yù)混燃燒模型,污染物生成模型,相變模型,Rosseland輻射模型,確定質(zhì)量流率的周期性流動(dòng)模型及周期性換熱模型等。

隱式( Implicit ):對(duì)于給定變量,單元內(nèi)的未知值用鄰近單元的已知和未知值計(jì)算得出。因此,每一個(gè)未知值會(huì)在不止一個(gè)方程中出現(xiàn),這些方程必須同時(shí)解來給出未知量。

顯式( Explicit ):對(duì)于給定變量,每一個(gè)單元內(nèi)的未知量用只包含已知量的關(guān)系式計(jì)算得到。因此未知量只在一個(gè)方程中出現(xiàn),而且每一個(gè)單元內(nèi)的未知量的方程只需解一次就可以給出未知量的值。

一階迎風(fēng)格式( First Order Upwind ):當(dāng)需要一階精度時(shí),我們假定描述單元內(nèi)變量平均值的單元中心變量就是整個(gè)單元內(nèi)各個(gè)變量的值,而且單元表面的量等于單元內(nèi)的量。因此,當(dāng)選擇一階迎風(fēng)格式時(shí),表面值被設(shè)定等于迎風(fēng)單元的單元中心值。

二階迎風(fēng)格式( Second Order Upwind ):當(dāng)需要二階精度時(shí),使用多維線性重建方法來計(jì)算單元表面處的值。在這種方法中,通過單元中心解在單元中心處的泰勒展開來實(shí)現(xiàn)單元表面的二階精度值。因此,當(dāng)使用二階迎風(fēng)格式時(shí),用下面的方程來計(jì)算表面值;

QUICK格式:對(duì)于四邊形和六面體網(wǎng)格,我們可以確定它們唯一的上游和下游表面以及單元。FLUENT還提供了計(jì)算對(duì)流變量在表面處高階值的QUICK格式。QUICK類型的格式是通過變量的二階迎風(fēng)與中心插值加上適當(dāng)?shù)臋?quán)因子得到的;

亞松馳( Under-Relaxation ):由于FLUENT所解方程組的非線性,我們有必要控制的變化。一般用亞松馳方法來實(shí)現(xiàn)控制,該方法在每一部迭代中減少了f的變化量。亞松馳最簡(jiǎn)單的形式為:單元內(nèi)變量f等于原來的值f_old加上亞松馳因子a與f變化的積.

SIMPLE:SIMPLE算法使用壓力和速度之間的相互校正關(guān)系來強(qiáng)制質(zhì)量守恒并獲取壓力場(chǎng)。

一階與二階的比較

當(dāng)流動(dòng)和網(wǎng)格成一條線時(shí)(如:矩形網(wǎng)格或者六面體網(wǎng)格模擬矩形導(dǎo)管的層流流動(dòng)),可以使用一階迎風(fēng)離散格式。但是,當(dāng)流動(dòng)和網(wǎng)格不在一條線上時(shí)(即:流動(dòng)斜穿網(wǎng)格線)一階對(duì)流離散增加了對(duì)流離散的誤差(數(shù)值耗散)。對(duì)于三角形和四面體網(wǎng)格,流動(dòng)從來就不會(huì)和網(wǎng)格成一條線,此時(shí)一般要使用二階離散來獲取更高精度的結(jié)果。對(duì)于四邊形或者六面體網(wǎng)格,如果使用二階離散格式,尤其是對(duì)于復(fù)雜流動(dòng)來說,你可以獲取更好的結(jié)果。

總而言之,一階離散一般會(huì)比二階離散收斂得好,但是精度要差,尤其是對(duì)于三角形或者四面體網(wǎng)格精度更差。

對(duì)于大多數(shù)情況,你可以在計(jì)算的開始使用二階格式。對(duì)于有些情況,你應(yīng)該以一階離散開始計(jì)算,在進(jìn)行了初步迭代之后再轉(zhuǎn)到二階格式。例如,如果你解高馬赫數(shù)流動(dòng)問題,初始解科所預(yù)期的解相差較大,你就應(yīng)該先用一階格式迭代幾步然后打開二階格式繼續(xù)計(jì)算直至收斂。

對(duì)于與網(wǎng)格成一條線的簡(jiǎn)單流動(dòng)(如:劃分為矩形網(wǎng)格或者六面體網(wǎng)格的矩形導(dǎo)管的層流流動(dòng)),數(shù)值耗散自然會(huì)很低,所以一般使用一階格式替代二階格式而不損失精度。

最后,如果你使用二階格式遇到收斂性問題,你就應(yīng)該嘗試使用一階格式。

選擇壓力插值格式

如壓力插值格式所述,當(dāng)使用分離求解器時(shí)我們可以采用很多壓力插值格式。對(duì)于大多數(shù)情況,標(biāo)準(zhǔn)格式已經(jīng)足夠了,但是對(duì)于特定的某些模型使用其它格式可能會(huì)更好:

l        對(duì)于具有較大體積力的問題,推薦使用體積力加權(quán)格式。

l        對(duì)于具有高渦流數(shù),高Rayleigh數(shù)自然對(duì)流,高速旋轉(zhuǎn)流動(dòng),包含多孔介質(zhì)的流動(dòng)和高度扭曲區(qū)域的流動(dòng),使用PRESTO!格式。

注意:PRESTO!只能用于四邊形或者六面體網(wǎng)格。

l        對(duì)于可壓流動(dòng)推薦使用二階格式。

當(dāng)其它格式不適用時(shí),使用二階格式來提高精度(如:對(duì)于流過具有非六面體或者非四邊形網(wǎng)格的曲面邊界的流動(dòng)。)

選擇壓力速度耦合方法

在分離求解器中,FLUENT提供了壓力速度耦合的三種方法:SIMPLE,SIMPLEC以及PISO。定常狀態(tài)計(jì)算一般使用SIMPLE或者SIMPLEC方法,對(duì)于過渡計(jì)算推薦使用PISO方法。PISO方法還可以用于高度傾斜網(wǎng)格的定常狀態(tài)計(jì)算和過渡計(jì)算。需要注意的是壓力速度耦合只用于分離求解器,對(duì)于耦合求解器你不可以使用它。

SIMPLE與SIMPLEC比較

在FLUENT中,可以使用標(biāo)準(zhǔn)SIMPLE算法和SIMPLEC(SIMPLE-Consistent)算法,默認(rèn)是SIMPLE算法,但是對(duì)于許多問題如果使用SIMPLEC可能會(huì)得到更好的結(jié)果,尤其是可以應(yīng)用增加的亞松馳迭代時(shí),具體介紹如下:

對(duì)于相對(duì)簡(jiǎn)單的問題(如:沒有附加模型激活的層流流動(dòng)),其收斂性已經(jīng)被壓力速度耦合所限制,你通?？梢杂?/b>SIMPLEC算法很快得到收斂解。在SIMPLEC中,壓力校正亞松馳因子通常設(shè)為1.0,它有助于收斂。但是,在有些問題中,將壓力校正松弛因子增加到1.0可能會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定。對(duì)于這種情況,你需要使用更為保守的亞松馳或者使用SIMPLE算法。對(duì)于包含湍流和/或附加物理模型的復(fù)雜流動(dòng),只要用壓力速度耦合做限制,SIMPLEC會(huì)提高收斂性。它通常是一種限制收斂性的附加模擬參數(shù),在這種情況下,SIMPLE和SIMPLEC會(huì)給出相似的收斂速度。