1、A Pera Global Company PERA ChinaANSYS CFX 培训教材第三节：求解器设置安世亚太科技（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输出控制Output Controln求解器管理Solver Manager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.A Pera Global Company PERA Chinan 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n 合理的初值可以减少求解时间n 在个别情况下，不合
2、理的初值可能在计算开始的几步就导致求解失败n 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n 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A Pera Global Company PERA China初始化 设置初值n在工具栏中点击插入Global Initialisation 或右键 Flow Analysis 1选择插入Global Initialisation n 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A Pera Global Company PERA Ch
3、ina初始化 设置初值n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n初值选项为Automatic with Value，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n当以计算结果作为初值时，以上设置失效.A Pera Global Company PERA China初始化 以计算结果为初值n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
4、件的domains与多初值文件的domains不重叠A Pera Global Company PERA China求解器控制 编辑A Pera Global Company PERA Chinan求解器控制面板包括影响求解器的各种控制n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A Pera Global Company PERA China求解器控制 对流格式n对流项格式指在输运方程中对对流项的数值离散方法n三种可供选择的格式：High Resolution,Upwind 和 Specified Blend 后续将有讨论n默认的High Resolution格式，一般不作修
5、改UnsteadyAdvectionDiffusionGenerationA Pera Global Company PERA China求解器控制 对流格式理论n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n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 0b1fipfupb fr+=ffipfupb fr+=A Pera Global Company PERA China求解器控制 对流格式理论n如果b=0 得到迎风(upwind)对流格式,即无修
6、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n指定混合格式，指定 b 值(01),(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nHigh resolution：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湍流方程的离散格式默认的为迎风(Upwind)格式 通常的应用足够n也能采用高精度的求解格式
7、 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A Pera Global Company PERA China收敛控制n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n求解结束后，需要检查求解结束的原因n在稳态模拟中，需要设置流体的时间步A Pera Global Company PERA ChinanANSYS CFX 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n在稳态模拟计算中，时间步提供了非线性方程的松弛因子n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Initial Guess50
8、 iterations100 iterations150 iterationsFinal Solution求解器控制 时间步A Pera Global Company PERA Chinan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A Pera Global Company PERA China求解器控制 时间步n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
9、间步n对旋转机械,推荐时间步取1/(的单位为rad/s)n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A Pera Global Company PERA Chinan时间步有三种：Auto Timescale,Physical Timescale 或 Local Timescale FactornPhysical Timescale 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Auto Timescale更合理的时间步可以更快收敛求解器控制 时间步A Pera Global Company PERA China求解器控制 时间步nAuto T
10、imescale 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(Timescale factor)(默认值为1)是个乘数因子，用于自动调节时间步A Pera Global Company PERA Chinan局部时间步因子Local Timescale Factor 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
11、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 Local Timescale Factor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(constant timescale).局部时间步Local Timescale =局部网格尺度Local Mesh Length Scale局部速度尺度Local Velocity Scale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A Pera Global Company PERA China求解器控制 收敛标准n收敛标准用于判别求解是否收
12、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n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A Pera Global Company PERA Chinan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n将方程写为下列形式:A -b=0n如果以R表示数值计算的残差矢量，那么有:A -b=Rn残差面板可显示每个控制
13、体的平均或者最大残差求解器控制 残差A Pera Global Company PERA Chinan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(Root Mean Square)=n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n2iiR求解器控制 残差A Pera Global Company PERA China求解器控制 收敛目标n设定守恒目标(Conservation Target)=设定全局的非平衡量目标n非平衡量表征流体域内所有量(质量,动量
14、,能量)的守恒性Flux MaximumOutFlux InFlux Imbalance%对收敛解Flux In=Flux Out 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 Flux In Flux Out=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)wall200C,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A Pera Global Company PERA Chinan用于当求解域中包
15、含固体域时，对固体时间步的设置n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：Length Scale/Velocity Scale 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A Pera Global Company PERA Chinan方程的分类设置(Equation Class Settings)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Basic Settings 中对相应方程的控制设置n高级选项(Ad
16、vanced Options)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A Pera Global Company PERA China输出控制 结果n输出控制(Output Control)用于控制输出的量Trn Results,Trn Stats和Export 按钮仅仅用于瞬态模拟的情况，以后再讲nResults 按钮控制最终的结果文件(.res)不推荐通过Selected Variables(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(Output Equation Residuals),用于检查计算的收敛性额外的输出变量列表(Extra Ou
17、tput Variables List),选择没有包含 于标准结果文件的变量 例如.涡量(Vorticity)A Pera Global Company PERA China可以调整输出频率可以调整输出频率输出控制 备份nBackup按钮用于控制求解器是否以及何时自动的写出备份文件n推荐用于计算时间较长的情况，如出现断电、网络问题等n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 Selected Variables:不推荐n也能在任何时候通过求解器管理器手动的写出备份文件A Pera Global Co
18、mpany PERA Chinan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nCartesian Coordinates 选项用于监测在一个指定点的变量变化趋势nExpression 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()outletn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A Pera Global Company PERA ChinanCFX-Solver Manager用于
19、: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A Pera Global Company PERA Chinan定义新的求解n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n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nUse Mesh From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Solver Input
20、File,则初始值会被内插值到输入文件如选用Initial Values mesh，那么只用到输入文件的物理设置n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A Pera Global Company PERA China求解器管理器 并行计算的定义n求解器默认为单机计算(serial)本机上的单求解器运行nRun Mode 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n单机上的并行计算，应选用Local Parallel模式n多台计算机机上的并行计算，应选用Distributed Para
21、llel 模式A Pera Global Company PERA ChinanSerialnLocal ParallelnDistributed Paralleln提供不同的通讯方法(MPICH2,HP MPI,PVM)详情请看“When To Use MPI or PVM”,在大多数情况下推荐采用HP MPI的通讯方式求解器管理器 并行计算的定义A Pera Global Company PERA Chinan勾选Show Advanced Control，显示出Partitioner,Solver 和 Interpolator按钮n在 Partitioner 按钮内,可以选择不同的切割(
22、partitioning)算法切割是一个系列过程对大的计算，难以在机子之间进行合理的内存分配默认的MeTiS算法耗费内存较大,如果内存不够可以选择其他的方法(详情见帮助文件)nMultidomain选项:Independent Partitioning:每个被切割为n 个部分Coupled Partitioning:所有domain作为一个整体，然后被分割成n个部分求解器管理器 定义求解高级控制A Pera Global Company PERA ChinanSolver 里，可选择双精度计算 计算中，更精确的有效数字 双倍的求解器内存要求 当圆整误差(round-off error)相对“较
23、大”时,选用双精度 当对某个变量“较小”的变化也很重要的时候.这个“较小”，指的是相对于该变量的全局变化而言,例如:网格运动的例子,网格的运动相对于整个domain是很小 大多数的 CHT例子,流体和固体的热传导率相差非常大 如果压力变化范围很大,但是小的压力变化很重要求解器管理器 定义求解高级控制 正式计算之前，求解器会估算内存要求正式计算之前，求解器会估算内存要求 Memory Alloc Factor是估算值的乘数因子是估算值的乘数因子 值可以适当加大，以增加内存对计算内存的分配值可以适当加大，以增加内存对计算内存的分配A Pera Global Company PERA China求解
24、管理器 交互式控制nEdit Run in Progress可以在计算过程中改变一些设置 通常不能改变模型,但是可以改变时间步,BC等A Pera Global Company PERA China.out fileMonitor Plot求解器管理器 添加求解监测Right-clickn默认的监测曲线是各个方程的RMS残差曲线，再加上定义的监测点曲线n点击右键，可以实现RMS与 MAX之间的切换n可以添加的监测:非平衡量(Imbalances)边界流量(Boundary fluxes)边界上的力(Boundary forces)切应力(Tangential-viscous)压应力(Normal-pressure)源项(Source terms)New MonitorA Pera Global Company PERA ChinaStart a new SimulationMonitor Run in ProgressMonitor Finished RunStop Current RunSave Current RunSwitch Residual Plot between RMS and MAX求解器管理器 其它按钮谢谢A Pera Global Company PERA China
