第22章 fluent解算器的使用(8)

2019-08-03 11:15

分离求解器残差的定义

离散之后,一般变量f在单元P中的守恒方程可以写成:

aP?P??anb?nb?b

nb其中a_P是中心系数,a_nb是邻近单元的影响系数,b是源项S= S_c + S_P f的常数部分S_c和边界条件的贡献。在方程1中,

aP??anb?Sp

nb由FLUENT分离求解器计算的残差R^f是在所有计算单元P中方程1总和的不平衡。这是指非标度的残差。可以写成:

R????anb?nb?b?aP?P

cellsnb一般说来,很难从方程5定义的残差来判断收敛性,因为它是未标度的。尤其是在封闭的流动中,如空间内部的自然对流问题,在这个空间中没有f的入口流动速度来和残差比较。FLUENT使用代表f通过区域的流动速度作为标度因子来标度残差。标度的残差定义为:

?p?a??b?aP?P R???paP?Pnbnbcellsnbcells对于动量方程,分母项a_P f_P由a_p v_p替换,其中v_p是单元P上的速度大小。

如收敛性判断一节所述,标度的残差对于大多数问题来说就比较适合判断收敛性了。这个残差是FLUENT默认的显示。需要注意的是,这个残差定义对于结构网格求解器FLUENT 4也是适用的。

对于连续性方程,分离求解器未标度的残差定义为:

Rc??prateofcellsmasscreationincellP

分离求解器连续性方程的标度残差定义为:

cRiterationcRiterationN5

分母是前五步迭代中连续性残差的最大值。

上面所介绍的标度残差很适合用于判断收敛性。关于它们使用的原则可以参阅收敛性判断一节。在计算中确定残差减少多少来作为收敛性的附加度量常常是很有用的。为了实现这一目的,FLUENT允许你对残差实行标准化,标准化的方法就是将残差除以M步迭代之后残差的最大值,其中的M你可以在残差监视面板迭代框中的标准化框中设定。

R??cRiterationNRciterationM

这样的标准化保证了所有方程的初始残差都是1的小量O(1)因此在判断所有的收敛性时有

时是很有用的。

在默认的情况下,M = 5。你也可以在残差监视设定面板中手动设定标准化因子(方程13种的分母)。

耦合求解器残差的定义

耦合求解器的残差就是守恒变量(W)随时间的变化速度。RMS残差是区域内每一个单元残差平方的均方根:

??W?R?W?????

?t??方程1是为FLUENT耦合求解器计算的耦合方程报告的非标度残差的总和。

耦合求解器在耦合方程组解完之后解附加标量方程时,对应的残差的定义是和分离求解器残差的定义一样的。如果你不记得了耦合求解器是如何解附加标量的请参阅耦合解方法一节。

一般说来,很难从方程1定义的残差来判断收敛性,因为它是未标度的。尤其是在封闭的流动中,如空间内部的自然对流问题,在这个空间中没有f的入口流动速度来和残差比较。FLUENT使用代表f通过区域的流动速度作为标度因子来标度残差。标度的残差定义为:

分母是前五步迭代中残差绝对值的最大值。

上面所述的残差是判断解的收敛性的有用的指标。关于它们使用的原则可以参阅收敛性判断一节。在计算中确定残差减少多少来作为收敛性的附加度量常常是很有用的。为了实现这一目的,FLUENT允许你对残差(标度的或者未标度的)实行标准化,标准化的方法就是将残差除以M步迭代之后残差的最大值,其中的M你可以在残差监视面板迭代框中的标准化框中设定。

2R?W??R?W?iterationR?W?iterationNM

这样的标准化保证了所有方程的初始残差都是1的小量O(1)因此在判断所有的收敛性时有时是很有用的。

在默认的情况下,M = 5,使得标准化残差等于标度残差。你也可以在残差监视设定面板中手动设定标准化因子(方程5中的分母)。

使用残差监视器面板概述

控制残差监视的所有输入都是在残差监视面板中完成的(下图)。菜单:Solve/Monitors/Residual...或者菜单:Plot/Residuals...。

Figure 1: 残差监视面板

一般说来,你需要使用这个面板来激活残差绘制和修改收敛性判据。对于禁止某个特定残差的监视和修改标准化和绘图参数我们可以得到附加的控制。

打印和绘制残差图

在默认的情况下,所有相关变量的残差值都会在每次迭代之后被打印到文本(控制台)窗口。如果你想禁止这项打印输出,请在选项中关闭打印项。要激活每次迭代之后残差绘制功能,请在选项中打开绘图选项。此时残差会在计算时被绘制在图形窗口中(在窗口框中的窗口ID)。

如果你想要显示当前残差历史记录的绘图,只需要点击绘图按钮。

修改收敛判据

除了在计算过程中绘制和打印残差值之外,FLUENT还会检查收敛性。如果收敛性被监视了,当每个变量的指定收敛判据满足计算器就会自动停止计算。只有对于被监视残差的变量才可以被检查收敛性(也就是监视器的设定为yes的变量)。

你可以选择是否监视每一个变量的收敛性,具体操作方法就是在残差监视面板的检查收敛性列表中点击yes或者no来选择。当你点击yes之后,相应的按钮就会变成no,反之亦然。

要对某一个特定的变量修改收敛性判据,请在收敛性判据列表中点击当前的变量。此时会打开残差监视设定面板(下图),这样你就可以在收敛判据框中设定新的数值。点击OK之后就将相应的修改之后的数值发送到残差监视面板。一定要记住在残差监视面板中点击OK,否则不会保存相应的改变。

Figure 1: 残差监视设定面板

绘图参数

如果你选择绘制残差图(或者在街的进程中交互修改或者在计算之后使用绘图按钮),你可以修改几个显示选项。

在绘图的窗口框中,你可以指定需要绘图的窗口的ID。在FLUENT迭代过程中,激活的绘图窗口临时设定为这个窗口来更新残差的绘图,然后返回到先前的数值。因此残差绘图可以保存在独立的窗口中而不会干涉其它的后处理图形。

通过改变绘图中的迭代输入,你可以改变绘图中显示的残差历史点的数目。如果你指定n个点,FLUENT会显示最后n个历史点。因为y轴是用绘图中所有点的最大值和最小值标度的,你可以通过将迭代设定小于已经执行的迭代数来放大残差历史的端点,例如,如果你打开湍流计算,在计算中残差在前期跳跃,顶点就会放大所有的残差值的范围,这样就使得以后较小的波动几乎不能辨别了。通过设定迭代值来保证绘图不包括前期的跳跃,y轴的范围更适合于观察你所感兴趣的数值。

你可以修改绘图轴和残差曲线的属性。点击Axes...或者Curves...按钮可以打开修改坐标轴属性或者修改属性的相关选项。具体可以参阅修改坐标轴属性和修改曲线属性两节。

取消监视

如果你的问题需要解很多方程(比如说:湍流量和多组分),包含所有残差的绘图可能会很难读入。在这种情况下,你可以选择只监视残差的子集,可能是那些影响收敛的主要因素。你可以在残差监视面板中的监视器列表中点击yes或者no来确定是否监视每一个残差。当你点击yes之后,相应的按钮就会变成no,反之亦然。

控制标准化

在默认的情况下残差的标度(见前面的介绍)是激活的,而且能量和P-1方程的默认收敛判据是10^-6,其它方程的收敛判据是10^-3。残差标准化(参阅前面的介绍)也可以使用,但是在默认的情况下是关闭的。

标准化可以用于标度和未标度的残差。后者的结合(未标度但是进行了标准化)会回复到FLUENT/UNS 3.2和RAMPANT 4类型的残差报告。注意,如果标准化功能被激活的话,可能需要适当的调节收敛性判据。对于基于不同类型的残差报告的收敛性判断的信息可以参阅收敛性判断一节。(未经处理的残差和标度因子都被保存在数据文件中,这样你就可以在

标度和未标度残差之间进行转化了。要报告未标度残差,可以在标准化中关闭标度选项。

注意:如果你是用标准化残差并在标度和未标度残差之间进行转换(反之亦然),你必须点击Renorm按钮来重新计算标准化因子。

如果你需要对残差进行标准化,请在标准化下面打开标准化选项。此时标准化因子会被加到面板中。FLUENT会对每一个变量对应的标准化因子打印或者绘制该变量的残差。默认的标准化因子是前五步迭代之后的最大残差值。要使用不同的步数之后的残差的最大值,你可以在标准化中修改迭代的输入。

在某些情况下,最大的残差值可能出现在残差框中指定的迭代之后。如果可能出现这种情况,你可以点击Renorm按钮将所有变量的标准化因子设定为残差历史记录中的最大值。相应的绘图和打印报告也会使用新的标准化因子。

你也可以明确地指定标准化因子。要对某一特定变量修改标准化因子,请在标准化因子列表中点击当前的值。此时就会打开残差监视设定面板,你可以在标准化因子框中设定新的数值。点击OK将改变的数值发送到残差监视面板中。一定要记住在残差监视面板中点击OK,否则不会保存相应的改变。

如果你希望报告非标准化,非标度的残差,请在残差监视面板中标准化下面关闭标准化和标度选项。需要注意的是,不管所报告的残差是未标准化或者未标度的,非标准化和非标度残差都会保存在数据文件中。

存储残差历史记录点

每一个变量的残差历史记录自动保存在数据文件中,而不用管它们是否被监视。你可以改变存储下面的迭代输入来控制需要存储的历史点的个数,最多可以保存1000个点。如果执行的迭代步数超过1000,那么求解器就会每个一个点丢弃一个——这样就只存储了500个历史点——接着存储下面的500点。如果有达到了1000个点,求解器会继续上面的操作。如果你执行的迭代数目极大,你需要关闭和开始计算有关的残差历史记录信息。在这种情况下,你需要将迭代增加到适当的值。当然,这个数越大,你所需要内存就更多,绘图的时间就越长,同时也就需要更多的磁盘存储空间来保存数据文件。

监视统计

如果解完全发展的周期性流动,你可能想要监视压力梯度或者体积温度比,具体可以参阅周期性流动和热传导一节。

当你解非定常流动,尤其是使用显式时间步进选项,你可能需要监视在计算中已经过去的时间。当你初始化流动时流场开始的物理时间是零(关于非定常流模拟的详细内容,请参阅时间相关模拟一节)。

你可以使用静态监视面板(下图)在计算中来打印或者绘制这些量。菜单:Solve/Monitors/Statistic...。


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