Flotherm高级培训Convergence and Troubleshooting 收敛问题及其解决
俞丹海 Flomerics中国代表处 30min
Convergence
收敛的定义
终止标准
导致收敛问题的原因
残差曲线诊断
改善收敛
Solution Control设置
Pro-Active 技术
Flotherm 求解一组偶合非线性偏微分方程(来源于Navier-Stokes方程)
Flotherm 采用迭代来求解方程(SIMPLE算法, Patankar and Spalding)
求解收敛的准则:
– 任何变量的残差达到软件默认设置(终止标准)
– 任何监控点不发生波动
在Profile 窗口中检查收敛问题
收敛的定义
在下列情况下,被认为已收敛每个变量残差值达到1 AND 监控点走平
终止标准
可以在PM中[Control/Variable] 菜单中查看指定不同变量的残差终止标准
FLOTHERM软件默认的终止标准值在大多数产品分析中,安全余量相对可靠,不需要更改.
终止标准是基于系统的质量,动量和能量三个方面来设定的.
质量平衡(压力场残差)
– 终止标准= 0.005 M (kg/s)
– 强迫对流: M = Total Inlet or Outlet Flow Rate
– 自然对流: M = ρ.EFCV.A
ρ: Air density
EFCV: Estimated Free Convection Velocity
A: Area perpendicular to the vertical
动量平衡(速度场残差)
– 终止标准= 0.005 MV (N)
– 强迫对流: V = Fan or Fixed Flow maximum velocity
– 自然对流: V = EFCV
能量平衡(温度场残差)
– 终止标准= 0.005 Q (W)
– 如果在系统中有热源或热沉:
Q = Total Heat Sources or Sinks
– 如果系统中无热源或热沉:
Q = M Cp ΔTtyp ΔTtyp = 20 °C
这些参数设置满足大多数系统的要求,并且是相
当保守的收敛标准
对于某些特殊的系统,不需要采用这么严格的
收敛的标准.
与终止标准相关的收敛问题
例如:
– 多流体系统(液冷)
– 如果系统中主导的是液体,会收敛问题发生,默认系统是以空气作为流体特性参数而设置.
– 有风扇和导流板
– FLOTHERM 计算特征速度是以风扇出口的最大流速度为参考. 由于其中某一个风扇尺寸和导流板的原因,速度可能是原先值的上百倍,这样会导致动量收敛问题.
其它收敛问题
产生收敛问题的因素
– 建模型过程中产生的错误
– 网格设置精度不够大
– 方案中的不稳定性或不良设计
– 控制参数不适宜
过多网格或者过少网格都是不合适的做法
Flotherm收敛问题的主要原因:
Errors made during set up - e.g.. fan blowing in the wrong direction.
Natural instability - e.g. a natural convection plume developing in free air.
Grid issues - e.g. grid not fine enough to capture flow detail
Termination criteria too strict – See advanced troubleshooting techniques later in this lecture
Control parameters - e.g. the false time step is too high – See advanced troubleshooting techniques later in this lecture
残差曲线
收敛
发散
高位震荡
低位震荡
高位稳定
低位稳定
小技巧:
通常情况下,如果收敛慢就需要用户终止计算进行调整模型
检查模型错误,比如在密闭系统中装有离心风扇或进入系统的热无法向外传递
在残差大的区域检查网格– 网格不足无法捕获详细信息
检查本身不稳定性- 用监控点来追踪不稳定区域
用监控点和残差场来分析低位震荡或低位稳定- 通常不需要再做修改
收敛曲线发散
– 第一步检查
– 复查Sanity Check结果
– 复查建模过程
– 寻找明显网格不足问题
– 确定问题点
– 采用Monitor Points
– Deactivate Objects/Assemblies用于隔离问题点
– 检查问题点?
– 网格是否足够描述物理现象?
– 是否有荒谬的类似热源,粗糙度,表面属性等设置?单位是否正确?
– 切记: 如果曲线发散的很明显,结果一定是不正确的.
对于发散问题重新求解时,一定要重新初始化
Flotherm低位稳定和震荡
打开残差场存储设置
– 在Project Manager 中[Solve/Overall Control]设置
残差存保留储每个单元格的残差参数
– 可以在FLOMOTION 中检查确定最大和最小值的位置
– 同时打开网格显示来判断问题是否与网格有关联
如果发现残差较大的位置不在所关注的范围内,就不需要再
对模型再做修改使其收敛
如果监控点已经达到稳态
残差常可以帮助发现劣质网格问题
温度场残差
– 可以使用自动收敛设置[Solve/Overall Control]
- 如果温度监控点在30步迭代保持在0.5度范围内波动和
- 如果温度收敛曲线降到10以下停止求解
改善收敛
改变求解选项
– 修正慢速温度收敛
松弛因子法
– 内部迭代
– Fan 松弛控制
– 线性松弛控制relaxation(欠松弛)
– Successive over松弛控制(超松弛)
调整False Time Step
– 松弛因子
– 改进高位稳定或震荡非收敛问题
Flotherm求解器选项
求解器选择在[Solve/Overall]中更改
Segregated Conjugate Residual (默认状态)
– 可以适用大多数分析状况
– 采用分离压力区域改善收敛问题
– 对于温度收敛问题, 可以使用块校正法
– 首先查找分析具有大温度残差的固体模型
– 将其加入块校正组
– 在[Solve/Overall] 中激活快校正求解 Multi Grid求解器
– 在质量和动量求解收敛过程中和
Segregated Conjugate Residual方法一样
– 采用multi grid技术加快求解温度场线性方程
– 可以很大的提高传热问题的收敛速度
– 在多求解器和局域化中,Multi Grid求解器也可以使用
There are two solver options available:
a) Segregated Conjugate Residual -- generally significantly faster linear equation solver (the default) which should normally be used. For temperature convergence, block correction can be activated. Note that block correction will slow the solver down so make sure that you do not attach more than 20 block correction groups.
b) Multi Grid -- is designed to choose an iteration procedure which uses multi grid acceleration to solve the linear equations for temperature. This option eliminates the necessity to use block correction in any form. For problems with conjugate heat transfer it can improve convergence and significantly reduce overall computation time.
How does Multi Grid solver speed up convergence?
The Multi Grid solver for temperature uses an algebraic multi grid method. The user defines a single block structured Cartesian grid as normal. For the temperature variable the solver considers calculating on different grids, successively coarsening the grid by a factor of 2 in each direction at every level. The solver chooses at which level it should solve the case and this changes dynamically throughout the solution. The cycle process is called a Flexible V cycle, which means that the solver chooses the solve level based on convergence performance, cycling up and down through the levels.
松弛控制法
内部迭代(在[Solve/Variable Control]中设置)
– 对于压力项可以采用大(等)于100步
– 增加步数将会降低收敛速度
线性松弛控制(在[Solve/Solver Control]中设置)
– 通常设在0.5~0.9范围内
– 0: 冻结求解; 1: 无阻尼
Successive Over-relaxation (在[Control/Solver]中设置)
– 很少使用
– 非常容易导致不稳定,慎用
– 建议在1.0~1.5范围
– 用于纯传导问题和高压系统
Fan松弛控制
– 在[Solve/Overall Control]中设置
– 有效值范围是0.5~0.9
– 有助于改善工作点在风扇PQ中梯度较小位置的收敛速度
False Time Step
通过变量求解控制栏来调节[Solve/Variable Control]
自动设置的值是基于时间特征常数,适用于大多数情况
用户可以针对每个变量设定不同的值variable
– 使用滑标
– 直接输入值
如果False Time Step放大或缩小超过50倍容易导致发散
切记要检查监控点以确认达到收敛
调节False Time Step类似于调节阻尼
– false time step较大值– 减少阻尼
– false time step 较小值- 增加阻尼
– false time step非常大值–无阻尼
– false time step 非常小值-无变化,无法求解
False Time Step 举例
– 减少False time Step (提高阻尼)到10-50, 目的在于改进高位震荡
– 增大False Time Step (减少阻尼) 到10-50,目的在于改进高位稳态收敛问题
– 在复杂系统中,降低False Time Step 有时会改善高位稳态收敛问题
Pro-Active技术
在求解模型前
– 使用Sanity Check信息窗口(under [Solve/Sanity Check])
– 检查FLOTHERM 模型:
– 物体覆盖问题
– 物体等级问题
– 未附材料属性或其他属性
– 设置监控点来观察局部参数和判断局部非稳定性问题
– 网格检查(aspect ratio, enough grid cells, …)
求解过后, 如果有收敛问题
– 检查流入和流出系统的质量流
– 使用Regions获取系统空气流量
– 打开残差场存储来确定最大残差点位置
– 如果在低位稳态或震荡,主要监控点参数稳定,且大残差不在关注区域,则不需要再采取改进措施
– 如果残差在关注区域,请检查网格
– 如果在高位稳态或震荡, Solution control 参数需要做调整(Relaxation)
Flotherm资料下载: FLOTHERM软件高级培训PPT.pdf
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