Flotherm高級培訓Convergence and Troubleshooting 收斂問題及其解決
俞丹海 Flomerics中國代表處 30min
Convergence
收斂的定義
終止標準
導致收斂問題的原因
殘差曲線診斷
改善收斂
Solution Control設置
Pro-Active 技術
Flotherm 求解一組偶合非線性偏微分方程(來源于Navier-Stokes方程)
Flotherm 采用迭代來求解方程(SIMPLE算法, Patankar and Spalding)
求解收斂的準則:
– 任何變量的殘差達到軟件默認設置(終止標準)
– 任何監(jiān)控點不發(fā)生波動
在Profile 窗口中檢查收斂問題
收斂的定義
在下列情況下,被認為已收斂每個變量殘差值達到1 AND 監(jiān)控點走平
終止標準
可以在PM中[Control/Variable] 菜單中查看指定不同變量的殘差終止標準
FLOTHERM軟件默認的終止標準值在大多數(shù)產(chǎn)品分析中,安全余量相對可靠,不需要更改.
終止標準是基于系統(tǒng)的質(zhì)量,動量和能量三個方面來設定的.
質(zhì)量平衡(壓力場殘差)
– 終止標準= 0.005 M (kg/s)
– 強迫對流: M = Total Inlet or Outlet Flow Rate
– 自然對流: M = ρ.EFCV.A
ρ: Air density
EFCV: Estimated Free Convection Velocity
A: Area perpendicular to the vertical
動量平衡(速度場殘差)
– 終止標準= 0.005 MV (N)
– 強迫對流: V = Fan or Fixed Flow maximum velocity
– 自然對流: V = EFCV
能量平衡(溫度場殘差)
– 終止標準= 0.005 Q (W)
– 如果在系統(tǒng)中有熱源或熱沉:
Q = Total Heat Sources or Sinks
– 如果系統(tǒng)中無熱源或熱沉:
Q = M Cp ΔTtyp ΔTtyp = 20 °C
這些參數(shù)設置滿足大多數(shù)系統(tǒng)的要求,并且是相
當保守的收斂標準
對于某些特殊的系統(tǒng),不需要采用這么嚴格的
收斂的標準.
與終止標準相關的收斂問題
例如:
– 多流體系統(tǒng)(液冷)
– 如果系統(tǒng)中主導的是液體,會收斂問題發(fā)生,默認系統(tǒng)是以空氣作為流體特性參數(shù)而設置.
– 有風扇和導流板
– FLOTHERM 計算特征速度是以風扇出口的最大流速度為參考. 由于其中某一個風扇尺寸和導流板的原因,速度可能是原先值的上百倍,這樣會導致動量收斂問題.
其它收斂問題
產(chǎn)生收斂問題的因素
– 建模型過程中產(chǎn)生的錯誤
– 網(wǎng)格設置精度不夠大
– 方案中的不穩(wěn)定性或不良設計
– 控制參數(shù)不適宜
過多網(wǎng)格或者過少網(wǎng)格都是不合適的做法
Flotherm收斂問題的主要原因:
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
殘差曲線
收斂
發(fā)散
高位震蕩
低位震蕩
高位穩(wěn)定
低位穩(wěn)定
小技巧:
通常情況下,如果收斂慢就需要用戶終止計算進行調(diào)整模型
檢查模型錯誤,比如在密閉系統(tǒng)中裝有離心風扇或進入系統(tǒng)的熱無法向外傳遞
在殘差大的區(qū)域檢查網(wǎng)格– 網(wǎng)格不足無法捕獲詳細信息
檢查本身不穩(wěn)定性- 用監(jiān)控點來追蹤不穩(wěn)定區(qū)域
用監(jiān)控點和殘差場來分析低位震蕩或低位穩(wěn)定- 通常不需要再做修改
收斂曲線發(fā)散
– 第一步檢查
– 復查Sanity Check結果
– 復查建模過程
– 尋找明顯網(wǎng)格不足問題
– 確定問題點
– 采用Monitor Points
– Deactivate Objects/Assemblies用于隔離問題點
– 檢查問題點?
– 網(wǎng)格是否足夠描述物理現(xiàn)象?
– 是否有荒謬的類似熱源,粗糙度,表面屬性等設置?單位是否正確?
– 切記: 如果曲線發(fā)散的很明顯,結果一定是不正確的.
對于發(fā)散問題重新求解時,一定要重新初始化
Flotherm低位穩(wěn)定和震蕩
打開殘差場存儲設置
– 在Project Manager 中[Solve/Overall Control]設置
殘差存保留儲每個單元格的殘差參數(shù)
– 可以在FLOMOTION 中檢查確定最大和最小值的位置
– 同時打開網(wǎng)格顯示來判斷問題是否與網(wǎng)格有關聯(lián)
如果發(fā)現(xiàn)殘差較大的位置不在所關注的范圍內(nèi),就不需要再
對模型再做修改使其收斂
如果監(jiān)控點已經(jīng)達到穩(wěn)態(tài)
殘差常可以幫助發(fā)現(xiàn)劣質(zhì)網(wǎng)格問題
溫度場殘差
– 可以使用自動收斂設置[Solve/Overall Control]
- 如果溫度監(jiān)控點在30步迭代保持在0.5度范圍內(nèi)波動和
- 如果溫度收斂曲線降到10以下停止求解
改善收斂
改變求解選項
– 修正慢速溫度收斂
松弛因子法
– 內(nèi)部迭代
– Fan 松弛控制
– 線性松弛控制relaxation(欠松弛)
– Successive over松弛控制(超松弛)
調(diào)整False Time Step
– 松弛因子
– 改進高位穩(wěn)定或震蕩非收斂問題
Flotherm求解器選項
求解器選擇在[Solve/Overall]中更改
Segregated Conjugate Residual (默認狀態(tài))
– 可以適用大多數(shù)分析狀況
– 采用分離壓力區(qū)域改善收斂問題
– 對于溫度收斂問題, 可以使用塊校正法
– 首先查找分析具有大溫度殘差的固體模型
– 將其加入塊校正組
– 在[Solve/Overall] 中激活快校正求解 Multi Grid求解器
– 在質(zhì)量和動量求解收斂過程中和
Segregated Conjugate Residual方法一樣
– 采用multi grid技術加快求解溫度場線性方程
– 可以很大的提高傳熱問題的收斂速度
– 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
內(nèi)部迭代(在[Solve/Variable Control]中設置)
– 對于壓力項可以采用大(等)于100步
– 增加步數(shù)將會降低收斂速度
線性松弛控制(在[Solve/Solver Control]中設置)
– 通常設在0.5~0.9范圍內(nèi)
– 0: 凍結求解; 1: 無阻尼
Successive Over-relaxation (在[Control/Solver]中設置)
– 很少使用
– 非常容易導致不穩(wěn)定,慎用
– 建議在1.0~1.5范圍
– 用于純傳導問題和高壓系統(tǒng)
Fan松弛控制
– 在[Solve/Overall Control]中設置
– 有效值范圍是0.5~0.9
– 有助于改善工作點在風扇PQ中梯度較小位置的收斂速度
False Time Step
通過變量求解控制欄來調(diào)節(jié)[Solve/Variable Control]
自動設置的值是基于時間特征常數(shù),適用于大多數(shù)情況
用戶可以針對每個變量設定不同的值variable
– 使用滑標
– 直接輸入值
如果False Time Step放大或縮小超過50倍容易導致發(fā)散
切記要檢查監(jiān)控點以確認達到收斂
調(diào)節(jié)False Time Step類似于調(diào)節(jié)阻尼
– false time step較大值– 減少阻尼
– false time step 較小值- 增加阻尼
– false time step非常大值–無阻尼
– false time step 非常小值-無變化,無法求解
False Time Step 舉例
– 減少False time Step (提高阻尼)到10-50, 目的在于改進高位震蕩
– 增大False Time Step (減少阻尼) 到10-50,目的在于改進高位穩(wěn)態(tài)收斂問題
– 在復雜系統(tǒng)中,降低False Time Step 有時會改善高位穩(wěn)態(tài)收斂問題
Pro-Active技術
在求解模型前
– 使用Sanity Check信息窗口(under [Solve/Sanity Check])
– 檢查FLOTHERM 模型:
– 物體覆蓋問題
– 物體等級問題
– 未附材料屬性或其他屬性
– 設置監(jiān)控點來觀察局部參數(shù)和判斷局部非穩(wěn)定性問題
– 網(wǎng)格檢查(aspect ratio, enough grid cells, …)
求解過后, 如果有收斂問題
– 檢查流入和流出系統(tǒng)的質(zhì)量流
– 使用Regions獲取系統(tǒng)空氣流量
– 打開殘差場存儲來確定最大殘差點位置
– 如果在低位穩(wěn)態(tài)或震蕩,主要監(jiān)控點參數(shù)穩(wěn)定,且大殘差不在關注區(qū)域,則不需要再采取改進措施
– 如果殘差在關注區(qū)域,請檢查網(wǎng)格
– 如果在高位穩(wěn)態(tài)或震蕩, Solution control 參數(shù)需要做調(diào)整(Relaxation)
Flotherm資料下載: FLOTHERM軟件高級培訓PPT.pdf
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