CHP22时间步长

CHP22.15 时间步长的设定绘制当前时间数据图的方法：使用显式非稳态公式或使用的是适应时间步长法，推荐用绘制当前时间或当前时间步长数据图。

方法：Solve—Monitors—statistic在statistics框中选择time或是delta_time 项。

确定与时间有关的求解参数：一阶或二阶隐式求解方法：Max Iterations per Time Step:当FLUENT用隐式方法求解时，每个时间步长都要迭代。

设定了每个时间步长内迭代的最大数值，如果在达到这个数值以前迭代收敛的话，求解过程会提前进入下一个时间步长。

Time Step Size：时间步长大小是t∆的数值大小。

由于FLUENT是完全隐式，因此没有队时间步长大小的要求。

但为了正确模拟瞬态流动，时间步长大小的数量级至少应比系统中正在模拟的最小时间常量要小一个数量级。

判断t∆的选择的一个好方法是观察FLUENT在每个时间步长内迭代至收敛的次数，理想次数是10到20次，如果次数多于这个数值，则说明时间步长太大了。

如果每个时间步长内只有几次迭代，则说明t∆应该增大。

常见的问题是FLUENT启动很快，而衰减也很快。

这样情况下，聪明的办法是开始的5到10个时间步长设的相对较小，然后随着计算过程逐渐增加t∆。

对于周期性时间的计算，应该根据时间周期的大小选择时间步长。

比如说，对于转子/定子模型，可以在每个叶片通过之间设置20个时间步长。

再比如对于涡轮流散的模型，每个周期20个时间步长比较好。

迭代时间步场面板上，默认的时间步长大小是固定的。

要想在计算过程中随时修改时间步长大小，则要选adaptive并在adaptive time stepping中设好参数。

第22.15.2节中详细讲述该内容。

22.15.2 调整性时间步长调整性时间步长只有在segregated算法和coupled implicit算法中才能用，coupled explicit 算法不能用。

另外，VOF或是分散相模型也不能用。

自动调整时间步长根据对与时间差分方案有关的truncation error截断误差而定，如果截断误差小于指定的允许程度，时间步长大小就要增大，反之，时间步长要减小。

截断误差的估测可以通过对算法的时间差分的预测修正得到。

每个时间步长开始时，算法简单、粗略的计算问题的初始值，将它作为该时间步长的初始条件，然后用非线性迭代隐式算法修正，在对预测值和修正值之间的差异以截断误差为标准进行比较，如果达到了截断误差的预期程度，FLUENT就调整时间步长的大小。

参数：截断误差Truncation Error Tolerance：指定与计算的截断误差相比较的初始值，增大这个值，会使时间步长增大，求解精度降低。

反之，则变化趋势相反，但计算所需的时间要变长。

对大多数情况，用默认值0.01即可。

结束时间Ending Time：指定计算的结束时间。

结束时间不等于时间步乘以固定时间步长长短，应该专门指定它的值。

最大/最小时间步长长短Minimum/Maximun Time Step Size：该项指定时间步长的上下限值。

如果时间步长很小，计算要花费的时间和所占空间就高，如果时间步长很大，计算精度就不够。

最大/最小步长改变系数Minimum/Maximum Step Change Factor Limit：限制了每一步时间步长内步长改变的程度。

其结果是使得时间步长内计算更加顺利，特别是当出现高频率的扰动时。

如果时间步长改变系数f 由物质截断误差和计算截断误差求得，时间步长t ∆n 用以下方法求得：● 1<f<f max t ∆n 应增加。

● 1<f max <f t ∆n 应增加，但其最大值不超过1max -∆n t f● f min <f<1 t ∆n 无需改变● f<f min <1 t ∆n 应减小固定时间步长的数量Number of Fixed Time Steps ：指定固定时间步长的数量，该步骤要在时间步长开始改变之前进行。

这个值就是Iterate 面板上Time Step Size 项。

较好的方法之一是在将时间步长该为适应性之前，先进行几步固定时间步长的迭代。

有时候由于计算开始时的跳跃导致了假性离散误差，这些错误在一开始被离散掉，但会影响适应性时间步长的调整，而且计算开始时，时间步长也会特别小。

22.16 definition of residuals for the coupled solvers耦合算法的残差仅仅是守恒变量(W)随时间的变化率。

RMS 残差是计算域内每个网格内残差的均方根。

上式是耦合算法中所有耦合方程的没有经过放大（unscaled ）的残差之和。

耦合算法残差的求解和分离算法顺序一样。

一般来说，用上面的方程很难判断残差是否收敛，因为该残差没有scaled 。

特别是在房间内的自然流动这种入口流速与残差相比相差不多的封闭流动，更难判断是否收敛。

FLUENT 将残差用scaling 因子放大，scaling 因子用流经计算域的流速来代表。

经过放大的残差定义式是：分母是最初五次迭代的绝对值最大的残差。

上面经过放大的残差判断计算收敛就很有用了。

使用的方法在第22.19.1节中讲述。

有时候在计算过程中把残差减少了的数量级作为判断收敛与否的标准也是一种好方法。

针对这个目的，FLUENT 提供了另一种方法叫normalize ，该法用迭代M 次以后的最大残差去除残差，M 可以由用户自己设定。

残差和的标准化normalization 是用M 次迭代后最大的残差去除N 次迭代的残差和这种方法的残差标准化保证了所有方程的初始残差是1，有时候判断残差收敛很有用。

系统默认M=5，使标准化残差与放大了的残差相等。

标准化因子可以在residual monitors控制面板中指定。

Overview of using the residual monitors panelPlot parameters如果选择了绘出残差值（在计算过程中绘出或是计算结束后绘出），有几个参数可以修改。

在plotting下面的控制面板中，可以指定绘图所用图形框的ID。

迭代过程中更新的残差值临时画在激活的图形框中，然后返回到原来的图形框中。

这样，残差值图就保存在一个相对独立的图形框中而并不与其他图形处理框相互影响。

改变plotting下面的iterations值，就修改了要绘制的残差图上要展示的横坐标间隔大小。

如果将这个值设定为n，那么FLUENT就会展示出第n步结束的残差历史值对应的点。

由于y轴表示的是经过放大后的在所有残差点最大最小值之间的值，所以可以通过修改iterations值使其小于原来设定的1000来放大残差图。

举例来说，如果残差在计算紊流时很早就开始震荡，其峰值增大了残差值的范围，这使得后面的残差波动几乎分辨不出来。

这时，设定残差的iterations值，使残差图不包括前面的峰值，这样，y轴的取值范围就会更合理。

还可以通过修改残差图的轴axes和残差曲线curves，改动残差分布。

Disabling monitoring如果求解的问题中涉及到很多方程（比如紊流特性和多种物质），残差图就要绘制所有残差曲线，这样读取数据有困难。

这种情况下，可以有选择的只控制一部分残差曲线，绘出对收敛影响最大的变量残差。

方法是打开或关闭residual monitors 面板上的相关check项。

Controlling normalization默认方法是放大残差，收敛标准为10-3，能量方程和P-1方程为10-6，也可以改用标准化方法求解残差。

标准化方法既可以用scaled 方法也可以用unscaled 方法。

需要注意的是如果用了标准化方法，收敛标准就要适当的调整。

关于如何根据不同残查报告调整收敛标准看第22.19.1节。

！如果是从scaled的残差换成unscaled型残差（反之亦然），还是标准化处理残差，必须要点击renorm键重新计算标准化因子。

如果希望标准化残差，只要打开normalize选项即可。

标准化因子这时会自动出现在控制面板上。

FLUENT会normalize打印出的或绘出的每个变量的残差。

默认的标准化因子是前5次迭代后的最大残差值。

要改动最大残差值的取值M,可在normalization控制面板上改动。

大多数情况下，最大残差值会出现在迭代场指定的迭代次数之后不久。

如果出现了这种情况，可以点击renorm键重置所有变量的最大化因子使其取值是残差的最大值。

后面的计算和画图就会用新的标准化因子。

还可以明确指定标准化因子。

方法是在相应的残差控制面板上输入相应的标准化控制因子。

如果想输出未经标准化，也没有放大unscaled的残差，只要关闭normalize 和scale选项即可。

要注意的是，不管报告的残差是normalized 还是scaled，unnormalized、unscaled的残差都保存在数据文件中。

Postprocessing residual values如果收敛困难，绘出残差流场（比如用等值线图）判断高残差的位置。

如果用的是coupled计算方法，所有变量的残差值在residuals对话框里就有。

但如果用的是segregated算法，就只有mass imbalance。

22.16.3 Monitoring forces and moments每次迭代结束，lift coefficient、drag coefficient、moment coefficient都会计算并保存到收敛纪录中。

该记录可以绘出并保存到另外一个文件中。

该文件一FLUENT XY plot格式保存。

在计算外部空气动力学问题时，monitoring forces控制受力是一种有用的方法。

例如，对受力需要仔细研究时，有时，受力在残差降到10-3之前就已经收敛了，这是用改法可以比值用残差控制收敛提前停止计算，从而节省了时间。

（但一定要用flux reports检查质量流速和热传递速度，以保证质量守恒和能量守恒可以严格成立）。

！force coefficient 和moment coefficient用第26.8节中所讲的参考值。

特别要注意的是，force coefficients 用参考面积、参考密度、参考速度求，而moment coefficient 用参考面积、参考密度和参考速度、参考长度求。

！只有过程中的force coefficient数据可以保存。

如果要改变任何控制受力force monitoring 的参数，比如参考值、受力矢量force vector、moment center、moment axis、wall zones，在数据中就会看到其不连续性，以前的数据没有更新。