瞬態，fluent，收斂的案例
四十三、Fluent增強收斂性-偽瞬態計算
偽瞬態作用</strong></p><p> </p><p><br></p><p>為什么要使用偽瞬態的算法？偽瞬態的作用實際上是增加收斂性的，當你的穩態計算收斂性不好時，可以將穩態計算更改為偽瞬態計算，收斂性會增強。</p><p><br></p><p>當然還可以通過前面所說的降低松弛因子的方式來增強收斂性。</p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/8tJMdLVYZyicQWyfWYsh1PFR1SIK7PZ1OCzyr0lAiby5CoIPzA1zY6JXOj2wgdTiapmQxV27Tkp5ARfACCfSDeFIw/640?wx_fmt=jpeg" width="100%"> </p><p><br></p><p>但是，偽瞬態并不是真正的瞬態，它雖然會出現時間步長這種概念，但是在每個時間步長并不收斂，而只是最終的計算結果收斂，因此當計算只考慮穩態結果時可以使用偽瞬態算法，而如果考慮某時刻的結果，則必須使用瞬態算法。</p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/8tJMdLVYZyicQWyfWYsh1PFR1SIK7PZ1OT8uDAu5DSBfPSFVsSzuPY7mznSNZWCicSR3I6GGd5qE1XN7Wiaw5a3CA/640?wx_fmt=jpeg" width="100%"> </p><p><br></p><p><br></p><p><strong>1. 使用條件</strong></p><p> </p><p>對于穩態計算，當使用基于壓力的耦合求解器coupled或基于密度的隱式求解器Implicit時，可以選擇偽瞬態的方式求解計算。
展開 提高瞬態模型收斂性的多種有效方法
這可能會嚴重影響收斂，具體取決于問題的性質。如果模型是用“分離”方法求解的，請嘗試使用“全耦合”方法，反之亦然。在通過“全耦合”方法求解模型時，可能需要使用“直接”線性方程組求解器。
處理非收斂模型
如果瞬態求解器無法收斂，它要么在初始條件下立即求解失敗，要么在整個仿真過程的某個時間點失敗。
如果是在仿真過程中的某個時間點失敗，可以使用上述所有技巧來提高收斂性。此外，輸出求解器得到的結果，參考文章：控制瞬態求解器的時間步長中所述。繪制求解器失敗時的時步的解以及該時步的前一時步的解，并觀察這些解。如果網格不夠細化或者存在一些正在傳播的累積誤差，則繪制結果會特別突出顯示。
如果求解器立即求解失敗，首先需要仔細檢查每個物理場接口中指定的初始條件，以及模型中各物理場的所有邊界條件、載荷和約束。如果這些因素不一致，可能會導致求解器失效。默認情況下，求解器將試圖通過找到與所有邊界條件都一致的初始條件來更正這一問題，但這可能與預期有很大的不同。這種情況在涉及流動的模型中尤其常見，參考文章：求解初始值不一致的瞬態模型中所述。
如果此操作符合您的實際情況，還建議您嘗試建立一個等效或幾乎等效的穩態（時不變）模型，此模型可以作為一個很好的測試平臺，用于研究網格細化和縮放，以及比較分離方法與全耦合方法。有關處理非線性穩態模型的信息，請參考文章：提高非線性穩態模型的收斂性的 7 種有效方法。
本文內容來自 COMSOL 知識庫
展開 fluent使用經驗 y+ 周期性邊界條件 收斂標準 修改fluent中單位
3.三種判斷收斂的方法：（1）殘差達到一個可以接受的程度：默認出了能量是10^-6以外，其余的全是10^-3。
（2）求解值不再隨迭代發生改變：有時候，殘差還在下降，但是某些監視的流動變量不再發生變化即可。
（3）系統的質量、動量、能量達到平衡：利用flux report實現，要求凈不平衡量小于0.2%。
4.創建一對周期性邊界的的方法：（1）在命令框中按回車，得到命令提示符>
（2）輸入mesh/modify-zones/make-periodic,再根據提示選擇相應的面。
5.outflow邊界條件不需要給定任何入口的物理條件，但是應用也會有限制，大致為以下四點：
1.只能用于不可壓縮流動
2.出口處流動充分發展
3.不能與任何壓力邊界條件搭配使用（壓力入口、壓力出口）
4.不能用于計算流量分配問題（比如有多個出口的問題）
6.在壓力出口中，會要求輸入相應的backflow turbulent intensity等值，這些值只有在迭代時產生返流的時候才會使用，
通常設置成一個合理的值。算例14中，設置為intensity 10%，diameter hydraulic按實際模型數值。
7.后處理的時候，顯示速度矢量圖的時候，箭頭的長度可以不按速度的大小給出，而僅由箭頭的顏色決定，具體的操作:
Vector options.勾選Fixed Length
8.波爾茲曼數能表征傳熱中對流傳熱和輻射傳熱所占的比例，具體的表達式在第14個例子的最后。
展開 Fluent 旋轉機械瞬態計算（一）
本案例利用Fluent中的滑移網格模型（RBM)，對螺旋槳敞水水動力性能問題進行了瞬態仿真計算。該案例僅對4119槳的瞬態計算進行了簡單演示，其余的旋轉機械的仿真設置與本案例基本一致，可按照該案例進行相關設置。
本文僅計算了進速系數為0.4的工況，計算結果與相關實驗較為接近。
與Fluent MRF 旋轉機械（一）的結果相比，瞬態計算結果與實驗值更為接近。
1 workbench 設置
1.1 選擇流體流動（帶有Fluent 網格劃分功能的Fluent）和流體流動（Fluent）
由于用的版本較老，因此無法通過一個fluent建立interface，此處為了利用fluent meshing劃分網格，采用了三個fluent模塊。分別進行外部流場網格劃分、內部流場網格劃分和流場計算。
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
左邊為入口，右邊為出口。
下圖為外部流場幾何圖。
下圖為內部流場幾何圖。
3 FLUENT MESHING設置
采用了Fluent meshing進行前處理，采用多面體的方法對體網格進行劃分。由于穩態計算結果比較可信，此處選擇了相同的劃分的方式與尺寸。
4 FLUENT 設置
4.1 General設置與網格導入
首先將保存的外部流場網格導入。然后通過附加case文件的方式，將內部流場網格導入。
由于是瞬態求解問題，此處設置為瞬態態計算模式。
4.2 滑移條件設置
其他的條件設置與Fluent MRF 旋轉機械（一）一致，因此相同的設置不再闡述，僅有內部流場網格部分不一致。因此對內部流場網格進行了重新設置。
4.3 計算設置
進行初始化，以0.0001s的時間步長進行計算。
開啟阻力監測，本案例阻力尚未達到穩定，但已經超過274N。推力仿真表現已優于MRF的計算結果。
展開 
使用Fluent進行船體CFD瞬態仿真 ￥5
使用 Ansys Fluent 執行船體在逆海波浪中移動的升沉和縱搖仿真示例。流體體積或 VOF 模型用于求解此明渠流動示例。在此示例中，使用明渠波浪邊界條件生成淺層波浪，而使用動態網格對 wigley 船體的運動進行建模。使用用戶定義函數 (UDF) 將運動限制為 4 個自由度 (DOF)。為了避免出口處的數值反射（非物理結果/波浪反射），使用了數值海灘選項。 Fluent 案例文件供下載。
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Fluent實用案例 | DEM顆粒瞬態仿真
本案例利用Fluent中的DEM模型，對管道運輸進行流體仿真，主要是對管路顆粒運輸過程進行診斷，防止出現顆粒陷入死循環，導入管路阻塞和浪費。因此進行相關的管路氣力運輸可以按照本文的相關設置進行仿真計算。
1 workbench 設置
本案例具體設置如下圖 ：
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
本案例的管道模型十分簡單，為幾段簡易管路組成 。具體的幾何模型與邊界條件如下所示：
其中上方為入口邊界條件，下方為出口邊界條件。
3 Fluent Meshing 設置
3.1 網格設置
采用 Fluent meshing 進行網格劃分，采用四面體網格劃分，并劃分相對應的邊界層網格。具體的網格劃分如下圖所示：
4 FLUENT 設置
4.1 General設置與網格導入
首先導入網格，然后勾選為瞬態計算，并選擇壓力基求解器。打開重力選項，由于本案例是以y軸負向作為重力方向，因此需要再y出設置為-9.81m/s。
展開 【仿真平臺性能測試】Fluent旋轉機械瞬態分析
本期選取了CFD領域典型的場景，基于滑移網格方法的旋轉機械流場分析，滑移網格方式進行旋轉機械計算可以獲得定轉子之間的時間精確解，精度相比穩態計算更高，計算要求也更苛刻，軟件也是采用CFD領域最常用的仿真軟件Fluent。我們來看下基于“神工坊”高性能工業仿真平臺的CFD瞬態計算，和其他仿真云平臺進行效率對比如何。
一、模型與網格
采用某品牌空調室外機作為瞬態分析的仿真模型，左側與后側的進口流域，以及前側的出口流域都考慮到計算中，并對空調內部結構簡化后進行網格劃分，最終網格單元數868萬，如下圖所示。其中，風扇葉片的旋轉速度是850rpm。
二、求解設置
根據該款旋轉機械的相關參數，經過理論計算得到該旋轉機械的最大速度為25.6m/s，折合馬赫數為0.075，為不可壓縮流動，故選擇壓力基求解器，湍流模型選用了適用于旋轉機械的k-ε Realizable模型。對于動區域計算模型，本次瞬態計算選擇了網格區域移動的滑移網格法，仿真的模擬時間為10s，相關設置如下。
三、仿真結果
迭代完成之后仿真云圖如下所示。
四、仿真平臺對比
進行Fluent旋轉機械瞬態分析時，所使用的“神工坊”高性能工業仿真平臺與其他兩家仿真云平臺的硬件參數如下表所示。
仿真云平臺
CPU型號
內存
主頻
神工坊
AMD EPYC 7742
512G
2.25GHz
仿真云平臺1
Intel Xeon(Cascade Lake) Platinum 8269
64G
2.5GHz
仿真云平臺2
Intel（R）Xeon(R) Platinum 8350C
64G
2.6GHz
計算過程中三個平臺的一些輸出日志如下。
展開 五十二、Fluent瞬態可壓縮流動
wx_fmt=png" width="100%"></p><p><br></p><p>注：庫朗數越高，收斂速度越快，同時收斂性越差。默認的庫朗數為5。在計算初始階段可設置低庫朗數，當收斂情況比較好時，再調高庫朗數。</p><p><br></p><p><strong>7.3 收斂殘差設置</strong></p><p><br></p><p><strong><em>Solution → Reports → Residuals...</em></strong></p><p>勾選Show Advanced Options， 同時Convergence Criterion下拉框選擇 none。</p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZyicPH1DZ9AZuoFRAXjM5Qicllmr79PREx391pniayd3n4mFfadYHz3mrjzJY5dZGVMyVWiaJ9rMVeUD9g/640?wx_fmt=png" width="100%"></p><p>上述設置使得Fluent不以殘差作為收斂的標準，因此需要對計算的物理量進行監測，以其來判斷是否收斂。</p><p><br></p><p><strong>7.4 監測物理量</strong></p><p><br></p><p>監測噴嘴出口的質量流量，以此來判斷收斂性。</p><p><strong><em>Solution → Reports → Definitions → New → Surface Report → Mass Flow Rate...
展開 三十二、Fluent收斂判斷標準及方法
wx_fmt=png"> </p><p><br></p><p>并不是所有的工況都會收斂。當各物理量的值基本不變時，即殘差很小時，工況才可能收斂。</p><p><br></p><p>但是對于瞬態，各物理量的值總是變化，如何收斂？正因如此瞬態才有時間步的概念，瞬態問題在每個時間步上都認為是穩態，所以瞬態問題的殘差圖總是波浪線型。</p><p><br></p><p><br></p><p><strong>2. 收斂標準</strong></p><p> </p><p><strong>2.1 殘差標準</strong></p><p><br></p><p>對所有的工況，沒有統一的判斷標準。對于大多數問題，默認的判斷標準已經足夠（For most problems, the default convergence criterion in ANSYS Fluent is sufficient. ）</p><p><strong>建議殘差達到設定值后，多算50步，確定殘差之后都是減小的趨勢。</strong></p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZyicRKfutZe5xPg3lTv8ADcu3WMbaibmnIkR3DeVcWx3Rmp2bmlIeuAPKZoH9IA2OwL80dj5U7qmjthQ/640?wx_fmt=png"> </p><p> </p><p> </p><p><strong>2.2 監測物理量</strong></p><p><br></p><p>為了使結果更加精確，可根據工況輔助檢測一些物理量，如速度，流量等。<strong>當所關心的物理量基本不變時，說明達到了收斂。
展開 ANSYS與FLUENT瞬態散熱模型對比
最近在做熱分析時，得到這樣一個ansys的算例——帶空金屬板冷卻的瞬態熱分析，使用fluent軟件進行了仿真，與ansys的結果做以對比。
問題描述如下：一長方形金屬板，板得長度為15cm，板得中央是一個半徑為1cm的圓孔。板得初始溫度為500℃，將其突然放置于溫度為20℃，表面傳熱系數為100W/(㎡*℃)的流體介質中，試計算：
1）第1s及第50s這兩個時刻金屬板內的溫度分布；
2）金屬板上4個頂點在前50s內的溫度變化（本文只取左上角點A，如圖1所示）。
該金屬板得基本材料性質如下：
密度為5000kg/m3，比熱容為200J/(kg*℃)，導熱系數為5W/(m*℃)。
圖1
對于這個問題，模型比較簡單，本文對其操作步驟不再詳述，重點在對比ansysy和fluent的仿真結果上。
圖2
圖3
從上圖中可以看出，Ansys的分析結果：1s時，A點的最大溫度為499.999℃，最小溫度為464.98℃；50s時，最大溫度為437.713℃，最小溫度為270.812℃。Fluent仿真結果：1s時，A點的最大溫度為499.99℃，最小溫度為465.37℃；50s時，最大溫度為437.4℃，最小溫度為275.72℃。從上面的兩組數據可以看出，兩種軟件的結果是吻合的，相差在1%左右。
圖4
從上圖中可以看出，ANSYS和FLUENT的結果趨勢完全吻合，最大相差4%。
針對兩款軟件對此問題的求解的結果的差別，或許是求解方式上的差別，ansys是基于有限元的求解方法，fluent是基于有限體積的求解方法。
展開 二十九、Fluent瞬態時間步長與迭代步數的討論
wx_fmt=jpeg"> </p><p><br></p><p><strong>2.瞬態設置</strong></p><p> </p><p>那么瞬態計算需要注意什么呢？</p><p>Fluent軟件瞬態計算中有三個比較重要的設置：Number of Time Steps、Time Step Size和Max Iterations/Time Step</p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZy8D64icnA9ElAziaTGJk7o8PWQnNTziadI6fJ8DY7akypm67Cqic1oia7ky7GKlOZuql7cLXiaDkC2R1ic5A/640?wx_fmt=png"> </p><p> </p><p> </p><p><strong>3.Max Iterations/Time Step</strong></p><p> </p><p>首先，計算 unsteady flow 的時候，fluent 是從前一個時間算到下一個時間的。</p><p><br></p><p>從這個意思上來就認為是“time step”，一個時間接一個時間，而每個時間就相當于一個準穩態，因此計算的時候需要 Max Iterations per Time Step，這個就像你在計算穩態時候需要設置的一樣，在達到 iteration 次數之前收斂就完成這個 time step，否則就算到所規定的次數。</p><p><br></p><p><strong>4.Number of Time Steps</strong></p><p> </p><p>對穩態，Number of iterations表示迭代次數，一個迭代次數就會將所有的網格遍歷一遍，完成一次循環。
展開 
FLUENT不收斂案例及解決方法
今天分享一個FLUENT的不收斂案例及其解決方法。計算的對象是一個新型的渦扇發動機加力燃燒室（圖1）。在這種新型加力燃燒室中，火焰穩定器被整合到整流支板上，因此整流支板和整流錐都需要冷卻。在整流支板和整流錐上開了很多小孔，冷卻氣從這些孔滲出，形成冷卻氣膜。
圖1 加力燃燒室
這個算例模擬的是實驗的工況。實驗中沒有在加力燃燒室內燃燒，而只是在“主流入口”處引入高溫氣體，在“冷卻氣入口”處引入冷卻氣，以檢驗氣膜冷卻的效能。
整流支板共有15塊，為了減小計算量，只計算其中的一塊（360°/15=24°）。主流入口和冷卻氣入口都采用“mass-flow-inlet”條件，其中主流入口的流量是0.8kg/s，總溫是1241.3K，冷卻氣入口的流量是0.024kg/s，總溫是490.3K。出口采用“pressure-outlet”條件，反壓是101325Pa（絕對壓力）。由于形狀比較復雜，特別是其中有很多小孔，所以采用非結構網格，四面體單元。流體的狀態方程采用理想氣體（ideal-gas）模型，湍流模型采用Realizable k-ε模型。采用基于壓力的求解器。
采用定常算法計算不收斂（圖2；這里我們使用FLUENT默認的收斂條件，即能量方程的殘差降低到1e-6以下，其余方程降低到1e-3以下）。考慮到可能是分離流誘發的非定常效應導致不收斂（見公眾號先前的文章“為何我這個流動總是算不收斂？我要砸電腦！”），我們嘗試使用非定常算法。但是不幸的是非定常算法仍然不能在每個時間步內收斂。非定常計算的典型殘差曲線如圖3所示。
圖2 定常計算的殘差曲線
圖3 非定常計算仍然不收斂。此圖是時間步長設為3×10-6秒時的結果。圖中顯示了5個時間步的殘差曲線。
為了弄清不收斂的原因，我們用MATLAB編寫兩個小程序。
展開 Fluent與Structure單向瞬態耦合流程的實現
FSI插件加載成功
二．使用流程
1） 首先打開CFD-POST，讀取Fluent的瞬態計算結果；
2） 在CFD-POST中，Calculators目錄下選擇MacroCalculators；
3） 在Macro中加載插件文件夾中的“FSI_Transient_Export_Surf.cse”（獲取面上數據）或“FSI_Transient_Export_Vol.cse” （獲取體數據）；
4） 選擇需要導出數據的面或體，選擇需要導出的數據類型；
5） 點擊Calculate，導出數據。數據默認保存在用戶系統的Documents文件內。（至少有3個文件：一個為網格數據，一個為時間數據，一個為物理量數據（每個物理量都會形成一個單獨文件））
網格數據
時間數據
溫度數據
6） 在Structure中添加Import Temperature或Import Pressure邊界。
7） 選擇需要需要加載的面或體，將在CFD-POST中產生的數據導入相應的選項，TimeStep Ccontrol選擇yes。
8） Import temperature右鍵Generate導入數據。
9） Structure中其他設置正常進行。開始計算。
來源：安世亞太
展開 ANSYS Fluent 內嚙合齒輪泵瞬態流場仿真
圖 1.內嚙合齒輪模型
嚙合間隙的處理方法
如圖2，由于齒輪之間的嚙合間隙極小，會給流體域網格劃分帶來很大的困難，而且一般需要采用動網格技術模擬齒輪的旋轉運動，太小的間隙也會使嚙合區域網格重構時產生嚴重的扭曲，造成計算不收斂，所以通常都會對嚙合位置進行適當的處理。
圖2. 齒輪嚙合間隙示意
目前常用的處理方法主要是分離法，即通過增加兩個齒輪之間的安裝中心距來加大齒輪嚙合區域的間隙，這種方法保留了輪齒的真實形狀，但是可能會造成齒輪與其他結構干涉等問題。另一種方法是齒面移動法，即將兩側齒面分別繞著旋轉軸向內旋轉，保證嚙合區最小間隙在0.05mm左右。
圖3.齒面移動示意圖
圖4.移動后的嚙合狀態
網格劃分方法
網格劃分對流場求解很重要，ANSYS提供了多種網格劃分工具，讓我們能夠根據模型特點、求解需求選擇最適合的工具和方法。
圖5. 網格工具和類型的選擇
ANSYS Fluent有兩種處理齒輪運動的方式：重疊網格和動網格，對網格的要求有所不同。
1）重疊網格
重疊網格的優勢在于可以使復雜幾何的網格劃分簡化；對于包含運動域的問題，可以不使用網格光順和網格重構方法，避免了可能會出現的負體積問題。
重疊網格由背景網格和部件網格組成，各網格獨立存在，在空間上相互重疊，需要通過設置重疊交界面，進行挖洞、匹配插值點等操作建立各網格之間的連接關系。
展開 大多數Fluent不收斂問題的通用解決辦法
抗生素是常見的消炎藥
如果我們將Fluent的算例比喻成正常的人體，那么出現的問題（比如計算不收斂、發散等情況）就可以看作是一種病癥，需要有針對性的進行處理。當然，對于特定的錯誤，產生問題的原因是非常多的：比如網格問題、物理模型選擇、邊界條件設定、求解設置等。每個案例情況不一樣，解決的方法也各不相同，大多數情況都需要“窄譜抗生素”來進行具體問題的具體分析。
Fluent案例的“病”，通常會表現為“計算不收斂”這一癥狀
顯然，解決這些個性化的問題，需要工程師具備有相當豐富的軟件操作能力和行業使用經驗，才能夠順利完成任務，這些并不是在短時間內能夠快速掌握的技巧。因此，本文嘗試推薦一種“廣譜抗生素”來應對Fluent案例常見的“不收斂”問題，而且經過實踐證明，這一方法對于大多數的情況還是有一定效果的。
本次局部“廣譜抗生素”的藥方就是：局部加密網格。
網格自適應技術可以高效加密局部網格
我們都知道，Fluent網格的要求通常要滿足兩個條件，一是效率、二是準確。如果所有位置的網格都非常密，那么計算效率一定很低；相反，如果所有位置的網格都很稀疏，那么求解的準確性就會收到影響。
所以，最為優質的網格就是：該密的位置密，該稀疏的位置稀疏。
那么哪些位置需要密的網格呢？兩個位置，一是精細幾何細節的位置（曲邊、狹縫等），二是有大梯度變量的位置。除此之外的區域，都要求使用粗網格，從而提高計算效率。
幾何模型中的精細特征可以方便的在網格劃分階段進行加密
根據“廣譜抗生素”的藥方，我們需要加密大梯度變量區域的網格。目前的Fluent仿真經驗告訴我們，有相當一部分的仿真計算不收斂問題，都是由于網格不夠密所導致的。
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