Flotherm高級(jí)培訓(xùn)Convergence and Troubleshooting 收斂問(wèn)題及其解決
俞丹海 Flomerics中國(guó)代表處 30min

Convergence
 收斂的定義
 終止標(biāo)準(zhǔn)
 導(dǎo)致收斂問(wèn)題的原因
 殘差曲線診斷
 改善收斂
 Solution Control設(shè)置
 Pro-Active 技術(shù)
 Flotherm 求解一組偶合非線性偏微分方程(來(lái)源于Navier-Stokes方程)
 Flotherm 采用迭代來(lái)求解方程(SIMPLE算法, Patankar and Spalding)
 求解收斂的準(zhǔn)則:
– 任何變量的殘差達(dá)到軟件默認(rèn)設(shè)置(終止標(biāo)準(zhǔn))
– 任何監(jiān)控點(diǎn)不發(fā)生波動(dòng)
 在Profile 窗口中檢查收斂問(wèn)題

收斂的定義
  在下列情況下,被認(rèn)為已收斂每個(gè)變量殘差值達(dá)到1 AND 監(jiān)控點(diǎn)走平
終止標(biāo)準(zhǔn)
  可以在PM中[Control/Variable] 菜單中查看指定不同變量的殘差終止標(biāo)準(zhǔn)
  FLOTHERM軟件默認(rèn)的終止標(biāo)準(zhǔn)值在大多數(shù)產(chǎn)品分析中,安全余量相對(duì)可靠,不需要更改.
  終止標(biāo)準(zhǔn)是基于系統(tǒng)的質(zhì)量,動(dòng)量和能量三個(gè)方面來(lái)設(shè)定的.

  質(zhì)量平衡(壓力場(chǎng)殘差)
– 終止標(biāo)準(zhǔn)= 0.005 M (kg/s)
– 強(qiáng)迫對(duì)流: M = Total Inlet or Outlet Flow Rate
– 自然對(duì)流: M = ρ.EFCV.A
ρ: Air density
EFCV: Estimated Free Convection Velocity
A: Area perpendicular to the vertical
  動(dòng)量平衡(速度場(chǎng)殘差)
– 終止標(biāo)準(zhǔn)= 0.005 MV (N)
– 強(qiáng)迫對(duì)流: V = Fan or Fixed Flow maximum velocity
– 自然對(duì)流: V = EFCV
  能量平衡(溫度場(chǎng)殘差)
– 終止標(biāo)準(zhǔn)= 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(wú)熱源或熱沉:
Q = M Cp ΔTtyp ΔTtyp = 20 °C
  這些參數(shù)設(shè)置滿(mǎn)足大多數(shù)系統(tǒng)的要求,并且是相
當(dāng)保守的收斂標(biāo)準(zhǔn)
對(duì)于某些特殊的系統(tǒng),不需要采用這么嚴(yán)格的
收斂的標(biāo)準(zhǔn).

與終止標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的收斂問(wèn)題
  例如:
– 多流體系統(tǒng)(液冷)
– 如果系統(tǒng)中主導(dǎo)的是液體,會(huì)收斂問(wèn)題發(fā)生,默認(rèn)系統(tǒng)是以空氣作為流體特性參數(shù)而設(shè)置.
– 有風(fēng)扇和導(dǎo)流板
– FLOTHERM 計(jì)算特征速度是以風(fēng)扇出口的最大流速度為參考. 由于其中某一個(gè)風(fēng)扇尺寸和導(dǎo)流板的原因,速度可能是原先值的上百倍,這樣會(huì)導(dǎo)致動(dòng)量收斂問(wèn)題.

其它收斂問(wèn)題
  產(chǎn)生收斂問(wèn)題的因素
– 建模型過(guò)程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤
– 網(wǎng)格設(shè)置精度不夠大
– 方案中的不穩(wěn)定性或不良設(shè)計(jì)
– 控制參數(shù)不適宜
  過(guò)多網(wǎng)格或者過(guò)少網(wǎng)格都是不合適的做法

Flotherm收斂問(wèn)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(hù)終止計(jì)算進(jìn)行調(diào)整模型
 檢查模型錯(cuò)誤,比如在密閉系統(tǒng)中裝有離心風(fēng)扇或進(jìn)入系統(tǒng)的熱無(wú)法向外傳遞
 在殘差大的區(qū)域檢查網(wǎng)格– 網(wǎng)格不足無(wú)法捕獲詳細(xì)信息
 檢查本身不穩(wěn)定性- 用監(jiān)控點(diǎn)來(lái)追蹤不穩(wěn)定區(qū)域
 用監(jiān)控點(diǎn)和殘差場(chǎng)來(lái)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(fù)查Sanity Check結(jié)果
– 復(fù)查建模過(guò)程
– 尋找明顯網(wǎng)格不足問(wèn)題
– 確定問(wèn)題點(diǎn)
– 采用Monitor Points
– Deactivate Objects/Assemblies用于隔離問(wèn)題點(diǎn)
– 檢查問(wèn)題點(diǎn)?
– 網(wǎng)格是否足夠描述物理現(xiàn)象?
– 是否有荒謬的類(lèi)似熱源,粗糙度,表面屬性等設(shè)置?單位是否正確?
– 切記: 如果曲線發(fā)散的很明顯,結(jié)果一定是不正確的.
對(duì)于發(fā)散問(wèn)題重新求解時(shí),一定要重新初始化

Flotherm低位穩(wěn)定和震蕩
  打開(kāi)殘差場(chǎng)存儲(chǔ)設(shè)置
– 在Project Manager 中[Solve/Overall Control]設(shè)置
  殘差存保留儲(chǔ)每個(gè)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(shí)打開(kāi)網(wǎng)格顯示來(lái)判斷問(wèn)題是否與網(wǎng)格有關(guān)聯(lián)
  如果發(fā)現(xiàn)殘差較大的位置不在所關(guān)注的范圍內(nèi),就不需要再
對(duì)模型再做修改使其收斂
如果監(jiān)控點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)
  殘差?？梢詭椭l(fā)現(xiàn)劣質(zhì)網(wǎng)格問(wèn)題

  溫度場(chǎng)殘差
– 可以使用自動(dòng)收斂設(shè)置[Solve/Overall Control]
- 如果溫度監(jiān)控點(diǎn)在30步迭代保持在0.5度范圍內(nèi)波動(dòng)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(xiàng)
– 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(jìn)高位穩(wěn)定或震蕩非收斂問(wèn)題

Flotherm求解器選項(xiàng)
  求解器選擇在[Solve/Overall]中更改
  Segregated Conjugate Residual (默認(rèn)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(wèn)題
– 對(duì)于溫度收斂問(wèn)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(dòng)量求解收斂過(guò)程中和
Segregated Conjugate Residual方法一樣
– 采用multi grid技術(shù)加快求解溫度場(chǎng)線性方程
– 可以很大的提高傳熱問(wèn)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(shè)置)
– 對(duì)于壓力項(xiàng)可以采用大(等)于100步
– 增加步數(shù)將會(huì)降低收斂速度
 線性松弛控制(在[Solve/Solver Control]中設(shè)置)
– 通常設(shè)在0.5~0.9范圍內(nèi)
– 0: 凍結(jié)求解; 1: 無(wú)阻尼
 Successive Over-relaxation (在[Control/Solver]中設(shè)置)
– 很少使用
– 非常容易導(dǎo)致不穩(wěn)定,慎用
– 建議在1.0~1.5范圍
– 用于純傳導(dǎo)問(wèn)題和高壓系統(tǒng)
 Fan松弛控制
– 在[Solve/Overall Control]中設(shè)置
– 有效值范圍是0.5~0.9
– 有助于改善工作點(diǎn)在風(fēng)扇PQ中梯度較小位置的收斂速度

False Time Step
 通過(guò)變量求解控制欄來(lái)調(diào)節(jié)[Solve/Variable Control]
 自動(dòng)設(shè)置的值是基于時(shí)間特征常數(shù),適用于大多數(shù)情況
 用戶(hù)可以針對(duì)每個(gè)變量設(shè)定不同的值variable
– 使用滑標(biāo)
– 直接輸入值
 如果False Time Step放大或縮小超過(guò)50倍容易導(dǎo)致發(fā)散
 切記要檢查監(jiān)控點(diǎn)以確認(rèn)達(dá)到收斂

 調(diào)節(jié)False Time Step類(lèi)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(wú)阻尼
– false time step 非常小值-無(wú)變化,無(wú)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(jìn)高位震蕩
– 增大False Time Step (減少阻尼) 到10-50,目的在于改進(jìn)高位穩(wěn)態(tài)收斂問(wèn)題
– 在復(fù)雜系統(tǒng)中,降低False Time Step 有時(shí)會(huì)改善高位穩(wěn)態(tài)收斂問(wèn)題

Pro-Active技術(shù)
 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(wèn)題
– 物體等級(jí)問(wèn)題
– 未附材料屬性或其他屬性
– 設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)來(lái)觀察局部參數(shù)和判斷局部非穩(wěn)定性問(wèn)題
– 網(wǎng)格檢查(aspect ratio, enough grid cells, …)

 求解過(guò)后, 如果有收斂問(wèn)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(kāi)殘差場(chǎng)存儲(chǔ)來(lái)確定最大殘差點(diǎn)位置
– 如果在低位穩(wěn)態(tài)或震蕩,主要監(jiān)控點(diǎn)參數(shù)穩(wěn)定,且大殘差不在關(guān)注區(qū)域,則不需要再采取改進(jìn)措施
– 如果殘差在關(guān)注區(qū)域,請(qǐng)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(jí)培訓(xùn)PPT.pdf

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