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)
– 任何監控點不發生波動
 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產品分析中,安全余量相對可靠,不需要更改.
  終止標準是基于系統的質量,動量和能量三個方面來設定的.

  質量平衡(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)
– 如果在系統中有熱源或熱沉:
Q = Total Heat Sources or Sinks
– 如果系統中無熱源或熱沉:
Q = M Cp ΔTtyp ΔTtyp = 20 °C
  這些參數設置滿足大多數系統的要求,并且是相
當保守的收斂標準
對于某些特殊的系統,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(液冷)
– 如果系統中主導的是液體,會收斂問題發生,默認系統是以空氣作為流體特性參數而設置.
– 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
  產生收斂問題的因素
– 建模型過程中產生的錯誤
– 網格設置精度不夠大
– 方案中的不穩定性或不良設計
– 控制參數不適宜
  過多網格或者過少網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
發散
高位震蕩
低位震蕩
高位穩定
低位穩定

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整模型
 檢查模型錯誤,比如在密閉系統中裝有離心風扇或進入系統的熱無法向外傳遞
 在殘差大的區域檢查網格– 網格不足無法捕獲詳細信息
 檢查本身不穩定性- 用監控點來追蹤不穩定區域
 用監控點和殘差場來分析低位震蕩或低位穩定- 通常不需要再做修改

收斂曲線發散
– 第一步檢查
– 復查Sanity Check結果
– 復查建模過程
– 尋找明顯網格不足問題
– 確定問題點
– 采用Monitor Points
– Deactivate Objects/Assemblies用于隔離問題點
– 檢查問題點?
– 網格是否足夠描述物理現象?
– 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: 如果曲線發散的很明顯,結果一定是不正確的.
對于發散問題重新求解時,一定要重新初始化

Flotherm低位穩定和震蕩
  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
– 可以在FLOMOTION 中檢查確定最大和最小值的位置
– 同時打開網格顯示來判斷問題是否與網格有關聯
  如果發現殘差較大的位置不在所關注的范圍內,就不需要再
對模型再做修改使其收斂
如果監控點已經達到穩態
  殘差常可以幫助發現劣質網格問題

  溫度場殘差
– 可以使用自動收斂設置[Solve/Overall Control]
- 如果溫度監控點在30步迭代保持在0.5度范圍內波動和
- 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)
  調整False Time Step
– 松弛因子
– 改進高位穩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)
– 可以適用大多數分析狀況
– 采用分離壓力區域改善收斂問題
– 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
– 0: 凍結求解; 1: 無阻尼
 Successive Over-relaxation (在[Control/Solver]中設置)
– 很少使用
– 非常容易導致不穩定,慎用
– 建議在1.0~1.5范圍
– 用于純傳導問題和高壓系統
 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節[Solve/Variable Control]
 自動設置的值是基于時間特征常數,適用于大多數情況
 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倍容易導致發散
 切記要檢查監控點以確認達到收斂

 調節False Time Step類似于調節阻尼
– 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態收斂問題
– 在復雜系統中,降低False Time Step 有時會改善高位穩態收斂問題

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
– 設置監控點來觀察局部參數和判斷局部非穩定性問題
– 網格檢查(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的質量流
– 使用Regions獲取系統空氣流量
– 打開殘差場存儲來確定最大殘差點位置
– 如果在低位穩態或震蕩,主要監控點參數穩定,且大殘差不在關注區域,則不需要再采取改進措施
– 如果殘差在關注區域,請檢查網格
– 如果在高位穩態或震蕩, Solution control 參數需要做調整(Relaxation)

Flotherm資料下載: FLOTHERM軟件高級培訓PPT.pdf

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