CFD基础

Posted by Mars . Modified at May 15, 2022

CFD基础

一些结论

1. 计算模型参数在计算前需要进行校校准，系统默认参数需要调整；
2. 计算结果需要校核（与实验值进行比较）；
3. 一般需要根据判断对原始几何模型进行一定程度的简化，一般情况下不需保留全部细节；
4. 网格质量会影响计算精度和收敛性，但网格形状不会（结构、非结构）；
5. 模型对结果的影响更大。模型的错误会影响计算结果的正确性，网格只会影响计算的精度和收敛性；
6. CFD的计算结果优劣与流体力学基础和对流动的理解有关，而非软件使用层面；

CFD包括的内容

1. 常规层流、湍流计算；
2. 传热计算；
3. 多相流；
4. 组分扩散计算；
5. 其他物理现象；

残差与收敛准则

什么是残差

残差(Residual)是计算单元各个面的通量之和。

计算收敛后，理论上当计算单元内没有源项时，各个面的物理量通量之和应该为零，也就是残差为零。

残差类型

1. 最大残差（MAX）：取网格中所有单元的最大残差，作为当前迭代步的残差；
2. 平均残差（AVR）：计算网格中所有单元残差的算术平均值，作为当前迭代步的残差；
3. 均方根残差（RMS）：计算网格中所有单元残差的算均方根，作为当前迭代步的残差（最常用）；

收敛准则

有三种收敛判断准则：

1. 【残差判据】残差降低到预设标准：单精度至少为1e-3以下；
2. 【通量守恒】进出口物理量达到平衡（差为0）；
3. 【监控参数】计算域（关注点）物理量不再随着计算迭代而变化。

只有在残差无法降低到预设标准时，才考虑使用条件2或3来判断收敛。

收敛的结果不一定是正确的，但不收敛的结果一定是错误的。

残差一直无法降低的原因判断

1. 残差在较高位震荡：
   • 边界条件设置不合理；
   • 初始值设置不合理；
   • 网格质量不佳；
   • 流场本身存在非定常（周期性）震荡；
2. MAX残差与RMS残差的比值超过了10：
   • 错误发生在流场的局部；
   • 检查MAX残差出现的位置。

计算发散原因

• 边界位置或边界条件设置错误；
• 湍流模型选择错误；
• 网格质量太差；
• 流动本身存在强烈非定常；
• 初始流场与目标流场差距太大；
• 计算步长（CFL数）太大；

Keywords: Fluid CFD