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【流体】| 流体力学中的库朗数及其在仿真中的设置

 Esniper 2018-07-31

1、库朗数

在流体力学仿真软件中,都能找到库朗数(Courant number)的解释和定义。在CFX的帮助文件里给出了一个比较直观的公式来定义一维网格的库朗数(Courant Number): 

这里: u——流体速度

Δt——时间步长

Δx——网格size

直观地说,库朗数就是在一个时间步长里一个流体质点可以穿过多少个网格。显然,时间步长越大库朗数越大。

2、库朗数的意义

courant number来调节计算的稳定性与收敛性。一般来说,随着courant number的从小到大的变化,收敛速度逐渐加快,但是稳定性逐渐降低。

在计算的过程中,最好是把courant number从小开始设置,看看迭代残差的收敛情况,如果收敛速度较慢而且比较稳定的话,可以适当的增加courant number的大小,根据自己具体的问题,找出一个比较合适的courant number,让收敛速度能够足够的快,而且能够保持它的稳定性。

另外,对于显式或者半隐式算法(SIMPLE 或者 PISO,cfd 中较常采用),计算的稳定性受库朗数(Co=u*dt/dx<>

简单来说,1.库朗数就是影响收敛快慢的物理参数,其只影响收敛的进程,不影响计算的最终结果。2.在一个残差计算中,好比一次3000米长跑,跑到终点计算结束。库朗数越大就好比运动员跨的步伐越大,库朗数越小运动员跨的步伐小,在其他条件不变的情况下,步伐小的运动员,达到终点的时间长,而步伐大的运动员到达终点的时间短。但在这期间,如果步伐跨的过大,则有肯能摔倒,则计算会失真。因此,怎样即保证时间,又保证精度的情况下,选择库朗数是有必要的(此段话来源网上)。

3、在Fluent中的应用

3.1 当选择了density-based solver密度基求解器的时候,无论选择什么物理模型,在求解控制中都能设置courant number来控制计算的稳定性。 

3.2 当选择pressure-based solver压力基求解器,压力-速度采用Coupled耦合方案时,在求解控制中出现一个Flow courant number来控制计算的稳定性。 

4、库朗数设置

在Fluent的耦合求解方法中,由于耦合隐式和显式求解器的稳定性极限不同。在显式格式中,系统设定的默认值为1.0,在某些二维问题中可以适当放大这个数,但是不要超过2.0。如果计算模型设定是正确的,并且进行了初始化,但发现计算过程中残差快速上升,则可能需要调小库朗数。

此外,由于初始流场相对粗糙,可以适当降低库朗数,如调到0.5~1.0范围,等计算相对稳定后再适当调高。

而在隐式中默认为5.0,在很多情况下可以将默认值改为10、20、100等,具体数值取决于问题的复杂程度。和显式一样,在开始时可以适当调小,等计算稳定后再调大。

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