Fluent残差

FLUENT中的残差

残差是cell的各个face的通量之和，当收敛后，理论上物理量的输运之和应该为零。

求解器必须执行足够的迭代次数才能实现收敛的求解结果。

在收敛时，应满足以下条件（三个判别标准）:

（1）所有的离散守恒方程(动量、能量等)在所有cell中都达到指定的残差;

（2）整体达到质量、动量、能量和标量平衡;

（3）目标量（关键变量）达到常数值即观察点处的值不再随计算步骤的增加而变化。

下面我们就介绍一下在Fluent中这三个判别标准分别是如何设置及其中的一些注意事项。

（1）残差曲线监测

使用残差历史曲线来监测收敛。一般地，残差至少下降三个量级表示达到定性的收敛，流场的主要特征已经形成；压力基求解器的能量残差应下降到10-6组分残差应下降到10-5以达到组分平衡。

具体设置如下：

残差图显示何时达到指定收敛标准。可以修改或禁用默认的收敛检查标准。防止计算过早停止。

（2）监测定量的收敛

确保全局的质量、能量、组分守恒

检查全局热和质量平衡，即：净通量差值（NetResults）应该小于通过边界最小通量的1% 

具体设置如下：

（3）监测关键的物理量

Report Definitions 用于监测关键物理量。强烈建议对仿真使用一个或多个report definitions

具体操作如下：

灵活的检测目标量的方法：

Expression,Surface, Volume, Force, Flux, DPM and User-Defined reports

在边界或任何已定义surface 上的相关变量或函数(如面积分)

选择Writeto file, plot in graphics window, print to console

这些额外监测量是重要的收敛指标。强烈建议在所有计算中使用一种或多种这种类型的solution监视器。

经验

特别要指出的是，即使前两个判据都已经满足了，也并不表示已经得到合理的收敛解了，因为，如果松弛因子设置得太紧（即采用较小的松弛因子），各参数在每步计算的变化都不是太大，也会使前两个判据得到满足。此时就要再看第三个判据了。

一般我们都希望在收敛的情况下，残差越小越好，但是残差曲线是全场求平均的结果，有时其大小并不一定代表计算结果的好坏，有时即使计算的残差很大，但结果也许是好的，关键是要看计算结果是否符合物理事实，即残差的大小与模拟的物理现象本身的复杂性有关，必须从实际物理现象上看计算结果。比如说本斑最近在算的一个全机模型,在大攻角情况下,解震荡得非常厉害，而且残差的量级也总下不去,但这仍然是正确的,为什么呢,因为大攻角下实际流动情形就是这样的,不断有涡的周期性脱落,流场本身就是非定常的,所以解也是波动的,处理的时候取平均就可以了。有时候我们会认为只要所有的残差达到1e-3或者1e-4就是达到收敛了。其实这个1e-3或者1e-4的收敛标准是相对而言的。在FLUENT中残差是以开始5步的平均值为基准进行比较的。如果你的初值取得好，你的迭代会很快收敛，但是你的残差却依然很高；但是当你改变初场到比较不同的值时，你的残差开始会很大，但随后却可以很快降低到很低的水平，让你看起来心情很好。其实两种情况下流场是基本相同的。

由此来看，判断是否收敛并不是严格根据残差的走向而定的。可以选定流场中具有特征意义的点，监测其速度，压力，温度等的变化情况。如果变化很小，符合你的要求，即可认为是收敛了。一般来说，压力的收敛相对比较慢一些的。

因此是否收敛不能简单看残差图，还有许多其他的重要标准，比如进出口流量差、压力系数波动等等。尽管残差仍然维持在较高数值，但凭其他监测也可判断是否收敛。最重要的就是是否符合物理事实或试验结论。

残差曲线是否满足只是一个表面的现象，还要看进口和出口总量差不得大于1%,而且即使这样子,收敛解也不一定准确,它和网格划分/离散化误差,以及物理模型的准确性都有关系.所以得有试验数据做对比或者理论分析了。

当然最终是否正确是要看是否与实验数据相符合！但既然有残差图的话，总应该可以大概的看出是否收敛吧？是否要残差要小到一定的程度，或者是残差不在增长，就可以一定程度上认为是收敛的。

残差的大小不能决定是否收敛，我在用FLUENT计算时，多采用监测一个面的速度（或者是压力、紊动能等参数）基本上不随着计算时间的推移而变化，就认为基本达到收敛。

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发散问题的处理

对于一些病态问题，质量差的网格或不合适的求解设置，都可能出现数值不稳定性。表现为残差曲线上扬（发散）或不下降–发散意味守恒方程的不平衡增加。没收敛的结果会误导使用者!

解决方法:

确保问题是物理合理的

用一阶离散格式计算一个初场

对压力基求解器，减小发散方程的松弛因子

对密度基求解器，减小Courant数

重新生成网格或加密质量差的网格，网格自适应不能提高扭曲度大的网格质量。