Fluent收敛判断标准及方法

1.Fluent迭代计算流程

在讲述收敛之前，我们先了解一下Fluent是如何进行迭代求解的。
在建模划分网格后，通过一系列设置，单击Calculation，Fluent开始计算，其流程如下：

根据初始化值，假设流场物理量初值为Q0
在初值基础上，根据守恒方程，对流场进行计算，得出新的流场物理量值Q1
比较Q0与Q1的值，|Q1-Q0|称为绝对误差，|Q1-Q0|/Q1为相对误差。
若误差小于设定值P，则达到收敛；否则，未达到收敛，取新的迭代值Q2进行计算，重复以上步骤。

对于瞬态，各物理量的值总是变化，如何收敛？正因如此瞬态才有时间步的概念，瞬态问题在每个时间步上都认为是稳态，所以瞬态问题的残差图总是波浪线型。
2.收敛标准

2.1 残差标准

对于大多数问题，默认的判断标准已经足够，建议残差达到设定值后，多算50步，确定残差之后都是减小的趋势。
2.2 监测物理量

为了使结果更加精确，可根据工况辅助检测一些物理量，如速度，流量等。当所关心的物理量基本不变时，说明达到了收敛。某些情况下即使残差没有达到设定值，只要所检测的物理量很稳定，也可以认为收敛

2.3 通量守恒

除了上述两种情况，还可以通过Flux守恒来判断。当计算完成后，通过查看Flux是否守恒来判断是否收敛。
Results-Reports-Fluxes

通常情况，在没有质量源项和能量源项的情况下，进出口Mass Flow Rate的Net Results应该很小，接近0；各壁面的Total Heat Transfer Rate也应该接近0。
3. 收敛方法

3.1 提高网格质量

最重要的一点，提高网格质量。对于简单的模型，能用结构化网格尽量结构化。
对于物理量变化比较剧烈的部分要进行网格加密，如边界层。（可使用自适应网格自动捕捉梯度较大的网格）
3.2 适当减小松弛因子

所谓松弛因子简单理解就是一个比例系数。前面的计算流程我们说过下一步迭代需要取新的迭代值Q2，Q2如何取？
Q2=Q1+B*DETA，其中Q1为上一步值，B为松弛因子，DETA为变化量。
显然松弛因子越小，越容易收敛。但是收敛速度也越慢。一般如果某个物理量残差曲线比较高，相应的减小这个物理量的松弛因子即可。
比如速度收敛性不好，可将动量Momentum的松弛因子减小。

3.3 先稳态计算收敛后再瞬态

对于瞬态问题，可先稳态计算收敛后再瞬态。

比如降膜蒸发问题，可先稳态计算流动，流动稳定后再打开瞬态加入蒸发，可迅速达到收敛。
但是一些情况不能使用，比如考虑某瞬态时间下的工况。
3.4计算部分方程

不计算所有的方程，比如一共四个方程流动Flow、湍流Turbulence、能量Energy和UDS。由于UDS不容易收敛，可以先计算另外三个方程，待收敛后再打开UDS方程进行计算，可比较快速的收敛。

3.5 其他方法

收敛问题主要还是考经验，对于边界条件的设置，求解器的设置等都会影响收敛，而且影响很大，但是这些都是和具体的问题有关。不同的求解器适用于不同的工况，以后我们会详细说明。
初始化的值也能显著影响计算的收敛速度。如果初始化值就是准确值，那都不需要计算就收敛了。但是我们没办法给出准确的值，只能给出符合实际问题的物理量。
4、用FLUENT计算不收敛怎么办？

确保网格质量符合CFD软件的要求，网格密度足够，不要太稀；
确保边界条件合理，物理模型适用当前的问题；
确保网格尺度正确，可以到FLUENT-General-Scale中查看；
所有的对流项用一阶迎风格式离散，计算稳定后可以逐渐改为二阶、三阶格式，以提高精度；
对稳态问题，减小松弛因子或Courant number，如果用压力基耦合求解器的伪瞬态方法求解，还可以减小时间步因子，计算稳定后可以逐渐调大；对瞬态问题，除了以上方法减小时间步长，通常效果显著
对于同时求解多个方程的复杂问题，多个物理模型不要次打开、同时计算，考虑逐个打开模型，或者先计算少量方程，再逐渐增加，操作在SolutionControls-Equations
对于某一特定的问题，需要从多个方面调试，找到适用的求解参数，既能使计算收敛，又不至于计算太慢。

5、Continuity不收敛的处理

提高网格质量。相邻网格尺寸比例控制好。
关键部位网格需要加密。例如物理量变化剧烈地方。或者狭窄流域的网格至少要有3-4层网格以上，不能只有一层网格。
尝试不同的离散格式和压力速度耦合方法。
选择适当的边界条件，可以参考Fluent帮助文档查看边界条件的应用范围。
降低松弛因子。例如将所有松弛因子在默认值基础上乘以0.8或者0.3尝试下。
如果上面方法都不行，可以监测流场某个变量来判断收敛。例如模拟圆管内的流动，速度入口，出口outflow，但是continuity老是降不下去，维持在1e-00和1e-03之间。可以查看了流量是否平衡来判断是否已经收敛。在report->flux里面操作，mass flow rate，把所有进出口都选上，compute一下，看看nut flux是什么水平，如果它的值小于总进口流量的1%，并且其他检测量在继续迭代之后不会发生波动，也可以认为计算已经收敛。