STAR-CCM+如果计算不收敛怎么办？

05-29 1398阅读

STAR-CCM+模拟经常遇到计算发散的问题(浮点异常)？对于排错这个事儿，如果不知道从哪里开始，什么应该优先检查? 可以按照下面的流程逐项检查，每一个CFDer都应该养成良好的仿真检查习惯。

Geometry
Mesh
Initial Conditions
Boundary Conditions
Wall Y+
Physics
Solvers
Extra Post-Processing

一、几何

几何是一切的来源，不要忽视几何的准备。几何图形需要准确地表示将要模拟的东西：
- 首先要确定几何尺度正确。大部分模型都是从外部以不同的放缩比导入的，要养成良好的尺度检查习惯。
- 检查模型中是否包含老旧的几何模型，或者不希望包含的几何，或者存在不封闭的间隙；设计人员关注点不同于CFD分析人员，几何导入和格式转换总会带入误差。
- 运行表面检查，STAR-CCM+提供了一个表面质量检查工具Repair Surface，确保几何清理干净并且可以用来划分网格。
  
  在几何部件中，右键单击几何部件可以访问Repair Surface工具，该工具可用于在表面离散上运行诊断。必须处理的错误包括“pierced faces，free edges，non-manifold edges，and non-manifold vertices”，必须在开始体积网格生成之前解决。大多数时候，表面网格中的这些问题阻止了体积网格的生成，所以你甚至不能执行仿真。但也有例外，这些例外可能允许生成一个体积网格，但单元质量非常低。当然在使用自动表面修复时要非常小心，虽然它可以快速的解决几个穿孔面，但不能期望这个工具修复一切。
  - 确保各部件之间的接触都已妥善处理，至少在各个部分之间没有被穿透的面（没有出现相互交叉的部分）、自由边。
    
    二、网格
    
    STAR-CCM+非常强大，可以生成非常好的网格质量，即使是复杂的几何图形。但是网格的质量总是需要检查的，因为网格规格有时可能不符合复杂的几何要求。例如，有1e-3m的小间隙，但指定的最小表面尺寸为1m。虽然STAR-CCM+可以生成一个网格，但在这种情况下，可能会出现一些质量较差的网格。
    
    对于表面检查，STAR-CCM+也提供了一个体网格检查工具：STAR-CCM+ Menu > Mesh > Diagnostics，下面提供了一个STAR-CCM+输出的报告网格质量的主要标准，如：
    - Face validity：推荐大于0.9，允许少部分网格值位于0.8~0.9之间，但大部分网格位于0.8以下是不合理的。
    - Volume change：推荐大于1e-3，允许少部分网格值位于1e-3~1e-4之间，但大部分网格位于1e-4以下是不合理的。
      
      使用阈值衍生体，以体积变化和表面有效性作为场函数，有助于对质量差的细胞进行定位和可视化。一旦定位，您有3个选择：
      - 在要计算的领域提高网格规格，以提高网格质量。大多数的网格质量问题来自于表面网格规格，所以首先聚焦在表面网格上。
      - 网格质量校正：一种物理模型，它对质量差的网格及其相邻网格的梯度应用一种特殊的处理，可以从物理连续体中选择。
      - 移除无效单元：从区域中去除质量差的单元；他们的边界将被对称的边界所取代，以减少他们的去除对结果的影响。要使用此功能，右键单击感兴趣的区域并选择“删除无效单元格”。
        
        通过参数设置修改网格是最为推荐的方式；如果实在是缺乏资源（时间，硬件资源），可以考虑使用“单元质量校正”这个物理模型，但是如果差单元太多时使用这个模型会对结果产生影响；最后如果模型非常复杂，差单元的数量比较少，可以考虑采用”移除无效网格“的手段。
        
        三、初始条件
        
        在稳态模拟中，初始条件应该尽可能地与模拟的预期结果一致。
        
        在非定常模拟中，初始条件必须是模拟的精确初始条件。
        
        与边界(例如，压力边界为100 atm，初始条件为1 atm)相比，初始条件严重错误或产生极高初始梯度的问题，通常在运行的早期就表现出来。
        
        对于稳态模拟，推荐使用专家级初始化：
        
        对于分离流，可以激活：
        
        STAR-CCM+>求解>分离流>专家特性>连续初始化。
        
        STAR-CCM+>求解> K-Epsilon湍流>专家特性>边界层初始化。
        
        对于耦合流，可以激活：
        
        STAR-CCM+>求解>耦合>隐式>专家初始化>方法属性>网格排序。
        
        STAR-CCM+>求解> K-Epsilon湍流>专家特性>边界层初始化。
        
        四、边界条件
        
        首先，可以使用初始化求解来可视化计算场景，例如检查边界的位置是否正确，流向和初始流的大小等等。工具栏中的绿色标志按钮为初始化求解功能。
        
        第二，确保入口和出口离目标区域足够远。理想情况下，流域的入口和出口应该位于没有任何不规则模型的地方。例如，对于内部流动，建议在入口和出口使用大于8倍水力直径的拉伸网格，目标是确保在出口没有回流，入口有完全发展的湍流。
        
        第三，确保使用兼容的边界条件，并为选择物理连续体最适合的边界条件。例如，可压缩流体不要使用速度入口。
        
        最后，作为最后的手段，可以使用斜坡函数逐步地增加或减少边界值。
        
        五、壁面Y+和棱柱层网格
        
        Wall Y+可用于指导棱柱层网格规格，以确保准确捕捉近壁现象。不好的Wall Y+会导致计算错误的，甚至发散，所以网格健壮性和准确性的目标是使Wall Y+得到合适的值，Wall Y+是基于密度，粘度，速度和特征距离而生成的。
        
        为了得到合适的值，需要关注影响Wall Y+的变量是什么。密度和粘度是材料的特性，速度是模拟的输出（是试图预测的量）；所以剩下的唯一变量是特征距离。在STAR-CCM+中，用于计算Wall Y+的特征距离为从壁面到近壁单元质心在法向上的距离。换句话说，它是第一棱柱层厚度的一半。这意味着变量是棱柱层的网格，更具体地说是近壁层的厚度。
        
        密度和粘度通常是恒定的或者只是略有变化。这基本上意味着大部分的Wall Y+灵敏度来自流速和第一棱柱层厚度变化。
        
        当使用高Y+方法(Wall Y+ > 30)时，意味着在靠近固体壁面的首层网格中，将采用对数律（Log-law）来模拟粘性底层内的速度剖面。
        
        当使用低Y+方法(Wall Y+ 0.6)
        
        相反，另一个好问题是：有没有一种更简单的方法/模型可以让我使用更少的资源或更健壮地满足我的需求？例如：所有壁面都使用低Y+方法是否是必要的，部分使用高Y+方法可能节省计算资源。最好的仿真模型是在计算资源和精度之间做出合理妥协。
        
        七、求解器
        
        如果检查了上述所有步骤，仍然面临发散问题，那么可以开始使用求解器属性。必要时可检查和减少松弛因子或Courant数。还可以从较低的值开始，然后随着模拟收敛而平稳地增加这些值，从而使求解变得更加健壮。
        
        八、引入额外的后处理
        
        在求解器属性面板中，某些情况下打开 Temporary Storage Retained 选项，在启用选项的情况下运行至少一个迭代步，将能够访问额外引入的场函数，这些场函数可用于解决问题。例如，局部残差、梯度、校正信息等等，这些可以被后期处理和可视化，以检查模型上极高梯度的区域，例如残差。