fluent求解器基于密度和基于压力介绍.doc

Pressure-Based Solver是基于压力法的求解器，使用的是压力修正算法，求解的控制方程是标量形式的，擅长求解不可压缩流动，对于可压流动也可以求解；Fluent 6.3以前的版本求解器，只有Segregated Solver和Coupled Solver，其实也就是Pressure-Based Solver的两种处理方法；Density-Based Solver应该是Fluent 6.3新发展出来的，它是基于密度法的求解器，求解的控制方程是矢量形式的，主要离散格式有Roe，AUSM+，该方法的初衷是让Fluent具有比较好的求解可压缩流动能力，但目前格式没有添加任何限制器，因此还不太完善；它只有Coupled的算法；对于低速问题，他们是使用Preconditioning方法来处理，使之也能够计算低速问题。Preconditioning方法应该是以压力、速度、晗值为原始变量，以时间推进方法(TMM)为基础，能够将可压和不可压流场计算方法统一起来。Segregated方法是基于压力，而coupled求解是基于密度的。这样就使得segregated求解低速流动较好，而coupled求解音速/超音速问题较好。不推荐使用coupled求解马赫数低于4的流动。但是速度越高，需要的网格就越多（因为 segregated趋向于“平滑”波动），所以必须多加注意划分网格。

分离式求解器(Segregated Solver)以前主要用于不可压缩流动和微可压流动，而耦合式求解器用于高速可压流动。现在，两种求解器都适用于从不可压到高速可压的很大范围的流动，但总的来讲，当计算高速可压流动时，耦合式求解器比分离式求解器更有优势。
分离式求解器是顺序的、逐一的求解各方程（关于u,v,w,p和T的方程），也就是先在全部网格上解出一个方程（如u动力方程）后，再解另外一个方程（如v动量方程）。由于控制方程是非线性的，且相互之间是耦合的，因此，在得到收敛街之前，要经过多轮迭代。
耦合式求解器(Coupled Sover）是同时求解连续方程、动量方程能量方程及组分输运方程的耦合方程组，然后逐一地求解湍流标量方程。由于控制方程是非线性的，且相互之间是耦合的，因此，在得到收敛解之前，要经过多轮迭代:
1)根据当前的解的结果，更新所有流动变量。如果计算刚刚开始，则用初始值来更新。
2）同时求解连续方程、动量方程、能量方程及组分输运方程的耦合方程组（后两个方程视需要进行求解）
3）根据需要，逐一地求解湍流、辐射等标量方程。注意在求解之前，方程中用到的有关变量要用到前面得到的结果更新。
4）对于包含离散相的模拟，当内部存在相间耦合时，根据离散相的轨迹计算结果更新连续相的源项。
5）检查方程组是否收敛，若不收敛，回到第1）步，重新计算。

Fluent默认使用分离式求解器，但是，对于高速可压流动，由强体积力(如浮力或者旋转力)导致的强耦合流动，或者在非常精细的网格上求解的流动，需要考虑耦合式求解器。耦合式求解器耦合了流动和能量方程，常常很快便可以收敛。耦合式求解器所需要的内存约是分离式求解器的1.5到2倍，选择时可以根据这一情况来权衡利弊。在需要耦合隐式的时候，如果计算机内存不够，就可以采用分离式或耦合显式。耦合显式虽然也耦合了流动和能量方程，但是它还是比耦合隐式需要的内存少，当然它的收敛性也相应差一些。

需要注意的是，在分离式求解器中提供的几个物理模型，在耦合式求解器中是没有的。这些物理模型包括：流体体积模型(VOF)，多项混合模型，欧拉混合模型，PDF燃烧模型，预混合燃烧模型，部分预混合燃烧模型，烟灰和NOx模型，Rosseland辐射模型，熔化和凝固等相变模型，指定质量流量的周期流动模型，周期性热传导模型和壳传导模型等。

而下列物理模型只在耦合式求解器中有效，在分离式求解器中无效：理想气体模型，用户定义的理想气体模型，NIST理想气体模型，非反射边界条件和用于层流火焰的化学模型。
Segregated方法是基于压力，而coupled求解是基于密度的。这样就使得segregated求解低速流动较好，而coupled求解音速/超音速问题较好。不推荐使用coupled求解马赫数低于4的流动。但是速度越高，需要的网格就越多（因为 segregated趋向于“平滑”波动），所以必须多加注意划分网格。
分离式求解器(Segregated Solver)以前主要用于不可压缩流动和微可压流动，而耦合式求解器用于高速可压流动。现在，两种求解器都适用于从不可压到高速可压的很大范围的流动。然而在一些特殊的问题中，某些求解器相对于其它类型可能具有更好的表现（求解更快速或在某些领域具有更好的性能）。总的来讲，当计算高速可压流动时，耦合式求解器比分离式求解器更有优势。
在早期压力基求解器主要用于不可压缩及轻微可压流动，密度基求解器则相反，起初是设计用于高速可压缩流动。目前两种求解器均可求解很大范围内的流动（从不可压缩到高可压缩），然而对于高速可压缩流动情况，由于密度基求解器由于起初设计目的，因此具有比压力基求解器更精确的优势（对于激波求解）。

1、密度基求解器
密度基求解器(Coupled Sover）是同时求解连续方程、动量方程、能量方程及组分输运方程的耦合方程组，然后逐一地求解湍流标量方程。由于控制方程是非线性的，且相互之间是耦合的，因此，在得到收敛解之前，要经过多轮迭代:
1)根据当前的解的结果，更新所有流动变量。如果计算刚刚开始，则用初始值来更新。
2)同时求解连续方程、动量方程、能量方程及组分输运方程的耦合方程组（后两个方程视需要进行求解）
3)根据需要，逐一地求解湍流、辐射等标量方程。注意在求解之前，方程中用到的有关变量要用到前面得到的结果更新。
4)对于包含离散相的模拟，当内部存在相间耦合时，根据离散相的轨迹计算结果更新连续相的源项。
5)检查方程组是否收敛，若不收敛，回到第1）步，重新计算。

密度基求解器有两种格式：隐式和显式。密度基显式与隐式求解器依次求解额外的标量方程（如湍流和辐射等）。两种格式求解器的主要不同点在于对于耦合方程的线性化上。由于隐式格式具有很好的稳定性，因此使用隐式求解器能够比显式格式更快的获得收敛的稳定解。然而，隐式格式要比显式格式消耗更多的内存。具体情况可以查看Fluent理论手册。

对于高速可压流动，由强体积力(如浮力或者旋转力)导致的强耦合流动，或者在非常精细的网格上求解的流动，需要考虑密度基求解器。密度基求解器耦合了流动和能量方程，常常很快便可以收敛。密度基求解器所需要的内存约是压力基求解器的1.5到2倍，选择时可以根据这一情况来权衡利弊。在需要耦合隐式的时候，如果计算机内存不够，就可以采用压力基或密度基显式。密度基显式虽然也耦合了流动和能量方程，但是它还是比密度基隐式需要的内存少，当然它的收敛性也相应差一些。
2、压力基求解器
在压力基求解器中，控制方程是依次求解的。压力基求解器是从原来的分离式求解器发展来的，按顺序仪次求解动量方程、压力修正方程、能量方程和组分方程及其他标量方程，如湍流方程等，和之前不同的是，压力基求解器还增加了耦合算法，可以自由在分离求解和耦合求解之间转换，
需要注意的是，在压力基求解器中提供的几个物理模型，在密度基求解器中是没有的。这些物理模型包括：流体体积模型(VOF)，多项混合模型，欧拉混合模型，PDF燃烧模型，预混合燃烧模型，部分预混合燃烧模型，烟灰和NOx模型，Rosseland辐射模型，熔化和凝固等相变模型，指定质量流量的周期流动模型，周期性热传导模型和壳传导模型等。
3、总结
区别1：压力基求解器主要用于低速不可压缩流动的求解，而密度基方法则主要针对高速可压缩流动而设计，但是现在两种方法都已经拓展成为可以求解很大流动速度范围的求解方法。两种求解方法的共同点是都使用有限容积的离散方法，但线性化和求解离散方程的方法不同。
区别2：密度基求解器从原来的耦合求解器发展来的，同时求解连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程。然后依次再求解标量方程。（注：密度基求解器不求解压力修正方程，因为其压力是由状态方程得出的）。密度基求解器收敛速度快，需要内存和计算量比压力基求解器要大！

适用于压力基却不适用于密度基的模型：
（1） 空化模型
（2） VOF模型
（3） Mixture多相流模型
（4） Eulerian多相流模型
（5） 非预混燃烧模型
（6） 预混燃烧模型
（7） 部分预混燃烧模型
（8） 组合PDF传输模型
（9） Soot模型
（10） Rosseland辐射模型
（11） 融化/凝固模型
（12） 壳传导模型
（13） 浮动操作压强
（14） 固定变量选项
（15） 多孔介质的物理速度格式
（16） 周期流动的指定质量流动

密度基可用却无法用于压力基的模型：

（1） 理想气体模型（User-defined和NIST）
（2） 无反射边界条件
（3） 湿蒸气多相流模型

1、压力基 vs. 密度基
两种求解器都能求解很大范围的流动问题，然而在一些特殊的问题中，某些求解器相对于其它类型可能具有更好的表现（求解更快速或在某些领域具有更好的性能）。压力基求解器与密度基求解器的不同主要表现在连续方程、动量方程、能量方程及组分方程的求解上。
在早期压力基求解器主要用于不可压缩及轻微可压流动，密度基求解器则相反，起初是设计用于高速可压缩流动。目前两种求解器均可求解很大范围内的流动（从不可压缩到高可压缩），然而对于高速可压缩流动情况，由于密度基求解器由于起初设计目的，因此具有比压力基求解器更精确的优势（对于激波求解）。
密度基求解器有两种格式：隐式和显式。密度基显式与隐式求解器依次求解额外的标量方程（如湍流和辐射等）。两种格式求解器的主要不同点在于对于耦合方程的线性化上。
由于隐式格式具有很好的稳定性，因此使用隐式求解器能够比显式格式更快的获得收敛的稳定解。然而，隐式格式要比显式格式消耗更多的内存。
压力基求解器同样具有两种类型：分离求解器和耦合求解器。在分离求解器中，控制方程是依次求解的，而耦合求解器则将动量方程与压力基连续方程耦合求解。通常来说，耦合算法收敛速度要好于分离算法，然而对内存的需求要大于分离算法。
2、局限及限制
适用于压力基却不适用于密度基的模型
（1）       空化模型
（2）       VOF模型
（3）       Mixture多相流模型
（4）       Eulerian多相流模型
（5）       非预混燃烧模型
（6）       预混燃烧模型
（7）       部分预混燃烧模型
（8）       组合PDF传输模型
（9）       Soot模型
（10）   Rosseland辐射模型
（11）   融化/凝固模型
（12）   壳传导模型
（13）   浮动操作压强
（14）   固定变量选项
（15）   多孔介质的物理速度格式
（16）   周期流动的指定质量流动
密度基可用却无法用于压力基的模型：
（1）       理想气体模型（User-defined和NIST）
（2）       无反射边界条件
（3）       湿蒸气多相流模型

FLUENT求解器介绍
作者:问渠得水   2010-10-30 19:39 星期六 晴
Segregated Solver
该算法源于经典的SIMPLE算法。其适用范围为不可压缩流动和中等可压缩流动。这种算法不对Navier-Stokes方程联立求解，而是对动量方程进行压力修正。该算法是一种很成熟的算法，在应用上经过了很广泛的验证。这种方法拥有多种燃烧、化学反应及辐射、多相流模型与其配合，适用于汽车领域的CFD模拟。

Coupled Explicit Solver
这种算法由Fluent公司与NASA联合开发，主要用来求解可压缩流动。该方法与SIMPLE算法不同，而是对整个Navier-Stokes方程组进行联立求解，空间离散采用通量差分分裂格式，时间离散采用多步Runge-Kutta格式，并采用了多重网格加速收敛技术。对于稳态计算，还采用了当地时间步长和隐式残差光顺技术。该算法稳定性好，内存占用小，应用极为广泛。

Coupled Implicit Solver
该算法是其它所有商用CFD软件都不具备的。该算法也对Navier-Stokes方程组进行联立求解，由于采用隐式格式，因而计算精度与收敛性要优于Coupled Explicit方法，但却占用较多的内存。该算法另一个突出的优点是可以求解全速度范围，即求解范围从低速流动到高速流动。

FLUENT求解方法的选择
①非耦合求解；②耦合隐式求解；③耦合显式求解，
非耦合求解方法主要用于不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动。耦合求解方法则可以用在高速可压缩流动。FLUENT默认设置是非耦合求解，但对于高速可压流动，或需要考虑体积力(浮力或离心力)的流动，求解问题时网格要比较密，建议采用耦合隐式求解方法求解能量和动量方程，可较快地得到收敛解。缺点是需要的内存比较大(是非耦合求解迭代时间的1.5-2.0倍)。如果必须要耦合求解，但机器内存不够时，可以考虑用耦合显式解法器求解问题。该解法器也耦合了动量，能量及组分方程，但内存却比隐式求解方法小。缺点是收敛时间比较长。

在fluent6.3里，改用了pressure based和density based这两个求解器，这两个和Segregated Solver ，Coupled Solver有什么区别吗？
Segregated方法是基于压力，而coupled求解是基于密度的。这样就使得segregated求解低速流动较好而coupled求解音速/超音速问题较好。