Fluent初始化原理及操作方法解读

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1.为什么要初始化？

在回答这个问题之前，需要了解一下FLUET的求解原理。如图给出了Fluent求解器设置面板，软件提供了压力基和密度基两种求解器。

图 Fluent通用设置面板

这里以压力基进行简要讲解，如图给出了压力基求解流程图。SIMPLE算法为Fluent常用算法，全名为压力耦合方程组的半隐式方法（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations）。

图压力基求解流程图

SIMPLE算法中，假定速度场和压力场各自独立，两者无任何联系。对假定压力场的修正是通过已求解的速度场的质量守恒条件得到。中间速度通过求解当前压力得到，如果求解速度不能满足质量守恒条件，对压力添加一个修正量修正，速度场也随之得以修正。在做速度修正时，忽略不同位置的速度修正量之间的影响。

SIMPLE算法的实质是一种压力修正算法，通过“先猜想后修正”的方法得到压力场，并求解离散化的动量方程（N-S方程）。其基本思路如下：

❖假定初始速度分布

❖假定压力场

❖根据速度场与压力场计算动量离散方程的系数、常数项

❖解出动量离散方程

❖求得压力修正方程

❖对压力和速度进行修正

❖根据情况求解其他离散化方程

❖判断是否收敛，不收敛的话则继续下一次迭代

从以上思路可以看出，CFD流场仿真的基础是需要假定初始速度分布和压力分布，即需要对流场进行初始化。

注意：虽然初始化不会影响最终的结果，但是会影响收敛效果。如果在计算开始时使用更好的初始解，则可以加速流动的收敛。

2.常用的初始化方法

2.1 Standard initialization（标准初始化）

标准初始化是通过指定Initial Values列表中的各参数的值来实现整个计算域初始化。给定流场中的是一个平均值，每个网格上的值都是一样的。在进行参数设置过程中，可以通过Compute from下方的下拉框辅助设置。常用的compute from选择为all-zones。

2.2 Hybrid initialization （混合初始化）

混合初始化是通过收集用户指定的边界条件，然后求解拉普拉斯方程来确定计算区域中速度场和压强场。所有其他变量，如温度、湍流度、物种分数、体积分数等，将根据域平均值或特定的插值配方自动赋值给各个单元。

绝大多数情况下，我们不需要点击more settings进行设置，而是直接点击initialize进行初始化就好了。但是有时候点击了初始化之后迭代没有达到默认的收敛标准也就是没有达到1e-6，或者初始化的流场不是我们想要的流场，这时候就需要点击more settings进行设置了。

如上图所示，点击之后有三个选项，通用设置、湍流设置和组分设置。

第一个通用设置下面有：

1. Number of iterations ,默认数值是10.这个代表了求解拉普拉斯方程时迭代10次。通常情况下这个数值不需要修改，如果初始化之后迭代没有达到默认的收敛标准也就是没有达到1e-6，或者初始化的流场不是我们想要的流场，可以适当增加迭代步数。

2. Explicit under-relaxation factor ，默认值为1. 这是进行求解拉普拉斯方程迭代时候的松弛因子，默认为1也就是不松弛。同样的，通常情况下这个数值不需要修改，如果初始化之后迭代没有达到默认的收敛标准也就是没有达到1e-6，可以适当减小此数值。

3. Reference frame ，默认设置为 relative to cell zone。在求解MRF模型或者滑移网格的时候，可以根据实际情况进行选择是绝对值还是相对值。如果计算域内没有区域的运动，那么这两个选项时一样的，如果计算内的大部分区域都是运动的，最好还是选择 relative to cell zone。

4. 初始化选项

4.1use specified initial pressure on inlets 勾选此选项代表了在求解拉普拉斯方程时候使用入口边界的初始表压进行求解压力场，不勾选的话则是使用软件预定的方法进行求解。

4.2Use external-aero favorable settings 对于一些横掠机翼的求解，或者飞行器，汽车等外流场的空气动力学求解，可以勾选此选项，有利于加速收敛。

4.3Maintain constant velocity magnitude 勾选此选项代表了初始化之后计算域内的速度方向为迭代拉布拉斯方程求解的初始速度方向，而速度大小为一个常数值。这个选项对于一些不可压缩外部流动、多孔介质流动或者一些狭小流道内含有不真实的流动速度的情况是很有帮助的。一般情况下，含有多孔介质的流动不能使用混合初始化，要想使用的话，必须勾选这个选项。

2.3.FMG初始化

Full Multigrid Initialization（FMG初始化）是Fluent提供的另外一种初始化方法，其常用于非常复杂的流动问题，如旋转机械中的复杂流动问题、扩张管或螺旋管中的流动等。这些复杂流动问题的计算过程中，若能在计算之前能够使用更好的初始值，则能够加速收敛过程。FMG初始化可以以最小的计算成本获取最好的初始值近似。

注意：目前FMG初始化只能用于稳态计算中。

Fluent并未提供GUI方式进行FMG初始化，要在Fluent中启用FMG初始化，需要采用TUI命令：

/solve/initialize>fmg-initialization

若需要设置FMG初始化参数，则可以使用TUI命令：

/solve/initialize> set-fmg-initialization

Customize your FMG initialization:

set the number of multigrid levels [5]

3.不同初始化的初始结果对比

图标准初始化的结果

图混合初始化的结果

图 FMG初始化的结果

从图中可以看出，FMG初始化的场更接近最后的流场，所以FMG初始化能够提供一个比较好的初场，加快收敛，但是该方法仅能用于稳态。

来源：ANSYS空间

Fluent 多孔介质旋转机械湍流通用汽车

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首次发布时间：2023-05-09