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[基础理论] 关于Flotherm软件收敛的思考

[基础理论] 关于Flotherm软件收敛的思考

其实最开始学习Flotherm时,自己在Flotherm软件收敛问题也有很多迷惑。
) w* _  W1 B9 e# L' I8 S经过和很多同业人士的交流,以及自己一年多的研究,现在总结这样几点,% V$ I7 f3 ~0 ?; o. h- o
希望能给新人带来一定的指导,也希望能和这里的高手进行交流,同时也希望这一问题能渐渐引起Flotherm软件相关人员的重视。  R) Z( q: A" M& `6 m

: H* `% M7 Q! K3 |- O8 m8 u4 _' Y要说Flotherm软件的收敛问题,首先要了解Flotherm软件收敛是个怎么回事。5 ^) J% c& f2 [; z5 p4 w, y8 N. `
Flothemr软件是采用有限体积法进行逐步迭代来求解对流换热的。3 s4 f6 c/ u. v2 g! J
而迭代总会有误差的,而且这一误差是不可能消除的,由于数值计算在求解动量、能量、质量三大方程时都有一定的近似,因而误差是不可能消除的。3 O  ~% N  q' v. D7 g1 I% x

' U9 S9 ~+ E3 s: U既然不可能消除,那么误差达到什么程度时我们可以接受的呢。
1 y. E4 a: y  W3 `在Flotherm软件里面是有一个统一的标准的,它的标准是:- i% g8 [7 I% d7 k- N$ w: Z

0 k( Q1 ^# ~3 U5 F  B. a) n8 J7 ^4 w  i
质量平衡(压力场残差)+ y% \7 a- c. c- {# _
       终止标准= 0.005 M(kg/s)4 T# d0 g) e5 K* ]5 h
强迫对流: M= Total Inlet or Outlet Flow Rate1 c$ V* F) `0 ?$ |( F; O; E
自然对流: M= r.EFCV.A   
3 o% {% Q& I, V$ E9 V                     r: Air density
& R7 Z; [8 e4 M9 O                      EFCV: Estimated Free Convection Velocity
; g* H& o( ?- a2 B1 Q3 u                     A: Area perpendicular to the vertical
$ E& N7 W/ I) @3 P% b
质量守恒的收敛标准是取质量流量的0.5%,强迫对流时质量流量由具体的风扇或者fixflow得出,自然对流时质量流量根据设置的EFCV(默认为0.2m/s)、密度和风口的面积有关。
0 `: U& I  y/ t4 n1 A% K) N( d* `/ U
  f! R" Y$ c" L# p/ i7 b" ?2 `1 M
动量平衡 (速度场残差)' J! j! a7 X* J" [
       终止标准= 0.005 MV(N)
1 T7 D4 G+ F# \/ R* ^强迫对流:V = Fan or Fixed Flow maximum velocity$ M7 F' x! p) G; |" M& F1 [; O
自然对流:V = EFCV
  o) {  X2 l4 K  `7 b. S" m9 X

动量守恒的收敛标准是动量的0.5%


1 m( a" Z( V9 g% a) [8 b3 G: T

能量平衡(温度场残差)' M) H; Y; @5 _1 \' q& t
终止标准 = 0.005 Q(W), B7 ?( Z$ {. o7 P: c. y$ G
: u6 x7 k5 ^5 }! A' D
如果在系统中有热源或热沉:Q= Total Heat Sources or Sinks
0 U( E5 r/ W4 k" N$ y如果系统中无热源或热沉:Q= M Cp DTtyp
: E. K( V; t/ l1 x$ kDTtyp =20 °C
/ x* A9 W9 X$ {% I
# H3 V6 ^0 V7 f3 |- {对于有热源的情况,能量守恒的标准是系统中热源的0.5%。5 @! w: @0 X: g0 F* u* k! \
' @) z& E0 ?4 F
[ 本帖最后由 lym123110025 于 2008-9-1 17:01 编辑 ]

而我们所看到的Profiles里面的残差曲线实际上是所有网格的误差之和与收敛残差标准之间的比值;$ B) p7 |% Y/ @- L4 j; g
举个例子:
2 y: V% |( M& P7 i; u比如能量计算的误差和实际的误差相差0.5w,
4 q3 {5 X* U1 R7 |1 [3 y系统里面总功耗为5w,1 C+ W# C8 h& [- j5 t3 f5 O; I
那么收敛标准是0.025W,) w4 n4 _1 l4 b
那么我们在残差曲线中看到的温度的残差就是20。7 }9 E2 f4 b& ~  L2 Q2 P7 f+ Z7 `

, ], d5 v; n9 I7 H9 u1 n[ 本帖最后由 lym123110025 于 2008-9-1 17:09 编辑 ]

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那么从前面我们可以看出,残差反应的并不是计算值和真实值之间的误差。, o' r7 _4 {! @3 G
还是举个例子来说一下,
4 a7 \& D7 _" x# v- d; B比如能量计算的误差和实际的误差只有0.1w,; z6 k8 q3 E1 W! H4 `
而系统中总功耗只有1W,
+ x0 R' \0 E; e+ m那么收敛标准是0.005W,那么此时表现在残差曲线中的数值就是20,此时的残差曲线仍然处于高位。
+ z* H* w5 W3 r7 l" j2 E' k1 E! @$ r# e3 Z  q/ d: ~/ R9 O
但如果系统中的总功耗是20的话,
0 Z9 A- w: J" b  C那么收敛标准恰好是1W,这时在残差曲线中显现出来的数值就是1,也就是收敛的数值。
* H3 A# D1 y- V" f' l  d6 d. E: K) c
* p% S- {, q. \2 r' `. `% |1 F/ |由此可见:
# U9 Z# P3 B; F9 O4 o* S) s温度的收敛与系统的总功耗有关,总功耗越低,收敛所需要的误差值越小;: a5 z) I9 G4 {. @: C/ J
速度的收敛于总动量流量有关,速度和质量流量较小时都需要收敛的误差要小;5 f* K% a  N1 ^
压力的收敛与质量流量有关,速度、密度是影响压力收敛的关键。3 C9 K: [6 `, E5 ?" E( W
6 N, Q" q- S  K% n" s4 K1 X
[ 本帖最后由 lym123110025 于 2008-9-1 17:20 编辑 ]

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Flotherm人员也只是说其收敛标准对于大多数情况是比较合适的,
6 G$ x8 O! ^7 U; a其实对于软件开发人员来说,就不应该采用这种统一的收敛标准。
* \3 G. l1 w0 b' a7 U, k他可以根据不同情况去设定不同的收敛标准,那么出现高位稳定而温度已经平稳的情况就会大大减少。
6 x6 I- L0 N. [; i9 b- ^( x% L
3 `; C* u& ^5 [1 O7 w0 X9 B4 Z) q; [对于系统中功耗很低的情况,Flothem关于能量方程的收敛准则过于严格;; [. M. O" O3 c
而系统中功耗过高的情况,Flotherm关于能量方程的收敛标准又过于宽松。
4 d+ O$ P: I1 V  \  u: ^( l
- q9 m4 A; j- K1 ?7 x  @) R* l感兴趣的朋友可以做一下这样一个例子,2 K) _$ }6 \' j' r- H( B+ ^
1*1*1m的系统里面只放一个100*100*100mm的cuboid,功耗为1w,
7 ~/ G2 L3 K1 q0 c4 n$ a, |添加fixflow在某一边界,风量只给1cfm,( G, h9 j( c5 }7 u7 n  s
: ?" `' ~$ ~( w7 J/ }
这种情况时,无论怎么调整网格都是很难收敛的;甚至想让残差曲线降到10以下几乎都不可能。

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谢谢楼主的讲解!5 Y: g, ~" I( K' p& z2 D3 u8 n/ c
虽然有些东西不是很了解,但是从经验来看,很精辟!

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聞君一席話確有值得深思之處,7 j& U( B. G% M1 _4 a3 W# ]2 S7 L* j
  e' @, `2 S6 U) [7 @
然Flotherm如此設定許是為了給定個較寬的收斂基準予所有使用者參考而已。
* j* V7 s" r4 {, }! T
% x) ~7 q; A/ w9 t. O! T% o8 X以Flotherm最常模擬的狀況、一個系統級的model來看,對您所顧慮問題便不存在,1 o7 F; N3 ]' V# E6 J1 ^9 M" K
! u( J$ ?& r; ~" S; f
那其他的狀況呢?在Flotherm當中亦可透過自行給定收斂值來避免,2 D, Q' n1 T; J) V  o

' i8 `! M& h5 ~( Q" E所以我想Flotherm已經給予使用者自行判斷的空間了。

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回复 6# 的帖子

是的,对于大多数的情况这个收敛标准是可以的,' e: n6 B) I3 @: i; a5 H% R) D
不过目前电子散热系统中的功耗越来越高,由此也会给Flotherm仿真带来一些问题$ _" s( {- H; l; s9 g5 i% Y
当然如果能从软件内部就考虑这些不同的系统,分别给与不同的收敛标准,那么对软件来说,是有好处的,
2 k, H# M! f5 b+ M; f' [2 q对于初学者和非本专业的人员来说,这样的设置无疑会减少很多麻烦;, H: Y0 C& p6 h& F. [" j
当然从程序内部去设置这样的收敛标准需要更多的经验积累,对编程者而言,这也是一个挑战;
7 [7 t- N3 O; Z4 g' T3 K- B' z) G. B& l
就目前这种收敛标准的设置而言,
) H0 u. ]# o2 a4 a" P$ x我们使用者能做到的也只有根据我们各自的实际仿真情况适当的修改仿真收敛标准;
$ i& K; E, h' A7 E3 ~3 h. ?  c0 n当然大多数情况仿真是可以收敛的,对于特殊情况我们就得根据自己的经验去设置合适的收敛标准;: h* E  w/ @9 V+ d& |
至于收敛标准如何修改,我还没有深入的研究,) x! a9 W% c: p0 K/ B
期待着高手的分享......

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我不是高手但我知道怎麼調整收斂標準...4 \8 v' a: {' w0 k0 o
" p1 d1 X& y" d* {: R
您可以在Project Manager→Solve→Variable control→Termination Residuals" g% j' {1 H5 y; k* j) y/ u3 U! H
裡面有兩種調整法,其一:automatic,可以倍數化去調整!
: f* L# v+ u1 L" C其二:User specified,直接輸入收斂標準值。
. z. r5 H) w6 C( U2 ^& \1 |4 J0 u4 d# T1 ^' `
以上,給您參考~

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回复 8# 的帖子

楼上误解了我的意思,
( U# B$ Y6 s) {+ T我并不是说在软件哪里去调整收敛标准," R$ N8 `* K7 D' v
我的意思是这个收敛标准我们应该设多大合适

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也就是说各种特殊的不适合现有软件的收敛标准时,
" R" i1 j( d9 ]那么收敛标准应该设多大,

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楼主说的很好,谢谢楼主分享。其实icepak也有这样的问题。

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原帖由 lym123110025 于 2008-9-3 17:06 发表 ! f' F! C: J9 S% U" @3 A8 Z; b
也就是说各种特殊的不适合现有软件的收敛标准时,* t- c' V0 U7 d- [  _4 E& M
那么收敛标准应该设多大,
/ c) m6 A/ v, V% y$ j
lym123110025,你提的问题太好了,不过这个东西估计要骨灰级别的达人才能解答了吧?* a$ E# o" m( c+ g4 n
期待有人能给我们一个系统点的答案,其中可以包括一些我们常用到的,但是又不适合现有软件的收敛标准的情况。

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原帖由 lxh2522 于 2008-9-3 17:09 发表
8 D, t- R/ H" C8 q
3 p9 E* t2 R' y2 elym123110025,你提的问题太好了,不过这个东西估计要骨灰级别的达人才能解答了吧?
1 N2 G/ q$ C9 |( b期待有人能给我们一个系统点的答案,其中可以包括一些我们常用到的,但是又不适合现有软件的收敛标准的情况。
: c4 t; R9 `' Y! i. k, g
1 T0 Q# h$ R6 b, }
3 j$ v  G% z/ K- ?5 ]
呵呵,差不多吧,这个问题没有个五六年以上应用Flotherm的经验和总结的话,7 x" ^6 w4 ]) c
确实是很难给出答案的;* ?/ H' O/ O/ H8 }. W6 s
不过如果能给出一个合适的准确的答案的话,那么相信就可以去Flotherm的开发团队去try一下了

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比如能量计算的误差和实际的误差相差0.5w,
6 |2 f- n0 q& W系统里面总功耗为5w,8 f. y( P' ]! H; W6 n
那么收敛标准是0.025W,
3 j( m: e: k$ D$ ^( `5 N那么我们在残差曲线中看到的温度的残差就是20
: W, u# R  z, E3 ?8 [问一下,这里的残差20不是显示吧,如果是对数的话,就是显示的是2。
. h& w" F/ e( O) S" s8 K: S我有时怎么想不通,残差曲线如果降到了1算收敛,那么其实就是计算误差与总功耗的0.5%的比值为10啊,怎么能算收敛呢。
% R: m3 x$ p+ A" W一个弱智的问题,需要给我解释一下啊

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在对数坐标系中,这个数值是不变的,记得大学物理实验中有详细的对数坐标的描述,6 t4 c3 o9 s/ R& @8 Y

' A' R9 ?' R' M( R在我们的残差曲线中,无论是线性坐标系还是对数坐标系,残差的数值并不改变;# E/ p( C# R4 M  z) L
  h: l( r* z3 Q+ A- H, ]& m
所以残差曲线降到了1,是计算误差达到总功耗的0.5%

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