四十四、​Fluent收敛标准质量和能量守恒

1. Fluent质量和能量守恒

Fluent收敛性的判断有时候很让人头疼，我们在三十二、Fluent收敛判断标准及方法中概括的讲述过几种收敛标准。

通常我们判断是否收敛最直接的就是看残差曲线，但是很多时候，残差曲线（尤其连续性曲线）一直是平的，连下降的趋势都没有。这时候最正确的做法应该是监测比较重要的物理量，查看其是否稳定。

如果监测的几个物理量都很稳定，那可以忽略残差曲线而认为计算已经达到收敛。

但是我们计算过程中更多的是遇到不稳定的情况，或者我们根本就不确定计算是否收敛了，那应该怎么办呢？？本文提供一点思路来帮助理解计算发散的原因。

任何流动或传热问题的计算都比较质量守恒、能量守恒和动量守恒。当计算发散时，或者我们不确定它是否收敛的时候，就可以查看Fluent是否满足三大守恒，如果不满足，那肯定不收敛。基于此我们可以找到发散的原因。

注：
1. Fluent满足三大守恒也不一定收敛，还要辅助监测物理量来判断收敛性

2. 强推文章四十三、Fluent增强收敛性-伪瞬态计算，能够大大加快收敛速度，尝试了一下，使用SIMPLEC算法10000迭代步可以收敛，使用伪瞬态算法只需要1000步，收敛速度加快了10倍

2. Fluent Flux通量

如何查看Fluent是否满足质量守恒、能量守恒呢？？在Fluent后处理中Results-Reports-Fluxes可以查看

但是有几点需要注意：

2.1 Options包含三个选项：

Mass Flow Rate、Total Heat Transfer Rate和Radiation Heat Transfer Rate，其他的以后补充。通过这三个选项可判断计算是否满足质量守恒和能量守恒。

2.2 不涉及源项问题

mass flow rate：所有进出口质量流率之和应该为0，其中进口为正，出口为负。Net Results表示进出口质量流率之和。壁面wall显示为0，计算域内的质量流量显示不为0，但计算Net Results时，内部区域会被跳过，只计算进出口区域。

Net Results：只计算模型进出口的质量流量

Total Heat Transfer Rate：所有进出口及壁面的总传热率之和应该为0，即Net Results=0。计算域内的总传热率显示为0。

Net Results：只计算模型进、出口和壁面的的总传热率；如下图不涉及能源源项，Net Results应该等于0，而图中等于-4.46，说明收敛性不好，应该继续计算或者修改部分参数后计算。

内部边界：如果涉及到内部边界（边界类型 interior），上述三个Fluxes可能会不准确。需要先将内部边界类型更改为wall(用于定位面积向量)，不用进行任何操作，然后再更改为interior，计算Fluxes


如果不涉及质量源项，那么模型进出口的mass flow rate应该相等，净值Net Results应该等于0；
如果不涉及能量源项，模型进出口及壁面处的Total Heat Transfer Rate的净值Net Results应该等于0

2.3 涉及源项问题

如果在Cell Zone Conditions---Fluid中设置了质量源项（kg/(m3*s)），则Net results显示的为添加质量源项计算域的积分值。即每个网格的质量源项与计算域网格体积相乘之和，单位恰好为kg/s。

同理如果在Cell Zone Conditions---Fluid中设置了能量源项（W/m3），则Net results显示的为添加能量源项计算域的积分值。

2.4 涉及多相流问题

使用多相流模型，上述三个Fluxes可以对单独相也可对mixture进行计算。如果没有源项，那么每一相的net results=0；

如果对某一相设置了质量或能量源项，那么对这一相的net results就是添加源项计算域的积分值。

如果涉及到相间的传热和传质，那么对于单独相，则mass flow rate和total heat transfer rate的Net Results不为0；

但是对于mixture相，mass flow rate和total heat transfer rate的Net Results=0。比如蒸发冷凝模型、PBM模型。
 

2.5 涉及到颗粒流动

如果使用离散相模型（DPM），则会单独报告粒子注入的质量流量和传热率，并且Net Results结果会将粒子注入的质量流量和传热率也包含进去。

比如上图，Net Results等于Results中各个质量流量之和，再加上DPM Mass Source。Net Results=-1.770709+0.876162 +0.876162+0.01839178=6.367223e-6

也就是说，涉及DPM模型，不涉及源项时，Net result应该也为0。

3. Flux通量总结

单相流且不涉及源项，质量和能量的Net results=0；

多相流不涉及源项，且没有相间传热传质则单独相的Net results=0；
若涉及相间传热传质，则单独相的Net results不等于0，但mixture相的质量和能量的Net results=0；

颗粒流不涉及源项时，Net result也为0。