粘度升高可改善CFD模型的收敛性

您是否正在解决CFD分析中的动荡流问题？然后，您可能会熟悉由于寻找数值解决方案的困难而导致的较大计算时间。这些困难是由湍流模型方程中出现的非线性引起的。粘度升高可以通过解决较高的粘度并将解决方案作为较低粘度处问题的初始条件来帮助减少计算时间。我们将向您展示如何在COMSOL多物理学中实现此技术。

为什么粘度倾斜会改善CFD收敛？

在启动任何流体流量建模之前，您始终需要检查雷诺数字，该编号定义为：

在哪里\ rho表示密度和\亩是流体的动态粘度。你是一个特征性的速度和d是建模系统的特征长度。

雷诺数是惯性力与流动中粘性力的比率。计算雷诺数有助于确定我们应该在comsol多物理学中执行哪种类型的分析（层流或湍流）。例如，在特征性速度和长度相对较小的微流体通道中，雷诺数很低，流量为层流。相比之下，对于汽车周围的高速流，雷诺数很高，流量很大。您可以了解更多有关表征流程的表征较早的博客文章。

当使用CFD解决流体流问题时，找到用于湍流问题的数值解决方案通常比层层层流更具挑战性。要了解为什么，让我们考虑已解决的方程式。对于湍流，comsol多物理学解决了雷诺平均纳维尔 - 斯托克斯（RANS）的配方Navier-Stokes方程。票方引入了一种新的变量，湍流的粘度，以表征流量中的湍流水平。使用模拟中应用的湍流模型定义的其他方程计算湍流粘度。

例如，K- Epsilon湍流模型使用湍流动能（K）和湍流耗散（Epsilon）来计算湍流粘度。湍流模型方程采用的形式与Navier-Stokes方程相似，其中包含线性和非线性项。湍流方程中出现的非线性解释了为什么在高雷诺数模拟的高雷诺数中实现融合更具挑战性。要了解有关选择哪种类型的湍流模型的更多信息，请查看这篇博客文章。

因此，对于高雷诺数模拟，我们必须使用湍流模型，而comsol多物理学求解的方程式变为非线性。从良好的初始条件开始可以帮助非线性问题融合，如下所述。流体粘度控制方程式的非线性。通过首先以较高的粘度来解决我们的模型，我们可以解决更可能收敛的弱非线性问题。然后，我们可以将较高的粘度解决方案用作较低的粘度问题的良好初始条件，以改善收敛性。该技术称为粘度越来越大。

随着粘度的升值，我们以较高的流体粘度开始解决了一系列模型，并降低了粘度，直到其返回其所需值。来自更粘性问题的解决方案被用作下一个粘性问题的初始条件。我们首先以较高的粘度解决模型，从而较低的雷诺数。这使我们从求解一个弱非线性模型开始，该模型更容易收敛。通过将粘度（从而将Reynolds数字）降低到其原始值，我们从弱的非线性问题转移到了强烈的非线性问题，在过程结束时，我们对原始模型有了答案。现在，让我们看一下如何在comsol多物理学中执行此操作。

在comsol多物理学中实施粘度

让我们假设您已经在Comsol多物理学中设置了CFD模型，并且您想改善收敛性。粘度升起是一种涉及三个步骤的技术：

• 创建坡道参数
• 将粘度乘以坡道参数
• 在研究中定义对坡道参数的辅助扫描

首先，我们定义了一个新参数，该参数将乘以粘度。我们为“ visc_ramp”设定的价值参数并不重要，因为我们后来将定义覆盖当前值的辅助扫描。

定义参数。

导航到材料节点，我们可以将流体粘度乘以“ visc_ramp”。例如，如果“ visc_ramp”的值为100，我们将用比以前的流体粘贴100倍的流体解决流量问题。最终，当我们的“ visc_ramp”值达到1时，我们返回材料的实际粘度。

将粘度乘以“ visc_ramp”。

在固定研究步骤中，我们为1000、100、10和1的值创建了“ visc_ramp”的辅助扫描。解决“ VISC_RAMP”的下一个值的初始条件（100）。扫描一直以这种方式继续进行，直到“ visc_ramp”达到1个值，这意味着我们正在为实际的流体粘度求解。

固定研究步骤。

在计算研究时，进步TAB显示当时正在求解的“ Visc_ramp”的值。最后，我们的解决方案收敛，我们可以查看结果。

使用“ VISC_RAMP”设置为100的解决方案的进度选项卡。

下面说明了这种粘度坡道程序。图像显示了流动流的流线和速度，以向后朝向步骤，并基于应用库示例。

速度图具有三种不同粘度的湍流后退的流线。

为扫描选择坡道参数

在许多情况下，从100或10的坡道参数开始就足以帮助收敛。但是，在收敛更具挑战性的情况下，建议对粘性斜坡参数使用更高的起始值，然后每次将其逐渐减小（即1000、100、10、1）。

在这里，我们从高粘性流体（1000）开始，并定义了“ Visc_ramp”（100和10）的中间值，以帮助求解器过渡到实际流体粘度（1）。如果求解器无法找到下一个较低粘度的解决方案，那么它将在最后一个收敛值和下一个用户指定值之间尝试一个中间值 - 一种称为一个称为的过程回溯。

为了演示回溯，让我们以1000和1作为“ Visc_ramp”的值运行辅助扫描。求解1000的粘性坡道参数后，该软件将尝试以1的坡道参数求解1。一旦求解器注意到未达到收敛性，它将回溯并尝试横越参数的中间值（在这种情况下，，501）。在解决方案以501的回溯参数值收敛之后，它将尝试以1的粘性斜坡参数为1，这次将成功完成！

使用“ VISC_RAMP”设置为501的解决方案的进度选项卡。

回溯是一种有价值的内置技术，该技术在辅助扫描过程中用来改善收敛性。但是，用户仍应在扫描中指定中间值，以帮助求解器从较高的坡道值转换。

在某些情况下，求解器将使用回溯和以大于1的值而停止收敛。这通常是一个迹象表明网格太粗糙而无法解析流场。在这种情况下，您应该首先完善网格。此外，请记住，您将永远想做一个网状细化研究作为模型验证程序的一部分。

粘度升值和非线性渐变的力量

我们向您展示了如何使用COMSOL多物理学中的粘度渐变来帮助CFD模型收敛。为此，我们建立了一项持续研究，以便从弱非线性问题开始，然后逐步提高非线性，直到解决了原始问题。当需要湍流模型时，这种粘度坡道技术有助于解决大雷诺数的CFD问题。

非线性渐变技术可以通过多种不同的方式应用。例如，我们可以在自然对流问题或非牛顿流体流动中的流动行为指数“ N”中升高引力，而不是粘度升值。它也可以在任何非线性多物理问题中更普遍地使用，因为在这里突出显示。

在类似于非线性渐变的过程中，我们可以改为将系统中的负载倾斜以改善收敛性。流体流动中的载荷倾斜通常意味着升级入口速度，这是您要牢记的另一种技术。

是否想了解有关这些技术的更多信息，并将它们应用于您自己的Comsol多物理模拟？请联系我们今天。