关于近壁面网格过密导致无法计算的问题-1

chuchenhui

问题背景：高度150m，长宽30m左右的 超高建筑1:1吹风数值模拟。采用混合网格，建筑物周围采用非结构网格。近壁面最小尺寸0.5，到混合网格边界尺寸为2。交界处在ICEM设置对齐，并设置interor。

问题内容：基于边界层理论，无论是RANS还是LES 都有自己的Y+取值范围。总体上，我可以保证，我在划分网格的程序是正确的。包括各种设置。

但是在我建模试算的过程中，出现了下面的问题。采用RANS或者LES 通过NASA或者自己试算，保证Y+达到30~60或者小于1的话，近壁面法向网格尺寸要达到1E-5到1E-6这个数量级。如图所示

（无法上图）

而事实上，我在划分非结构网格棱柱层边界时，一旦画到这个数量级的边界层高度时，导入FLUENT基本上很难通过初始化，就发散了。或者即使通过初始化，但计算几步就发散了。根本无法收敛。 如图所示：

（无法上图）

但是，如果不加边界层。那么是能够收敛并得到数值结果。但近壁面网格尺寸根本无法满足Y+要求，因此得到的结果也不可信。我在查阅很多文献时，对于复杂几何体。有的文献要么不提边界层、y+，要么只简单交代达到Y+要求。但是否怎的达到，达到了还能不能收敛。我持怀疑态度。

综上所述。我的问题是，根据边界层理论。近壁面网格要划分很细，达到很小的数量级。但经过我多个案例试算。如果近壁面网格法向网格划分过密，多数情况，FLUENT是无法计算或收敛的。

那么，请问各位同学老师。你们出现过这种问题吗？ 怎么即保证Y+，又能计算收敛得到数值解？

如果说，近壁面过密，就会导致计算发散，无法求解。那岂不和边界层理论完全矛盾了吗~

这是我一直想不通的问题。请各位同学专家共同讨论。

chuchenhui

周华 发表于 2021-2-22 14:11
你尝试过不同的初始化方法吗？有时候初始化方法改变一下就可以算了。

谢谢老师建议。
这些都尝试过了，标准初始化，从入口开始。不需要迭代10次，混合初始化，迭代10次，近壁网格很密时直接浮点溢出，放宽一点，可以迭代完成，但有时会提醒没有达到1E-6的初始迭代标准，进一步放宽网格，就能顺利完成混合初始化。
也就是说，无论哪种初始化。只要网格过密，都会提醒浮点溢出，或勉强达到初始化标准。但即便进入到初始化，也会算几步后开始浮点溢出或发散。发散时会提醒，湍流粘度比、鲁棒性、还有AMG什么的，总之就是算不下去~反正只要加密近壁面网格，就是算不了~
另外，我在ICEM中检查网格质量是很好的，但到FLUENT中检查网格质量，就提醒正交性<0.01，建议修改网格。提示是这样的：
Minimum Orthogonal Quality =  6.07178e-04 cell 471140 on zone 10 (ID: 1917556 on partition: 2) at location (-6.18114e+00  1.53410e+00  1.80000e+02)
(To improve Orthogonal quality , use "Inverse Orthogonal Quality" in Fluent Meshing,
where Inverse Orthogonal Quality = 1 - Orthogonal Quality)
Warning: minimum Orthogonal Quality below 0.01.

Maximum Aspect Ratio =  4.82833e+04 cell 450246 on zone 10 (ID: 1919912 on partition: 2) at location (-3.08994e+00 -6.63430e+00  1.80000e+02)

Fluent can try to improve the mesh quality via the TUI command
/mesh/repair-improve/improve-quality

上面这个坐标点，我查了一下，是长方体顶面的流体域网格。这个长方体，我用O型外网个划分边界层。底下是WALL，其余几个面向外扩散1m，满足Y+,边界层要达到1E-5左右，增长率1.2。我检查顶面网格，没发现有什么异常。难道是网格长宽尺度和法向尺度比例过大？ 那岂不是所有加密边界层都会存在这个问题。

chuchenhui

自己顶一下。
哪位专家帮忙解释下~ 一直无法越过这个问题，近壁边界层一旦设置过密就浮点溢出。
大家都没有遇见过这个问题吗~

chuchenhui

自己顶一下。
哪位专家帮忙解释下~ 一直无法越过这个问题，近壁边界层一旦设置过密就浮点溢出。
大家都没有遇见过这个问题吗~

周华

壁面附近的网格应该采用结构网格或棱柱形网格，远离壁面的区域倒是可以采用非结构网格。另外湍流模型中使用了壁面函数的话，Y+的尺度可以放宽，不一定要达到1.

chuchenhui

周华 发表于 2021-2-22 11:58
壁面附近的网格应该采用结构网格或棱柱形网格，远离壁面的区域倒是可以采用非结构网格。另外湍流模型中使用 ...

老师，非常感谢您的解答。
您说的理论我都理解。因为我是新注册的号码，无法贴图。
目前为了验证和解决这个问题。我做了很多尝试。包括做标准长柱体模型（CAARC模型），用的都是结构网格，非常规整，在ICEM中检查，质量全部大于0.8、斜交性、雅克比都没问题。但导入FLUENT检查CASE，就说网格正交性较差，小于0.01。但我这套网格全部都是正六面体标准结构网格啊。
因为是建筑风工程，所以结构尺度都很大，几百米。
所以一旦近壁网格加密到微米级，导入FLUENT中，不管用什么湍流模型、求解方程和离散格式，改变出风口边界条件（OUTFLOW、PRESS-FLOW）、减小松弛系数、改变进口边界条件、改变压力、密度求解器、甚至用两个版本的FLUENT计算（19和20）等等，能尝试的方法我都尝试了~
都是几步就浮点溢出。但边界层放宽就能很流畅的计算并收敛。但查看壁面Y+，都是几百了~ 而且我要做LES的话，这个Y+自己都不说服不了。
所以我现在很是迷惑~ 到底哪里没考虑到，其他人是怎么做的呢，怎么能保证近壁Y+，且能正常计算并收敛。

chuchenhui

为解决和验证这个问题，我尝试了以下做法。
均采用K-E，K-W，增强壁面函数（主要为了满足Y+为LES做准备）
1、简单几何体，非结构网格，（a）近壁棱柱层边界1E-5(无法初始化，浮点溢出)(b)近壁棱柱层边界1E-4(无法初始化，浮点溢出)、（c）近壁棱柱层边界1E-3,可以计算，稳定性较差，降低松弛因子可以收敛。（d）近壁棱柱层边界1E-2，默认松弛因子，可以稳定收敛。结果比较符合实际（Y+~100+）。
2、简单几何体，结构网格，（a）O型网格边界层，1E-3以下无法初始化，浮点溢出。1E-2以上，开始不稳定，调节松弛因子后基本稳定收敛。结果比较符合实际。（Y+~100+）。此外，即使计算收敛，程序还是时程提示湍流粘度比被限制，以及压力修正鲁棒性等信息。
以上计算过程都应用多种离散格式求解，对收敛性、稳定性影响不大。结构网格在ICEM网格质量检查结果非常理想，非结构网格质量也符合要求。按道理说网格尤其是近壁网格越密，越有助于收敛，计算结果越精确。但目前我的几个案例算下来，确和有限元网格理论完全相反。蒙了~
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周华

你尝试过不同的初始化方法吗？有时候初始化方法改变一下就可以算了。

liuyubo

老哥，问题解决了吗

LDK8

兄弟，这个问题解决了吗？

FuYH

楼主，这个问题解决了没，我也遇到了

wgq_st

帮忙顶一下，等结果。