Шаг по времени при решении FSI задач с Abaqus

В этой статье Вы узнаете об особенностях выбора шага по времени в FSI задачах.

fsits1

Прежде всего хочу отметить, что недопустимо считать FSI задачи с Abaqus используя статический или квазидинамический решатель в Abaqus. Т.к. эти методы подразумевают постепенное увеличение нагрузки в Abaqus от нуля до номинального значения. Таким образом изменение потока во FlowVision будет влиять на решение в Abaqus не в полной мере, а решение в Abaqus будет давать перемещения, которые никак не будут соответствовать нагрузкам из FV за заданный интервал времени. Используйте только динамический явный или неявный решатель даже для задач, в которых ищется статическое решение!

Таким образом при решении FSI задач для нас значимыми всегда оказываются три шага по времени:

  • Шаг интегрирования по времени в Abaqus
  • Шаг интегрирования по времени во FlowVision
  • Временной шаг обмена между Abaqus и FlowVision

 

 

Шаг обмена

При подготовке проекта с помощью MPM менеджера Вы должны указать шаг обмена:

fsits1

Обычно (почти всегда) лучший выбор - это Шаг FlowVision = 1 ( FlowVision time step X = 1 ). Данная настройка означает, что временной интервал обмена определяется FlowVision. Цифра 1 олзначает, что обмен происходит каждый 1 шаг FlowVision. Т.е. после каждого шаг FlowVision. Это оптимальная настройка по той причине, что слишком большая разница между решением в Abaqusd и FlowVision (слишком разнесенное по времени) как правило приводит к плохоцй сходимости и почти всегда приводит к плохой точности, особенно, если перемещение поверхности в Abaqus оказывается большим (во FlowVision поверхность проскакивеает больше одной ячейки).

Шаг по времени во FlowVision

С точки зрения CFD и с точки зрения точности критичным является перемещение поверхности. Она не должна за один шаг по времени пересекать более одной ячейки. Поэтому в FSI задачах всегда ограничивайте шаг по времени с помощью Поверхностного КФЛ. Поверхностный КФЛ должен быть равен или меньше единицы, что не позволит поверхности пересечь больше одной ячейки. В противном случае возможна большая погрешность вычислений.

Еще раз, всегда используйте Поверхностный КФЛ =1 или меньше.

В то же время, конвективный КФЛ может быть больше 1,существенно больше, если мы используем неявный метод расчета во FlowVision. Какое значение Конвективного КФЛ лучше? Однозначно ответить на этот вопрос можно только проведя исследование сходимости по шагу по времени.

fsits2

Начальный шаг по времени

Слишком большой начальный шаг по времени может привести к несходимости решения.

В Abaqus можно задать начальный шаг по времени.

Во FlowVision можно ограничить максимальный шаг по времени в начале решения. Например, если в начальный момент времени заданы нулевые скорости и давления, то FlowVision может решить, что шаг по времени бесконечен. В результате Abaqus будет выполнять свою итерацию, согласно выбранному шагу обмена = шагу FlowVision, все это бесконечное время.

Поэжтому часто стоит ограничить максимальный шаг по времени во FlowVision:

fsits3

Какое именно ограничение выбрать? Это время должно быть чуть больше чем шаг по времени, который будет давать впоследствие достаточно точное решение.

Можно сделать предварительный расчет во FlowVision для определения оптимального шага по времени:

  1. Выполните расчет во FlowVision без обмена с Abaqus. В случае, если имеются начальные градиентры физических величин Вы получите хорошее начальное значение для шага по времени. Можно задать лимитер в десять раз больше, чем полученный шаг по времени.
  2. Запустите FSI решение с выбранным шагом по времени и взгляните на значения первого шага по времени: fsits4
    1. Если шаг по времени получился меньше, чем явный, значит ограничитель слишком жесткий. Сделайте его побольше
    2. Если шаг по времени немного больше явного, а Abaqus в это время шагает с существенно меньшим шагом по времени (т.е. для первого обмена с шагом FlowVision Abaqus вынужден сделать очень много итераций) , то стоит сделать ограничитель максимального шага жестче, даже если в итоге получится шаг меньше, чем явный.
  3. И снова, критерием хорошего лимитера шага по времени может служить перемещение поверхности: перемещение не должно быть на дистанцию больше, чем одна ячейка во FlowVision.

Иногда шаг по времени в начале расчета нужно ограничивать жестче, чем на протяжении большей части расчета. В этом случае удобно воспользовать редактором формул для определения зависимости максимального шага по времени от номера итерации или от расчетного времени.

Об авторе
Игорь Москалев
Author: Игорь Москалев
Директор в группе компаний ТЕСИС
к.т.н., МГТУ им. Н.Э. Баумана. Экспертиза в областях: CFD, ДВС, суперкомпьютеры, ITSM