CFD 计算不收敛？这些我踩过的坑和破局思路
做 CFD 模拟的朋友大概都有过这种经历：盯着屏幕上上下跳动的残差曲线，从信心满满到逐渐焦虑，最后眼睁睁看着计算发散 —— 白跑了十几个小时不说，还得从头排查问题。不收敛这事儿，说是 CFD 工程师的 “日常噩梦"一点不夸张。今天就结合我这几年做项目的经验，聊聊遇到计算不收敛时，哪些办法能帮你快速找到突破口。
先看网格：别让 "地基" 出问题
刚入行时我总觉得，网格差不多就行，反正软件会自动处理。直到有次做翼型绕流模拟，残差死活降不下去，最后发现是翼尖附近有几个扭曲的四面体网格，最小内角只有 8 度 —— 就这质量，能算下去才怪。
网格质量的坑，主要集中在这几个地方：
畸形单元是头号杀手。六面体网格的拉伸比超过 20，或者四面体网格出现 "针尖状" 单元，很容易让离散方程的系数矩阵变病态，迭代到一定程度就会崩。我的习惯是先用网格质量检查工具扫一遍，把扭曲率超过阈值的单元标出来，要么局部重画，要么用 "光顺" 功能慢慢调。
边界层网格别想当然。之前做汽车外流场，总觉得第一层网格越薄越精确，结果 y + 值只有 5，和 k-ε 模型要求的 30 差太远，近壁面流速算得一塌糊涂，残差像心电图似的跳。后来按模型手册调整了第一层高度，残差立刻就稳下来了。
网格尺度别突变。有次在燃烧室模型里，火焰筒附近用了 2mm 的细网格，旁边突然跳到 20mm，结果交界处压力场乱成一锅粥。后来在过渡区加了三层渐变网格，让尺寸慢慢放大，问题直接解决。
物理模型：别让 "理论" 跟不上 "实际"
选模型这步要是出错，后面再怎么调都白搭。我曾经在低速水流模拟里选错了可压缩模型，结果密度场来回震荡，残差根本压不住 —— 现在想起来都觉得好笑，当时怎么会犯这种低级错误。
模型选择的几个实用原则：
先判断流动本质。马赫数低于 0.3 就老实选不可压缩模型，别折腾可压缩；看到流场里有强旋转（比如旋风分离器），标准 k-ε 镇不住就换雷诺应力模型，虽然计算慢点，但至少能收敛。
别贪多求全。新手总喜欢把所有物理场都加上，又是辐射又是相变，结果耦合太复杂导致发散。我的做法是先跑个纯流动场，稳定了再加传热，最后才上化学反应，一步一步来。
湍流模型别盲目升级。不是所有问题都需要大涡模拟（LES），很多工程问题用 k-ω SST 就够了。上次帮人调一个管道流动，他非用 LES 结果不收敛，我换成 SST 模型，半小时就出结果，精度也够用。
数值方法：学会 "拿捏" 迭代节奏
有时候模型网格都没问题，就是不收敛，这时候就得在数值算法上动动脑筋。我总结出一个规律：收敛性和稳定性往往是 "此消彼长" 的，得找到平衡点。
几个能快速见效的调整技巧：
离散格式 "循序渐进"。高阶格式（比如 QUICK）虽然准，但对网格太敏感。我的套路是：先用一阶迎风让残差降两个数量级，等流场基本成型，再切到二阶格式，既能保证精度，又不容易震荡。
时间步长别 "想当然"。做瞬态计算时，Courant 数一定要盯着，超过 1 就容易出问题。上次算水锤效应，一开始用固定步长总发散，后来改成自适应步长，让软件根据流速自动调，Courant 数始终控制在 0.5 以内，一下子就收敛了。
边界条件：别让 "输入" 自相矛盾
边界条件设错导致的不收敛，排查起来最让人头疼。在选择了边界条件类型后，根据实际物理问题和模型要求，输入相应的参数值，这些参数值可以通过实验数据、工程经验或者理论计算得到。设置完成后，仔细检查每个边界条件的类型和参数是否合理，确保它们符合实际物理情况，避免出现不符合物理规律的设置导致计算错误或结果不准确。
设置边界条件的 "避坑指南"：
进出口参数要 "自洽"。进出口边界条件的匹配设置需要根据具体的物理问题和流动特性进行调整，以确保模拟的准确性和收敛性。
复杂工况用 "分步加载"。模拟阀门开启过程时，别一下子开到最大，先开 10% 让流场稳定，再慢慢加大开度，就像开车起步要慢慢给油，猛踩油门容易熄火。
初始场：给迭代一个 "好起点"
刚开始做模拟时，我总喜欢用默认的均匀初始场，结果在多相流模拟里栽了跟头 —— 水和空气的初始界面设成垂直的，迭代一开始就出现剧烈波动，根本稳不下来。
优化初始场的小窍门：
复杂模型用 "预处理"。做燃烧模拟时，我会先用纯空气流动算一遍，得到稳定的速度场，再以此为基础加燃料和化学反应，比直接算省一半时间，还不容易发散。
多相流界面要 "平滑过渡"。气液两相流的初始场里，别让密度突然从 1 变到 1000，在界面附近用个小梯度过渡，能减少很多震荡。
非稳态问题用 "稳态结果当起点"。算圆柱绕流的涡街时，先跑个稳态解，再以此为初始场启动瞬态计算，比从静止开始算快多了，还能避免初期的数值震荡。
最后想说的：别被 "不收敛" 吓住
这几年处理过几十次不收敛问题后发现，其实 90% 的问题都出在基础设置上 —— 网格质量、模型选择、边界条件这老三样。我的经验是，遇到不收敛先别慌，按 "网格→模型→数值方法→边界条件" 的顺序排查，每次只改一个参数，看残差变化，很快就能定位问题。
有时候残差没到预设值，但进出口流量、受力这些关键参数已经稳定了，其实也可以算 "工程收敛"，没必要死磕残差。毕竟 CFD 是为工程服务的，过度追求理论收敛反而可能偏离实际需求。
总之，处理不收敛的过程，也是对流动本质理解不断加深的过程。每解决一次，就离 "CFD 老司机" 更近一步 —— 这话虽然有点鸡汤，但确实是我这些年的真实感受。
