残差曲线下降，收敛了？这么草率容易有坑
在CFD日常工作中，经常看到这样的场景：工程师盯着屏幕上漂亮的残差下降曲线，满意地点头说"收敛了"。
但残差下降真的意味着计算结果可靠吗？
本文将带你系统了解如何全面判断CFD计算是否真正收敛。
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残差曲线的表面功夫
残差曲线确实是判断收敛的第一指标，但存在三个典型误区：
1.局部不收敛的掩盖：
在电磁阀的某流阻计算中，虽然整体残差已降至1e-5，但进口压力的波动仍然超出5%
2.各方程收敛不同步：
如下面这个图，动量方程捡到1e-5以下，连续性方程还在1e-2。
3.伪收敛陷阱：
在某些情况中也会出现，残差1e-4水平维持300步迭代后突然反弹上升
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严谨的收敛判断流程
一个严谨的CFD收敛验证应该包含以下步骤：
1.残差下降至合理水平
通常我们定义残差在1e-4~1e-6区间内，综合其他的因素判断，可以认定为收敛。
2.关键物理量达到稳定状态
在稳态计算中，我们需要实时监控关键物理量的变化，在残差达到1e-6后，关键物理量若仍处于波动状态，那需要仔细判定是否收敛。
3.满足基本守恒定律：
即进出口的流量偏差小于0.1%
在Fluent中可以通过查看net值来判断。
4.通过网格独立性验证
即关键物理量的计算结果随着网格数量增加，变化趋势逐渐减小。
下图为一个简单管路的流量计算结果随网格数量增加的变化程度。
几种颜色分别代表不同的湍流模型，不同的残差标准，以及边界层数量对应的网格无关性检验曲线。
他们计算的残差曲线都很好，那么可以判定为收敛的是哪条曲线呢？
给3秒钟时间来判断下：
下翻查看答案。
答案揭晓：
当然是红色啦
因为其他几条曲线的流量计算结果随着网格数量增加而增加，且变化率呈上升的趋势。
只有红色的曲线的流量结果随网格数量增加，变化率是呈下降趋势。
证明，网格数量对流量结果的影响性在缩小。
流量计算结果收敛。
关于网格无关性检验，再多说点，因为真的很重要：
推荐使用三层网格验证法：
基础网格（Coarse）：如100万网格
中等网格（Medium）：在基础网格上加密30-50%
精细网格（Fine）：再加密30-50%
判断标准：
当计算结果随着网格加密的变化率逐渐减小时，可认为结果收敛。
若中等网格和精细网格的计算结果偏差在误差影响范围内，那么可以使用中等网格的结果来提高计算效率。
注意：
加密应当系统性地进行（整体加密或关键区域加密）
同时观察流场细节的变化，而不仅是宏观参数
关于使用workbench参数化来进行网格独立性
检验的方法在下面的历史文章中
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与实验或参考数据有合理一致性
这是验证仿真结果是否收敛的最终试金石。对于实验结果与仿真的对标，有几种方法可以验证结果的收敛
定量对比：
将CFD预测的关键参数与实验测量值进行偏差分析
定性对比：
比较流场结构、分离点位置等特征
趋势对比：
验证参数随工况变化的趋势是否一致
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总结
好的CFD结果不在于残差曲线多么漂亮，而在于能否经得起这五个方面的系统检验。
最后送大家一句CFD箴言："残差易画，收敛难求；网格易加，真理解忧。"
祝大家，收敛快乐！
