131、Fluent单精度和双精度的区别及如何选择？

在做Fluent仿真时，很多同学会注意到单精度(Single Precision)和双精度(Double Precision)的选项。大部分同学肯定就直接选择双精度了，觉得计算更精确一些。

当然这种说法没问题，但是总是感觉不够清晰，今天我们来详细说一说两者到底有什么区别

先说结论：大部分情况下单精度和双精度的区别很小。但是有一些特殊情况只能使用双精度。

怎么选择呢？直接无脑选择双精度就可以了，不需要想那么多。

1.1 数学上的区别

在 Fluent 中，单精度和双精度的区别在于 浮点数所占用的位数不同：

单精度

使用 32 位（4 字节）存储一个浮点数。

有效数字大约 6~7 位十进制。

例如：3.14159265358979 在单精度下会被存储为大约 3.141593。

双精度

使用 64 位（8 字节）存储一个浮点数。

有效数字大约 15~16 位十进制。

同样的数 3.14159265358979 在双精度下几乎不会丢失有效位。

1.2 在 Fluent 计算中的表现

单精度可能产生的误差

当几何或物理量的尺度差异很大时，小数部分容易被舍入。

双精度的优势

能处理更小的量级差异和更长的迭代累积计算。

在化学反应、声学模拟、多相流等小量级效应显著的问题中，双精度可避免误差积累导致的数值发散。

同时双精度可以将残差降到很低，比如在单精度下，残差可能卡在 1e-5 附近不下降，因为再往下已经超出了有效数字精度；换成双精度，残差可以继续收敛到 1e-7 甚至更低。

单精度和双精度的优缺点可以用下面的表格表述

Fluent帮助文档给了我们一些建议，对于大多数情况，单精度求解器已经能够提供足够的精度

但在某些类型的问题中，使用双精度版本可能更有优势。比如

3.1 几何尺度差异很大

如果模型几何中存在差异极大的特征尺寸（例如一根非常细长的管子），单精度计算可能不足以保证精度。

比如我们要模拟一个微通道换热器：

总长度：L = 1.0 m

通道宽度：W = 50 μm

长宽比：L/W = 20,000:1

对于坐标 x = 0.9999995 m 的点，单精度只能表示为 x ≈ 1.000000 m，5 μm 的差异被舍入误差"吃掉"了

注：即便用单精度版本，几何坐标依然是双精度存储的，所以不用担心几何精度丢失。

3.2 存在多个腔体并通过细管连接

如果几何中包含多个腔体，并通过小直径管道相连（如汽车进气歧管），那么除了一个参考区域外，其他区域的平均压力水平都可能非常大（因为全局只能设置一个参考压力点）。

此时，驱动流动的压力差通常比绝对压力水平小得多，因此可能需要双精度计算来分辨这些微小的压力差。

3.3 高热导率比或高长宽比网格的共轭传热问题

在涉及高热导率比或高长宽比网格的共轭传热问题中，由于边界信息传递效率不高所致，使用单精度可能导致收敛性或计算精度下降。

比如电子芯片散热器共轭传热分析

在一块功率芯片上，芯片材料（如硅，热导率约 150 W/m·K）通过导热硅脂（热导率仅 1~5 W/m·K）与散热器（铝合金，热导率约 200 W/m·K）接触，最终将热量传到冷却空气中。

芯片厚度仅 0.5 mm，而散热器厚度可能有 5 cm，形成 高长宽比网格。同时材料热导率差异巨大。

在界面处，热流密度和温度梯度差异极大。单精度可能会在传递边界温度和热流时丢失小量，导致局部温度场“跳动”或收敛困难。结果表现为：残差震荡、温度分布不平滑，甚至解发散。

3.4 采用群体平衡模型PBM的多相流问题

在多相流模拟中，如果使用群体平衡模型来求解颗粒粒径分布，那么统计矩的数值可能会跨越多个数量级。

在这种情况下，双精度能更好地保证结果精度。

以Chpater129为例，完全相同的设置，我们再使用单精度计算一次。

单精度残差

双精度残差

单精度结果

双精度结果

单精度结果

双精度结果

我们会发现两者的残差明显不同，双精度残差可以达到1e-6，而单精度只能达到1e-4

但两者的计算结果几乎没有区别，正如帮助文档所说，大部分情况下两者的区别确实很小。

但是总有一些情况是只适合双精度的。也就是说，双精度肯定可以，单精度大部分情况可以。

前面说了，大部分情况下单精度和双精度的区别很小。但是有一些特殊情况只能使用双精度。那么我们到底选择单精度还是双精度呢？

我觉得大部分情况下，直接无脑选择双精度就可以了，不需要想那么多。

至于什么计算速度或者内存之类的问题，反正是电脑算，又累不着我们。

 

当然如果想要更精确同时还要快速的计算，也可以考虑：

• 前期收敛用单精度：快速得到一个接近真实的流场分布。

• 后期切换为双精度：提高计算精度，消除舍入误差，让结果更可靠。

相当于把单精度的计算结果当成双精度的初始值。这样既能节省时间，又能保证最终结果的准确性。

但是似乎还有一种情况：使用双精度收敛性很差，甚至难以收敛，使用单精度反而收敛性变好了。不知道是什么原因！