亚松弛因子对仿真计算的影响

有道友在星球问亚松弛因子对计算结果的影响的问题，干脆就随便聊聊。

在 Fluent 中，亚松弛因子（Under-Relaxation Factors, URFs）的主要作用是控制变量在迭代过程中的更新幅度，以维持数值稳定性。

亚松弛因子是否会影响计算结果，现说结论：在计算收敛的前提下，亚松弛因子不影响最终的稳态解；但它会影响收敛速度、收敛性，以及瞬态计算的精度。随便找本计算流体力学或数值分析的教材，基本都有关于这方面的数学证明。但在实际的应用过程中，却经常会发现亚松弛因子对计算结果产生影响。这里有个很重要的限定词：计算收敛。只有在计算收敛的情况下，松弛因子才不会对计算结果产生影响。

1. 稳态计算 (Steady-state)

对于收敛的稳态模拟，亚松弛因子不会影响最终结果。

• 物理方程： 稳态计算求解的是控制方程  。亚松弛只是改变了从第  步到第  步的路径：（其中为亚松弛因子)。
• 数学终点： 当残差足够小、计算完全收敛时，更新量  趋近于 0。此时无论  取值是多少，最终得到的物理场  都是满足控制方程的唯一解（或多解中的一个)。
• 异常情况： 如果亚松弛因子设置过大导致计算发散，或设置过小导致残差“假收敛”（残差平动但未真正达到物理平衡），则会得到错误的结果。

2. 瞬态计算 (Transient/Unsteady)

在瞬态计算中，亚松弛因子的影响更为复杂：

• 每个时间步内： 瞬态计算在每个时间步内进行子迭代。如果子迭代次数足够多，使得在该时间步内达到完全收敛，则亚松弛因子不影响结果。
• 收敛程度： 如果亚松弛因子设置得太小，导致在规定的最大子迭代次数内（如 20 步）无法收敛，那么当前时间步的物理量更新就不彻底，误差会累积到下一个时间步，从而影响最终的时间演变结果和精度。

3. 亚松弛因子的影响

虽然不改变最终收敛的结果，但松弛因子通过以下方式间接影响仿真过程：

• 收敛速度：
• 因子越大，步长越大，理论上收敛越快，但容易引起震荡。
• 因子越小，步长越保守，计算过程越稳健，但达到收敛所需的迭代次数成倍增加。
• 非线性耦合：
• 在涉及能量、化学反应或复杂湍流模型时，过大的亚松弛因子会导致压力、速度和温度场的解耦，从而引发计算发散。
• 多解性问题：
• 对于具有高度非线性（如分叉流）的问题，不同的亚松弛路径可能引导计算收敛到不同的物理稳态解（例如不同的旋涡结构）。

4. 操作建议

• 默认值优先： 通常建议先使用 ANSYS Fluent 推荐的默认值。
• 动态调整： 如果计算初期残差震荡，可以适当调小（如减半）；待残差下降趋于平稳后，再调大以加速收敛。
• 收敛判定： 不要仅依赖计算残差。应同时监控目标物理量（如出口流量、压力、受力等）的报告图表 (Report Plots)，确保物理量不再随迭代变化，此时的结果才真正与亚松弛因子无关。

（完）