求解器设置模块手册
1. 模块概述
模块名称：求解器设置模块
功能说明：此模块是TFluid仿真的核心控制中心，用于配置求解器的物理模型、计算方法和数值参数。通过本模块的设置，用户可以根据具体仿真需求选择合适的物理模型、湍流模型和计算策略，确保仿真结果的准确性和计算效率。
模块重要性：求解器设置直接决定仿真的物理准确性、计算稳定性和求解效率。合理的设置能够显著提高收敛速度和计算精度，而不当的设置可能导致计算发散或结果不可信。
2. 应用模块选择
2.1. 增材制造模块
选项：
- ○ 关闭
- ○ 粉末床激光熔融LPSF
- ○ 定向能量沉积DED
- ○ 粘结剂成型BJ
参数含义：选择增材制造（3D打印）仿真专用模块，针对不同打印工艺提供相应的物理模型和边界条件。
设置指南：
| 选项 | 适用场景 | 物理模型特点 |
|---|---|---|
| 关闭 | 非增材制造仿真 | 不激活增材制造相关模型 |
| 粉末床激光熔融LPSF | 金属粉末床熔融工艺 | 包含粉末床热传导、熔池流动、相变等模型 |
| 定向能量沉积DED | 定向能量沉积工艺 | 考虑送粉过程、熔池对流、多道沉积、温度历史 |
| 粘结剂成型BJ | 粘结剂喷射成型工艺 | 模拟粘结剂渗透、粉末润湿、固化过程 |
2.2. 岩土模块
选项：
- ○ 关闭
- ○ 土壤液化
- ○ 上层冲刷
参数含义：选择岩土工程相关的特殊物理模型。
设置指南：
| 选项 | 适用场景 | 物理模型特点 |
|---|---|---|
| 关闭 | 非岩土工程仿真 | 不激活岩土相关模型 |
| 土壤液化 | 地震荷载下的土壤液化分析 | 包含孔隙水压力模型、有效应力原理、液化模型构建 |
| 土层冲刷 | 水流对河床/海底的冲刷 | 考虑泥沙输运、床面剪切力、冲刷深度计算 |
3. 基础模块设置
3.1. 流体相
选项：
- ○ 单相流
- ○ 两相流
参数含义：确定仿真中涉及的流体相数。
设置指南：
| 选项 | 适用场景 | 数学模型 |
|---|---|---|
| 单相流 | 单一流体介质 | 标准Navier-Stokes方程 |
| 两相流 | 气液、气固、液液等两相流 | 多相流模型（VOF算法） |
3.2. 传热模块
选项：
- ○ 关闭
- ○ 开启
参数含义：激活或关闭能量方程，控制是否计算温度场和热传递。
设置指南：
| 选项 | 适用场景 | 计算内容 |
|---|---|---|
| 关闭 | 等温流动、绝热流动 | 仅求解动量和连续性方程 |
| 开启 | 涉及温度变化、热交换的流动 | 求解能量方程，计算温度分布、热传导、对流换热 |
3.3. 多孔介质模块
界面显示：多孔介质模块：（选项未显示）
参数含义：激活多孔介质模型，用于模拟流体在多孔材料（如滤网、填料床、土层）中的流动。
功能模块：开启后，界面会开放多孔介质相关内容
3.4. 输运模型
选项：
- ○ 关闭
- ○ 无扩散输运
参数含义：控制标量输运（如浓度、组分）的计算方法。
设置指南：
| 选项 | 适用场景 | 数学模型 |
|---|---|---|
| 关闭 | 不涉及标量输运的仿真 | 不求解输运方程 |
| 无扩散输运 | 纯对流输运（如示踪剂、污染物） | 仅考虑对流项，忽略扩散项 |
3.5. 湍流模块
选项：
- ○ 关闭
- ○ 大涡LES-WALI模型
- ○ 大涡LES-Sigma模型（仅支持三维算例）
- ○ RANS-k-epsilon模型
参数含义：选择湍流模型，用于模拟湍流流动的统计特性或瞬态结构。
设置指南：
| 选项 | 适用场景 | 特点与限制 |
|---|---|---|
| 关闭 | 层流流动 | 不计算湍流效应，适用于低雷诺数流动 |
| 大涡LES-WALI模型 | 高精度瞬态湍流仿真 | 直接解析大尺度涡，模拟小尺度涡，计算量大，需要精细网格 |
| 大涡LES-Sigma模型 | 三维高精度湍流仿真 | 特殊的亚格子模型，仅适用于三维计算，稳定性较好 |
| RANS-k-epsilon模型 | 工程湍流计算 （最常用） | 求解平均流场，计算效率高，适用于大多数工业流动 |
模型选择建议：
- 工程计算：首选RANS-k-epsilon模型
- 高精度瞬态：选择大涡LES模型（需足够网格分辨率）
- 层流验证：选择关闭，确认是否为层流状态
3.6. CFD-DEM耦合模块
选项：
- ○ 关闭
- ○ 全解析耦合
- ○ 未/半解析耦合
- ○ 混合耦合（未/半解析+全解析）
参数含义：选择计算流体力学与离散元法耦合的算法，用于模拟流体与颗粒的相互作用。
设置指南：
| 选项 | 适用场景 | 计算原理 |
|---|---|---|
| 关闭 | 纯流体或无颗粒的仿真 | 不激活DEM耦合 |
| 全解析耦合 | 高精度颗粒-流体相互作用 | 每个颗粒的受力完全解析，计算精度高但计算量大 |
| 未/半解析耦合 | 大量颗粒的工程计算 | 颗粒受力通过经验关联式计算，计算效率高 |
| 混合耦合 | 复杂颗粒系统 | 部分颗 粒全解析，部分半解析，支持大级配颗粒问题，颗粒使用的耦合模式在颗粒流模块设置 |
3.7. 颗粒形状
选项：
- ○ 球形
- ○ 非球形
- ○ 混合（球形+非球形）
参数含义：定义离散元中颗粒的几何形状。
设置指南：
| 选项 | 适用场景 | 计算复杂度 |
|---|---|---|
| 球形 | 球形或近似球形的颗粒 | 计算简单，接触检测高效 |
| 非球形 | 椭球、圆柱、多面体等非球形颗粒 | 需要更复杂的接触检测算法，计算量取决于非球形颗粒的面片数 |
| 混合 | 包含多种形状的颗粒系统 | 综合球形和非球形的处理方法 |
4. 计算设置
4.1. 求解器迭代次数
参数含义：定义求解器在每个时间步内的PIMPLE 算法迭代次数。 设置说明：
- 外循环：固定为1
- 内循环：一般3-4即可
- 非正交修正：若有非正交网格或自适应网格，设置为2-3 设置建议：
- 正交网格：外循环1，内循环3-4，非正交修正1
- 非正交网格/自适应网格：外循环1，内循环3，非正交修正2-3
4.2. 自适应网格
参数含义：启用自适应网格技术，根据流场特征自动加密或粗化网格。 常见选项：开启则进行一级自适应加密
4.3. 自适应网格二级加密
参数含义：开启则进行二级自适应加密
4.4. 哈希格尺寸（碰撞检测）
参数含义：定义用于DEM碰撞检测的哈希网格单元尺寸，此为相较于网格尺寸的倍数。 注意：默认值为2，该值越大，碰撞检测越耗时，但稳定性更强。 设置建议：
- 全解析CFD-DEM：设置为2-5
- 半解析CFD-DEM：设置为0.5
- 未解析CFD-DEM：设置为0.25
- 混合模式的CFD-DEM：按上述最小值取，若包含未解析，则设置为0.25，若包含半解析，则设置为0.5
4.5. 哈希格尺寸（体积分数计算）
参数含义：定义用于计算颗粒体积分数的哈希网格单元尺寸。 注意：该值只对全解析耦合生效，且该值越大，计算越耗时，但稳定性更强。 设置建议：
- 全解析CFD-DEM：默认为2，设置为2-10，可根据不同算例进行测试
4.6. 体积分数迭代次数
参数含义：计算颗粒体积分数使用，在算法中，只会对STL结构边界计算体积分数，内部需要进行迭代，可根据STL结构的大小，设定相应的内部的迭代次数。 注意：该值只对全解析耦合生效。 设置建议：
- 根据结构物的尺寸决定，可以在可视化的过程中查看结果并进行调整。
6.2.2 算法介绍
- 速度-压力求解：半隐式PISO算法，结合rhie-chow插值；
- 两相流 求解：基于MULES的VOF算法；
- 传热：传统的由能量方程得到的温度方程；
- 全解析CFD-DEM：浸没边界法（IBM），可参考论文： （1）Lai Z.S., Zhao J.D., et al.Signed distance field enhanced fully resolved CFD-DEM for simulation of granular flows involving multiphase fluids and irregular-shaped particles. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 414 (2023): 116195. （2）Nguyen, Giang T., et al. "Interface control for resolved CFD-DEM with capillary interactions." Advanced Powder Technology 32.5 (2021): 1410-1425.
- DEM接触算法：A Barrier Method for Frictional Contact，可参考论文： （1）Zhao, Yidong, et al. "A barrier method for frictional contact on embedded interfaces." Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 393 (2022): 114820.
- 耦合CFD-DEM+传热：A Semi-coupled Resolved CFD-DEM，可参考论文： （1）Yu T., Zhao J.D. (2021). Semi-coupled resolved CFD-DEM simulation of powder-based selective laser melting for additive manufacturing. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 377: 113707.
6.2.3 选择迭代次数
- 正交网格推荐：外循环：1次，内循环：3-4次，非正交修正：1次；
- 非正交网格推荐：外循环：1次，内循环：3-4次，非正交修正：2次；
6.2.4 自适应网格
- 根据自己需求选择打开或关闭；
6.2.5 定义哈希 格尺寸
- 哈希格尺寸默认为2，一般情况下都够用，除非是空心颗粒，可根据实际情况修改测试；
- 修改哈希格尺寸时，需保证哈希格尺寸大于等于2；
- 哈希格尺寸越大，邻域搜索所需要的的遍历次数变多，计算速度变慢，但碰撞检测会更精准；