残差范数

在数值解期间,Simcenter STAR-CCM+ 可用于通过不同范数监视残差矢量、求解增量和能量增量。

在每次迭代 i 时,Simcenter STAR-CCM+ 都会通过求解线性方程组计算求解更新 ΔuiN

1. EQUATION_DISPLAY
KiΔui=ri
(4833)

使用牛顿迭代。 K i N × N r i N 分别表示第 i 次迭代时的材料相切矩阵和残差矢量,其中 N 为系统大小(即,自由度总数)。

对于固体应力求解器, r i Δ u i 表示残余力和位移增量。对于有限元固体能量求解器,它们表示残余通量和温度增量。对于有限元磁矢势求解器,它们表示残差(与电流负载相关)和磁矢势增量。

每次迭代后,求解器计算残差 (ri)、变量增量 (Δui) 和能量增量 (Wi) 的范数。指定后,这些范数将根据为第一次迭代计算的范数值进行标准化:

2. EQUATION_DISPLAY
ri¯=rir1;Δui¯=ΔuiΔu1;Wi¯=WiW1
(4834)

可使用不同的方法计算残差矢量 r i 和变量增量矢量 Δ u i 的范数(请参见残差和变量增量范数),而能量增量 W i 则计算为变量增量矢量和残差矢量之间的内积(请参见能量增量)。在固体应力应用中, W i 叫做应变能;在固体能量应用中, W i 叫做热电势;在电磁应用中, W i 为磁能增量。

残差和变量增量范数

Simcenter STAR-CCM+ 可用于通过三个不同的范数监视残差和主变量增量。为了简化表示,以下范数定义考虑使用常规矢量 a 表示第 i 次迭代时的变量增量 Δui 或残差 ri

a 的分量由 aj 表示并且 j=1,...,N,其中,N 为矢量大小(即,系统自由度的总数,Eqn. (4833))。

最大范数
矢量 a 的最大范数为其分量 aj 的最大绝对值:
3. EQUATION_DISPLAY
amax=maxj=1,...,N(|aj|)
(4835)
L1 范数

矢量 aL1 范数为其分量 aj 的绝对值的算术平均值:

4. EQUATION_DISPLAY
aL1=1Nj=1N|aj|
(4836)
欧几里德范数
矢量 a 的欧几里德范数或 L2 范数为根据自身分量数进行标准化的 a 的欧几里德长度:
5. EQUATION_DISPLAY
aL2=1Nj=1Naj2
(4837)

能量增量

Simcenter STAR-CCM+ 将添加到某次牛顿方法迭代中的能量增量计算为:

6. EQUATION_DISPLAY
Wi=12j=1NΔujirji
(4838)

其中,Δujirji 为第 i 次迭代时的变量增量矢量和残差矢量的分量,N 为矢量大小。