SOLIDWORKS Flow Simulation利用流动冻结加速稳态流动仿真

稳态流动仿真会耗费大量时间重复计算已经趋于稳定的流场。SOLIDWORKS Flow Simulation 的流动冻结（Flow Freezing）功能停止对已稳定流场的重复求解，让求解器专注于耗时更长的物理过程 —— 本例为两种气体的混合过程。在本次测试中，过早冻结（50 次迭代）用时最短，但混合结果精度失真；在 100 次迭代时开启冻结，计算速度提升 36%，结果偏差控制在基准值的 5% 以内。核心经验：务必等待流场充分发展后再启用流动冻结。

稳态混合仿真耗时居高不下的原因

在混合仿真场景中，浓度场达到稳定所需的计算时长，往往远大于流场建立稳定状态的时长。流场稳定之后仍持续重复求解，会显著增加计算耗时，却无法带来更多有效信息。

SOLIDWORKS Flow Simulation 的流动冻结功能适用于这类场景。通过冻结压力场与速度场的求解，求解器可以持续聚焦扩散这类变化更缓慢的物理过程。在本例中，该分析计算速度提升 36%，与基准结果偏差小于 5%。

背景：气体混合器算例

本算例以一台气体混合器为对象，研究两种气体的混合效果。氮气与氧气分别从独立入口进入混合器，在腔体内流动混合后，经由单一出口流出。

算例目标是确定出口截面处气体混合的均匀程度，同时评估流动冻结对求解时长与计算精度带来的影响。

图 1：氧气与氮气从底部入口流入，穿过多孔混合板，最终以混合气体形式从顶部流出。

仿真设置

该气体混合器包含两个独立入口。氧气入口质量流量为 0.03 kg/s，氮气入口质量流量为 0.02 kg/s。两股气流在混合器内部流动混合，之后从同一个出口流出。

仿真目标是评估出口位置的混合品质。如果气体实现理想均匀混合，出口面上所有位置的氧气质量分数均为 0.60。但在该混合器内，部分区域氧气浓度会偏高，部分区域偏低。

为使用单一数值量化这种不均匀程度，采用氧气质量分数区间值。该区间值为出口截面氧气质量分数最大值与最小值之差。区间值越小，代表混合越均匀；理想状态下区间值等于 0，代表出口面上各处气体浓度完全一致。

图 2：氧气与氮气两股气流的质量流量保持恒定，依据质量守恒定律，出口质量流量为确定值。

关闭流动冻结：基准算例

第一组仿真关闭流动冻结，作为结果对比基准。

该算例 CPU 计算耗时 308 秒。出口处氧气质量分数分布区间为 0.36～0.78，氧气质量分数区间值为 0.42。其余两组仿真结果均以此作为对比基准。

图 3：关闭流动冻结的仿真结果。算例耗时 308 秒，得到质量分数区间值 0.42。

第 50 次迭代启用永久流动冻结

第二组仿真使用永久流动冻结（Permanent Flow Freezing），从第 50 次迭代开始执行冻结。

图 4：流动冻结开启路径：【计算控制选项】>【求解】。

该算例 CPU 耗时 133 秒，相比关闭流动冻结的算例提速约 57%。但氧气质量分数区间值从基准的 0.42 变为 0.63，偏差达到 50%。

氧气质量分数区间值与基准结果出现明显差异，说明流场在尚未充分发展的阶段就被冻结。

图 5：第 50 次迭代开启流动冻结的仿真结果。算例耗时 133 秒，得到质量分数区间值 0.63。

第 100 次迭代启用永久流动冻结

第三组仿真同样采用永久流动冻结策略，但允许流场先完成 100 次迭代发展。该算例 CPU 耗时 198 秒，相比 308 秒的基准算例提速约 36%。

氧气质量分数区间值为 0.40，基准值为 0.42，偏差小于 5%。这说明，在冻结前预留充足时间让流场发展，可以在计算耗时与混合结果精度之间取得更好的平衡。

图 6：第 100 次迭代开启流动冻结的仿真结果。算例耗时 198 秒，得到质量分数区间值 0.40。

周期性流动冻结适用场景

永久流动冻结适合速度场可以固定不变的工况。但部分工况下，速度场仍然需要跟随温度或组分浓度的变化而调整，自然对流就是典型场景。

这类工况可以选用周期性流动冻结（Periodic Flow Freezing）。该模式不会永久冻结流场，而是按照设定周期重新计算速度场。用户可以指定流场保持冻结的迭代步数，以及重新求解流场的迭代步数。当流场变化快于温度场、浓度场，但又需要定时更新流场时，该模式非常适用。

结论：流场充分发展后再执行冻结

气体混合器算例展示了流动冻结缩短稳态混合仿真计算时间的效果。

未开启流动冻结的基准算例耗时 308 秒；从第 50 次迭代开启永久流动冻结，CPU 耗时降至 133 秒，但氧气质量分数区间结果和基准偏差很大；从第 100 次迭代开启流动冻结，耗时 198 秒，计算结果与基准算例高度接近。

图 7：三组算例运行时长对比。关闭流动冻结耗时最长，第 50 次迭代开启流动冻结耗时最短。

结果表明，冻结时机与计算耗时之间存在权衡关系。冻结开启过早虽然节省更多时间，但流场可能尚未充分发展。

因此使用流动冻结时，必须等待流场充分发展之后再执行冻结。针对不同仿真模型，需要测试不同迭代起点，找到合适的冻结时机。

对于流场发展速度远快于浓度场的稳态混合问题，流动冻结是高效的优化手段，在缩短计算时长的同时，允许变化缓慢的混合过程发展至稳定状态。

图 8：尽管第 50 次迭代开启流动冻结耗时最短，但计算结果和基准偏差显著；第 100 次迭代开启冻结，在大幅缩短时长的同时保证结果贴近基准。

流动冻结同样支持瞬态算例。瞬态场景示例可以参阅智诚科技ICT 相关博文，该案例将永久流动冻结应用于锤头冷却仿真。

如果您希望在自己的仿真项目中使用流动冻结，欢迎联系智诚科技ICT 咨询。

常见问题解答

SOLIDWORKS Flow Simulation 中的流动冻结是什么？

流动冻结在流场发展稳定后冻结压力场与速度场求解，让求解器持续处理扩散这类变化缓慢的物理过程。适合流场远早于浓度场达到稳定的混合仿真场景。

在气体混合器案例中，流动冻结节省了多少计算时间？

关闭流动冻结的基准算例 CPU 耗时 308 秒；第 50 次迭代开启永久流动冻结耗时 133 秒，提速约 57%；第 100 次迭代开启永久流动冻结耗时 198 秒，提速约 36%。

冻结时机过早是否会影响精度？

会。第 50 次迭代开启冻结，氧气质量分数区间值从基准 0.42 变为 0.63，偏差 50%；第 100 次迭代开启冻结得到区间值 0.40，偏差小于 5%。由此可见，预留足够时间让流场发展，能够兼顾计算速度与精度。

流动冻结应当从何时开启？

等待流场充分发展之后再开启冻结。冻结过早虽然省时间，但流场尚未充分建立。针对特定仿真，需要测试不同迭代起点来确定合适时机。

流动冻结在哪里设置？

路径：【计算控制选项】>【求解】。在气体混合器案例中，冻结策略设置为永久冻结，冻结起始迭代分别设置为 50 次与 100 次。

什么场景更适合周期性流动冻结？

当速度场仍然需要响应温度或者组分浓度变化时（例如自然对流），适合使用周期性流动冻结。该模式按固定周期重新计算速度场，由用户指定冻结迭代步数和重新求解迭代步数。