研究和求解器更新

COMSOL Multiphysics® 5.4 版本采用新的内存分配机制,大幅提升了 Windows® 平台上使用市面上流行的新型处理器的求解速度,以下新增功能使 CFD 仿真速度提升高达 15%:矩阵稀疏模式重复利用、对参数组的“参数化扫描”以及“参数化扫描”优化。请阅读以下内容,进一步了解有关研究和求解器的所有更新功能。

Windows® 操作系统上的求解速度提高数倍

新版本采用一种新的、更有效的内存分配方法,对于 Windows® 操作系统上的某些处理器架构,求解器的总体性能提升了数倍。不过,这一性能改进仅适用于较新型的处理器架构(至少八个内核)。在 macOS 和 Linux® 操作系统上,先前的版本已经达到这一性能级别。

仿真速度提升 15%

在先前的 COMSOL Multiphysics® 版本中,通过重复利用之前的矩阵组装和求解器步骤中的数据来实现性能改进。发展到当前的最新版本,新的求解器功能已经可以重用先前步骤中的系统矩阵稀疏模式,这一点对于非线性和瞬态分析非常重要。尽管该功能占用的内存比之前稍多一些(通常多几个百分点),但能够使求解时间缩短 15%。默认情况下,在流体流动、传递现象和结构力学使用的许多物理场接口中,都已启用新的重用稀疏模式 选项。对于其他物理场,重用稀疏模式 选项默认被禁用,但您可以在高级 求解器节点的装配设置 栏中手动启用该选项。

“重用稀疏模式”选项屏幕截图。

启用/禁用 重用稀疏模式选项的求解器设置。

启用/禁用 重用稀疏模式选项的求解器设置。

对参数实例进行参数扫描

在 COMSOL Multiphysics® 5.4 版本中,您可以通过创建多个参数 节点,建立结构化参数。不仅如此,参数 节点还支持“实例”,您可以在不同的参数值集之间进行切换,而无需通过文件来导入导出这些参数值。参数化扫描 功能中新增了一个称为参数 Switch 的选项,用于扫描不同的参数“实例”。

COMSOL Multiphysics 5.4 版本中的“参数化扫描”设置屏幕截图。

材料和几何的两个 参数组,每个组包含两个值集;参数化扫描可用于求解所有四个“实例”的组合。

材料和几何的两个 参数组,每个组包含两个值集;参数化扫描可用于求解所有四个“实例”的组合。

参数化扫描优化

您现在可以优化常规的参数化扫描 研究,包括优化几何尺寸扫描。在优化问题中不仅需要考虑一个或多个控制参数,还需要考虑多个固定参数值集时,此功能非常有用。请注意,此功能与我们常说的离散优化不同。

目标函数被解释为参数化扫描 研究求解结果的总和、最大值或最小值。新增用于控制目标定义的优化 设置称为外部解。在这一上下文中,外部解是对几何尺寸等参数执行参数化扫描的求解结果。与此相反,优化 设置中的内部解就是指通过瞬态特征频率辅助扫描 研究计算得到的。先前软件版本已支持对内部解进行优化。

内部解(特征频率解除外)支持使用基于梯度的优化方法。涵盖参数化扫描的新功能仅支持使用无梯度优化方法。新版本还支持同时运行参数化扫描 研究和优化 研究;此功能可用于为每个外部参数求解一个优化问题。

显示“优化研究”的“外部解”设置的屏幕截图。

优化参数化扫描研究结合使用,其中,优化研究新增了 外部解设置。

优化参数化扫描研究结合使用,其中,优化研究新增了 外部解设置。

自适应网格细化解容器

与参数化扫描功能类似,使用自适应网格划分进行求解时,自适应方法现在可以将解存储到容器节点中。系统会自动添加网格细化水平参数,由于现在可以从一个数据集得到所有解,因此可以更方便地对结果进行比较。

在模型中使用“自适应网格细化”数据集的演示示例。

“点源”模型中的绘图,其中将新的“自适应网格细化”数据集用于网格自动细化的解。

“点源”模型中的绘图,其中将新的“自适应网格细化”数据集用于网格自动细化的解。

降阶模型输入移至定义

降阶模型的模型输入 声明已从模型降阶 研究移至全局定义 节点。您现在可以在一个位置定义将用于降阶模型和非降阶模型的降阶模型变量表达式。当通过模型降阶 研究构建降阶模型时,将使用训练表达式值。目前,这一训练值仍在研究级别指定。

“全局降阶模型输入”设置屏幕截图。

thermal_controller_rom 模型中两个 全局降阶模型输入及其表达式的明细。降阶模型输入的训练表达式仍在 模型降阶研究中指定。

thermal_controller_rom 模型中两个 全局降阶模型输入及其表达式的明细。降阶模型输入的训练表达式仍在 模型降阶研究中指定。

新增 TFQMR 迭代线性求解器

新版本为线性方程新增了一种迭代方法:TFQMR,即无转置准最小残差 (QMR) 法。QMR 系列方法仅存储固定数量的解矢量,与迭代次数无关,并且从某种意义上来说,残差已被最小化。因此,QMR 的作用与 GMRES 类似,但无需重启矢量。该方法的缺点是需要更多的迭代次数才能收敛(在矩阵和预条件器相同的情况下),但每次迭代的计算成本都低于使用 GMRES 的成本,因此,对于特定的矩阵,无法预测哪种方法更快。然而,与 GMRES 相比,QMR 使用的内存较少,尤其对于为实现收敛而需要增加 GMRES 重启次数(默认为 50 次)的情况。无法使用多重网格或其他高质量预条件器的计算均属于这种计算类型。

COMSOL Multiphysics 5.4 版本中使用 TFQMR 求解器的模型。 对于采用环氧绝缘漆的“螺旋线圈”模型,新的 TFQMR 求解器(使用 SSOR 预处理)用于求解此模型的线性单元版本(含 901000 个自由度)。计算需要 2.8 GB 内存,时间为 656 秒;而采用 GMRES 时,需要 13.4 GB 内存,时间为 1242 秒。 对于采用环氧绝缘漆的“螺旋线圈”模型,新的 TFQMR 求解器(使用 SSOR 预处理)用于求解此模型的线性单元版本(含 901000 个自由度)。计算需要 2.8 GB 内存,时间为 656 秒;而采用 GMRES 时,需要 13.4 GB 内存,时间为 1242 秒。

直接线性求解器的默认误差估计因子得到修正

修改了应用于直接求解器的误差估计因子 默认值,新的默认值为 1,之前为 400。此更改仅适用于直接求解器用作主求解器的情况,而当它用作预条件器的一部分时,默认值已设为 1。请注意,此更改使线性求解器误差估计值减小了 400 倍,有效简化了误差测试。一般来说,使用新的默认值可以使误差估计更为准确,并能避免不必要的迭代细化和警告/错误。

更强大的自动牛顿求解器实现自动缩放变量

在某些非线性仿真中,使用自动缩放方法很难确定因变量比例,并且它们在非线性迭代过程中还会发生显著变化。新版本针对自动缩放的因变量提供了一种新方法,现在可以更新用于测量自动阻尼牛顿法中的误差的权重。在更新权重后,系统会重启牛顿求解器。这一功能不仅使自动牛顿求解器更加稳定,还可以减少总迭代次数。但与不重启求解器相比,重启操作有增加迭代次数的风险。鉴于此,默认情况下并未启用这个新方法。您可以在“稳态求解器”下的全耦合分离步 节点的方法和终止 栏中,将更新自动比例权重 设为使用权重阈值 来启用这一新方法。

显示“全耦合”设置中“使用权重阈值”选项的屏幕截图。

用于自动阻尼牛顿法的 使用权重阈值设置。

用于自动阻尼牛顿法的 使用权重阈值设置。

Linux 是 Linus Torvalds 在美国和其他国家/地区的注册商标。macOS 是 Apple Inc. 在美国和其他国家/地区的商标。Microsoft 和 Windows 是 Microsoft Corporation 在美国和/或其他国家/地区的注册商标或商标。