淺談FLUENT

CFD商業軟件FLUENT是通用CFD軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動。由于采用了多種求解方法和多重網格加速收斂技術，因而FLUENT能達到最佳的收斂速度和求解精度。靈活的非結構化網格和基于解的自適應網格技術及成熟的物理模型，使FLUENT在轉換與湍流、傳熱與相變、化學反應與燃燒、多相流、旋轉機械、動/變形網格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛的應用。

1　FLUENT軟件特點簡介

2006年5月，FLUENT成為全球最大的CAE軟件供應商——ANSYS大家庭中的重要成員。所有的FLUENT軟件都集成在ANSYS Workbench環境下，共享先進的ANSYS公共CAE技術。

FLUENT是ANSYS CFD的旗艦產品，ANSYS加大了對FLUENT核心CFD技術的投資，確保FLUENT在CFD領域的絕對領先地位。ANSYS公司收購FLUENT以后做了大量高技術含量的開發工作，具體如下。

內置六自由度剛體運動模塊配合強大的動網格技術。

領先的轉捩模型精確計算層流到湍流的轉捩以及飛行器阻力精確模擬。

非平衡壁面函數和增強型壁面函數加壓力梯度修正大大提高了邊界層回流計算精度。

多面體網格技術大大減小了網格量并提高計算精度。

密度基算法解決高超音速流動。

高階格式可以精確捕捉激波。

噪聲模塊解決航空領域的氣動噪聲問題。

非平衡火焰模型用于航空發動機燃燒模擬。

旋轉機械模型加虛擬葉片模型廣泛用于螺旋槳旋翼CFD模擬。

先進的多相流模型。

HPC大規模計算高效并行技術。

圖1為一個FLUENT的計算圖例，是FLUENT在航空領域的應用實例，顯示了飛機滑行過程中起落架附近的渦流分布。

圖1　FLUENT的計算圖例

1.1　網格技術

計算網格是任何計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）計算的核心，它通常把計算域劃分為幾千甚至幾百萬個單元，在單元上計算并存儲求解變量。FLUENT使用非結構化網格技術，這就意味著可以有各種各樣的網格單元，具體如下。

二維的四邊形和三角形單元。

三維的四面體核心單元。

六面體核心單元。

棱柱和多面體單元。

這些網格可以使用FLUENT的前處理軟件Gambit自動生成，也可以選擇在ICEM CFD工具中生成。

在目前的CFD市場上，FLUENT以其在非結構網格的基礎上提供豐富的物理模型而著稱，主要有以下特點。

（1）完全非結構化網格。

FLUENT軟件采用基于完全非結構化網格的有限體積法，而且具有基于網格節點和網格單元的梯度算法。

（2）先進的動/變形網格技術。

FLUENT軟件中的動/變形網格技術主要解決邊界運動的問題，用戶只需指定初始網格和運動壁面的邊界條件，余下的網格變化完全由解算器自動生成。FLUENT解算器包括NEKTON、FIDAP、POLYFLOW、ICEPAK以及MIXSIM。

網格變形方式有3種：彈簧壓縮式、動態鋪層式以及局部網格重生式。其中，局部網格重生式是FLUENT所獨有的，而且用途廣泛，可用于非結構網格、變形較大問題以及物體運動規律事先不知道而完全由流動所產生的力所決定的問題。

（3）多網格支持功能。

FLUENT軟件具有強大的網格支持能力，支持界面不連續的網格、混合網格、動/變形網格以及滑動網格等。值得強調的是，FLUENT軟件還擁有多種基于解的網格的自適應、動態自適應技術以及動網格與網格動態自適應相結合的技術。

1.2　數值技術

在FLUENT軟件當中，有兩種數值方法可以選擇：基于壓力的求解器和基于密度的求解器。

從傳統上講，基于壓力的求解器是針對低速、不可壓縮流開發的，基于密度的求解器是針對高速、可壓縮流開發的。但近年來這兩種方法被不斷地擴展和重構，這使得它們突破了傳統上的限制，可以求解更為廣泛的流體流動問題。

FLUENT軟件基于壓力的求解器和基于密度的求解器完全在同一界面下，確保FLUENT對于不同的問題都可以得到很好的收斂性、穩定性和精度。

基于壓力的求解器采用的計算法則屬于常規意義上的投影方法。在投影方法中，首先通過動量方程求解速度場，繼而通過壓力方程的修正使得速度場滿足連續性條件。

由于壓力方程來源于連續性方程和動量方程，從而保證整個流場的模擬結果同時滿足質量守恒和動量守恒。

由于控制方程（動量方程和壓力方程）的非線性和相互耦合作用，所以需要一個迭代過程，使得控制方程重復求解直至結果收斂，用這種方法求解壓力方程和動量方程。

FLUENT軟件中包含以下兩種基于壓力的求解器。

（1）基于壓力的分離求解器。

如圖2所示，分離求解器順序地求解每一個變量的控制方程，每一個控制方程在求解時被從其他方程中“解耦”或分離，并且因此而得名。

分離求解器的內存效率非常高，因為離散方程僅僅在一個時刻需要占用內存，收斂速度相對較慢，因為方程是以“解耦”方式求解的。

工程實踐表明，分離求解器對于燃燒、多相流問題更加有效，因為它提供了更為靈活的收斂控制機制。

（2）基于壓力的耦合求解器。

如圖2所示，基于壓力的耦合求解器以耦合方式求解動量方程和基于壓力的連續性方程，它的內存使用量大約是分離求解器的1.5～2倍；由于以耦合方式求解，所以它的收斂速度具有5～10倍的提高。

基于壓力的耦合求解器同時還具有傳統壓力算法物理模型豐富的優點，可以和所有動網格、多相流、燃燒和化學反應模型兼容，同時收斂速度遠遠高于基于密度的求解器。

基于密度的求解器直接求解瞬態N-S方程（瞬態N-S方程在理論上是絕對穩定的），將穩態問題轉化為時間推進的瞬態問題，由給定的初場時間推進到收斂的穩態解，這就是通常說的時間推進法（密度基求解方法）。這種方法適用于求解亞音速、高超音速等流場的強可壓縮流問題，且易于改為瞬態求解器。

FLUENT軟件中基于密度的求解器源于FLUENT和NASA合作開發的RAMPANT軟件，因此被廣泛應用于航空航天工業。

FLUENT增加了AUSM和Roe-FDS通量格式，AUSM對不連續激波提供了更高精度的分辨率，Roe-FDS通量格式減小了在大渦模擬計算中的耗散，從而進一步提高了FLUENT在高超聲速模擬方面的精度。

圖2　分離求解器和耦合求解器的流程對比

1.3　物理模型

FLUENT軟件包含豐富而先進的物理模型，具體有以下幾種。

許多流體流動伴隨傳熱現象，FLUENT提供一系列應用廣泛的對流、熱傳導及輻射模型。對于熱輻射，P1和Rossland模型適用于介質光學厚度較大的環境；基于角系數的surface to surface模型適用于介質不參與輻射的情況；DO（Discrete Ordinates）模型適用于包括玻璃在內的任何介質。DRTM模型（Discrete Ray Tracing Module）也同樣適用。

太陽輻射模型使用光線追蹤算法，包含了一個光照計算器，它允許光照和陰影面積的可視化，這使得氣候控制的模擬更加有意義。

其他與傳熱緊密相關的模型還有汽蝕模型、可壓縮流體模型、熱交換器模型、殼導熱模型、真實氣體模型和濕蒸汽模型。

相變模型可以追蹤分析流體的融化和凝固。離散相模型（DPM）可用于液滴和濕粒子的蒸發及煤的液化。易懂的附加源項和完備的熱邊界條件使得FLUENT的傳熱模型成為滿足各種模擬需要的成熟可靠的工具。

FLUENT的湍流模型一直處于商業CFD軟件的前沿，它提供的豐富的湍流模型中有經常使用到的湍流模型，包括Spalart-Allmaras模型、k-ω模型組、k-ε模型組。

隨著計算機能力的顯著提高，FLUENT已經將大渦模擬（LES）納入其標準模塊，并且開發了更加高效的分離渦（DES）模型，FLUENT提供的壁面函數和加強壁面處理的方法可以很好地處理壁面附近的流動問題。

氣動聲學在很多工業領域中倍受關注，模擬起來卻相當困難，如今，使用FLUENT可以有多種方法計算由非穩態壓力脈動引起的噪聲，瞬態大渦模擬（LES）預測的表面壓力可以使用FLUENT內嵌的快速傅里葉變換（FFT）工具轉換成頻譜。

Ffowcs-Williams & Hawkings聲學模型可以用于模擬從非流線型實體到旋轉風機葉片等各式各樣的噪聲源的傳播，寬帶噪聲源模型允許在穩態結果的基礎上進行模擬，這是一個快速評估設計是否需要改進的非常實用的工具。

化學反應模型，尤其是湍流狀態下的化學反應模型在FLUENT軟件中一直占有很重要的地位，多年來，FLUENT強大的化學反應模擬能力幫助工程師完成了對各種復雜燃燒過程的模擬。

渦耗散概念、PDF轉換以及有限速率化學模型已經加入FLUENT的主要模型中：渦耗散模型、均衡混合顆粒模型、小火焰模型以及模擬大量氣體燃燒、煤燃燒、液體燃料燃燒的預混合模型。預測NOx生成的模型也被廣泛地應用與定制。

許多工業應用中涉及發生在固體表面的化學反應，FLUENT表面反應模型可以用來分析氣體和表面組分之間的化學反應及不同表面組分之間的化學反應，以確保準確預測表面沉積和蝕刻現象。

對催化轉化、氣體重整、污染物控制裝置及半導體制造等的模擬都受益于這一技術。FLUENT的化學反應模型可以和大渦模擬（LES）及分離渦（DES）湍流模型聯合使用，只有將這些非穩態湍流模型耦合到化學反應模型中，才有可能預測火焰穩定性及燃盡特性。

多相流混合物廣泛應用于工業中，FLUENT軟件是多相流建模方面的領導者，其豐富的模擬能力可以幫助工程師洞察設備內那些難以探測的現象，Eulerian多相流模型通過分別求解各相的流動方程的方法分析相互滲透的各種流體或各相流體，對于顆粒相流體，采用特殊的物理模型進行模擬。

很多情況下，占用資源較少的混合模型也用來模擬顆粒相與非顆粒相的混合。FLUENT可用來模擬三相混合流（液、顆粒、氣），如泥漿氣泡柱和噴淋床的模擬?？梢阅M相間傳熱和相間傳質的流動，這使得模擬均相及非均相成為可能。

FLUENT標準模塊中還包括許多其他的多相流模型，對于其他的一些多相流流動，如噴霧干燥器、煤粉高爐、液體燃料噴霧，可以使用離散相模型（DPM）。射入的粒子、泡沫及液滴與背景流之間進行發生熱、質量及動量的交換。

VOF（Volume of Fluid）模型可以用于對界面預測比較感興趣的自由表面流動，如海浪。汽蝕模型已被證實可以很好地應用到水翼艇、泵及燃料噴霧器的模擬。沸騰現象可以很容易地通過用戶自定義函數實現。

1.4　FLUENT的獨有特點

FLUENT具有以下特點。

FLUENT可以方便地設置慣性或非慣性坐標系、復數基準坐標系、滑移網格以及動靜翼相互作用模型化后的接續界面。

FLUENT內部集成豐富的物性參數的數據庫，里面有大量的材料可供選用，此外用戶可以非常方便地定制自己的材料。

高效率的并行計算功能提供多種自動/手動分區算法；內置MPI并行機制大幅度提高并行效率。另外，FLUENT特有的動態負載平衡功能確保全局高效并行計算。

FLUENT軟件提供了友好的用戶界面，并為用戶提供了二次開發接口（UDF）。

FLUENT軟件后置處理和數據輸出，可對計算結果進行處理，生成可視化的圖形及給出相應的曲線、報表等。

上述各項功能和特點使得FLUENT在很多領域得到了廣泛的應用，主要有以下幾個方面。

油/氣能量的產生和環境應用。

航天和渦輪機械的應用。

汽車工業的應用。

熱交換應用。

電子/HVAC應用。

材料處理應用。

建筑設計和火災研究。

1.5　FLUENT系列軟件簡介

FLUENT系列軟件包括：通用的CFD軟件FLUENT、POLYFLOW、FIDAP，工程設計軟件FloWizard、FLUENT for CATIAV5，前處理軟件Gambit、TGrid、G/Turbo，CFD教學軟件FlowLab，面向特定專業應用的ICEPAK、AIRPAK、MIXSIM軟件等。

FLUENT軟件包含基于壓力的分離求解器、基于壓力的耦合求解器、基于密度的隱式求解器、基于密度的顯式求解器。多求解器技術使FLUENT軟件可以用來模擬從不可壓縮到高超音速范圍內的各種復雜流場。

FLUENT軟件包含非常豐富的、經過工程確認的物理模型，可以模擬高超音速流場、轉捩、傳熱與相變、化學反應與燃燒、多相流、旋轉機械、動/變形網格、噪聲、材料加工等復雜機理的流動問題。

FLUENT軟件的動網格技術處于絕對領先地位，并且包含了專門針對多體分離問題的六自由度模型，以及針對發動機的兩維半動網格模型。

POLYFLOW是基于有限元法的CFD軟件，專用于模擬黏彈性材料的層流流動。它適用于塑料、樹脂等高分子材料的擠出成型、吹塑成型、拉絲、層流混合、涂層過程中的流動及傳熱和化學反應問題。

FloWizard是高度自動化的流動模擬工具，它允許設計和工藝工程師在產品開發的早期階段迅速而準確地驗證他們的設計。它引導從頭至尾地完成模擬過程，使模擬過程變得非常容易。

FLUENT for CATIAV5是專門為CATIA用戶定制的CFD軟件，將FLUENT完全集成在CATIAV5內部，用戶就像使用CATIA其他分析環境一樣地使用FLUENT軟件。

Gambit是專業的CFD前處理軟件，包括功能強大的幾何建模和網格生成能力。

G/Turbo是專業的葉輪機械網格生成軟件。

AIRPAK是面向HVAC工程師的CFD軟件，并依照ISO7730標準提供舒適度、PMV、PPD等衡量室內外空氣質量（IAQ）的技術指標。

MIXSIM是專業的攪拌槽CFD模擬軟件。

2　FLUENT 16.0的新特性

FLUENT 16.0相對于以往的FLUENT版本，在操作界面、網格處理、并行運算、物理模型和求解精度控制方面有了很多改進。

2.1　新的操作界面

如圖3所示，FLUENT 16.0的操作界面較先前版本有了一些變化。原來的列單式項目樹改成了與ANSYS CFX類似的導航樹，使ANSYS系列的界面風格趨向統一。樹狀圖形界面中包含了所有的設置步驟。

圖3　FLUENT 16.0操作界面

ANSYS FLUENT 16.0既可單獨使用，也可以在ANSYS Workbench環境下使用。

2.2　功能上的改進

最新版ANSYS FLUENT 16.0在功能上做了如下改進。

具備更加強大的伴隨求解器，更高效的處理大尺寸工程案例。

可以同時在多個邊界上定義約束，可以利用鼠標定義控制點及其運動。

改進了求解過程中對低質量網格的處理。

增加了區域之間交界面的耦合選項，支持界面之間的熱傳遞和輻射。

增加了新的聲波邊界，包括阻抗邊界、流動力輸運邊界等。

改進了激波捕捉能力，將Roe模型加入基于壓力求解器的選項。

增加了湍流模型BSL-w模型和混合應力耗散渦模型。

對 VOF 模型進行了改進，能夠更可靠快捷地模擬自由液面，如圖4所示。

圖4　在FLUENT 16.0中自由液面模擬的改進

改進了S2S輻射模型，提高多面體網格地輻射換熱系數計算效率。

提供了更高效的選擇機械計算工具。

除此之外，FLUENT 16.0還在動畫控制、視圖顯示、后處理等其他方面進行了改進，在此不一一列舉了。

2.3　FLUENT 16.0的功能模塊

一套傳統的FLUENT軟件包含兩個部分，即Gambit和FLUENT。Gambit的主要功能是幾何建模和劃分網格，FLUENT的功能是流場的解算及后處理。此外還有專門針對旋轉機械的幾何建模和網格劃分模塊Gambit/Turbo以及其他具有專門用途的功能模塊。

說明：ANSYS收購FLUENT以后，FLUENT被集成到ANSYS Workbench中，越來越多的用戶選擇使用ANSYS Workbench中集成的網格劃分工具進行前處理。

ANSYS Workbench中集成的網格劃分工具以ICEM CFD為主，還包括TGrid和TurboGrid。在后面的章節中將介紹ICEM CFD的應用。

Gambit擁有完整的建模手段，可以生成復雜的幾何模型。此外，Gambit含有CAD/CAE接口，可以方便地從其他CAD/CAE軟件中導入建好的幾何模型或網格。

在第3章中會重點介紹常用的兩種建模手段。

如前文提到的，FLUENT求解功能的不斷完善確保了FLUENT對于不同的問題都可以得到很好的收斂性、穩定性和精度。

FLUENT具有強大的后置處理功能，能夠完成CFD計算所要求的功能，包括速度矢量圖、等值線圖、等值面圖、流動軌跡圖，并具有積分功能，可以求得力、力矩及其對應的力和力矩系數、流量等。

對于用戶關心的參數和計算中的誤差可以隨時進行動態跟蹤顯示。對于非定常計算，FLUENT提供非常強大的動畫制作功能，在迭代過程中將所模擬非定常現象的整個過程記錄成動畫文件，供后續進行分析演示。

該模塊主要用于旋轉機械的葉片造型及網格劃分，該模塊是根據Gambit的內核定制出來的，因此它與Gambit直接耦合在一起。采用Turbo模塊生成的葉型或網格，可以直接用Gambit的功能進行其他方面的操作，從而可以生成更加復雜的葉型結構。

例如，對于渦輪葉片，可以先采用Turbo生成光葉片，然后通過Gambit的操作直接在葉片上開孔或槽，也可以通過布爾運算或切割生成復雜的內冷通道等。因此Turbo模塊可以極大地提高葉輪機械的建模效率。

該模塊用于同Pro/Engineer軟件直接傳遞幾何數據、實體信息，提高建模效率。

該模塊主要用于計算域隨時間發生變化情況下的流場模擬，如飛行器姿態變化過程的流場特性的模擬、飛行器分離過程的模擬、飛行器軌道的計算等。

該模塊主要用于預測所模擬流動的氣動噪聲，對于工程應用可用于降噪，如用于車輛領域或風機等領域，降低氣流噪聲。

該模塊主要用于模擬磁場、電場作用時對流體流動的影響，主要用于冶金及磁流體發電領域。

該模塊主要應用于紡織工業中纖維拉制成型過程的模擬。

2.4　FLUENT與ANSYS Workbench

FLUENT 16.0被集成到ANSYS Workbench平臺后，其使用方法有了一些新特點。為了讓讀者更好地在ANSYS Workbench平臺中使用FLUENT，本節將簡要介紹ANSYS Workbench及其與FLUENT之間的關系。

ANSYS Workbench提供了多種先進工程仿真技術的基礎框架。全新的項目視圖概念將整個仿真過程緊密地組合在一起，引導用戶通過簡單的鼠標拖曳操作完成復雜的多物理場分析流程。

Workbench所提供的CAD雙向參數互動、強大的全自動網格劃分、項目更新機制、全面的參數管理和無縫集成的優化工具等，使ANSYS Workbench平臺在仿真驅動產品設計方面達到了前所未有的高度。

ANSYS Workbench大大推動了仿真驅動產品的設計。各種仿真流程的緊密集成使得設置變得前所未有的簡單，并且為一些復雜的多物理場仿真提供了解決方案。

ANSYS Workbench環境中的應用程序都是支持參數變量的，包括CAD幾何尺寸參數、材料屬性參數、邊界條件參數以及計算結果參數等。在仿真流程各環節中定義的參數可以直接在項目窗口中進行管理，因而很容易研究多個參數變量的變化。

在項目窗口中，可以很方便地形成一系列表格形式的“設計點”，然后一次性地自動進行多個設計點的分析來完成“What-If”研究。

ANSYS Workbench全新的項目視圖功能改變了工程師的仿真方式。仿真項目中的各項任務以互相連接的圖形化方式清晰地表達出來，使用戶對項目的工程意圖、數據關系和分析過程一目了然。

只要通過鼠標的拖曳操作，就可以非常容易地創建復雜的、含多個物理場的耦合分析流程，在各物理場之間的數據傳輸也會自動定義好。

項目視圖系統使用起來非常簡單，直接從左邊的工具欄中將所需的分析系統拖到項目視圖窗口即可。完整的分析系統包含了所選分析類型的所有任務節點及相關應用程序，自上而下執行各個分析步驟即可完成整個分析。

ANSYS Workbench的操作界面主要由菜單欄、工具欄、工具箱和項目概圖區組成，如圖5所示。

圖5　ANSYS Workbench的操作界面

工具箱包括以下5個組，如圖6所示。

圖6　工具箱中的5個組

Analysis Systems：可用的預定義的模板。

Component Systems：可存取多種程序來建立和擴展分析系統。

Custom Systems：為耦合應用預定義分析系統（FSI、thermal-stress等）。用戶也可以建立自己的預定義系統。

Design Exploration：參數管理和優化工具。

External Connection Systems：用于建立與其他外部程序之間的數據連接。

需要進行某種項目分析時，可以通過兩種方法在項目概圖區生成相關分析項目的概圖。一種是在工具箱中雙擊相關項目，另一種是用鼠標將相關項目拖至項目概圖區內。

生成項目概圖后，只需按照概圖的順序，從頂向下逐步完成，就可以實現一個完整的仿真分析流程。

在ANSYS Workbench中可以按如下步驟創建FLUENT分析項目并打開FLUENT。

（1）在Windows系統下執行“開始”→“所有程序”→ANSYS 16.0 →Workbench命令，啟動ANSYS Workbench 16.0，進入主界面。

（2）雙擊主界面Toolbox（工具箱）中的Component Systems→Geometry（幾何體）選項，即可在項目管理區創建分析項目A，如圖7所示。

圖7　創建Geometry（幾何體）分析項目

（3）將工具箱中的Component Systems→Mesh（網格）選項拖到項目管理區中，懸掛在項目A中的A2欄“Geometry”上，當項目A2的Geometry欄紅色高亮顯示時，即可放開鼠標創建項目B，項目A和項目B中的Geometry欄（A2和B2）之間出現了一條線相連，表示它們之間可共享幾何體數據，如圖8所示。

圖8　創建Mesh（網格）分析項目

（4）將工具箱中的Analysis Systems→Fluid Flow(FLUENT) 選項拖到項目管理區中，懸掛在項目B中的B3欄“Mesh”上，當項目B3的Mesh欄紅色高亮顯示時，即可放開鼠標創建項目C。

項目B和項目C中的Geometry欄（B2和C2）和Mesh欄（B3和C3）之間各出現了一條線相連，表示它們之間可共享數據，如圖9所示。

圖9　創建FLUENT分析項目

也可以直接生成圖9中的項目C而不生成項目A和項目B，如圖10所示，這樣就不必使用ANSYS Workbench中集成的CAD模塊DesignModeler生成和處理幾何體。

圖10　直接生成FLUENT分析項目

還可以直接生成單獨的FLUENT分析項目（不包含前后處理），這與單獨運行FLUENT的效果完全相同，如圖11所示。

雙擊圖9～圖11中的任意一個FLUENT分析項目中的Setup項均可啟動FLUENT軟件。

圖11　生成單獨的FLUENT分析項目（不包含前后處理）

2.5　FLUENT 16.0的基本操作

本節將介紹FLUENT 16.0的用戶界面和一些基本操作。FLUENT均指FLUENT 16.0版本。

在“開始”程序菜單中選擇單獨運行FLUENT主程序或者在ANSYS Workbench中運行FLUENT項目，彈出FLUENT Launcher對話框，如圖12所示。在對話框中可以做如下選擇。

圖12　FLUENT Launcher對話框

二維或三維版本，在Dimension選項區中選擇2D或3D。

單精度或雙精度版本，默認為單精度，當選中Double Precision時選擇雙精度版本。

并行運算選項，可選擇單核運算或并行運算版本。選擇Serial時運行單核運算版本，選擇Parallel時可利用多核處理器進行并行計算，并可設置使用處理器的數量。

界面顯示設置（Display Options），一般保持默認設置。

當單擊Show More Options前面的圖片 10圖標時，會得到展開的FLUENT Launcher對話框，如圖13所示，可在其中設置工作目錄、啟動路徑、并行運算類型、UDF編譯環境等。

圖13　展開的FLUENT Launcher對話框

設置完畢后，單擊FLUENT Launcher對話框中的OK按鈕，打開如圖14所示的FLUENT主界面。FLUENT主界面由標題欄、菜單欄、工具欄、項目樹、控制面板、圖形窗口和文本窗口組成。

圖14　FLUENT主界面

（1）標題欄中顯示運行的FLUENT版本和物理模型的簡要信息，以及文件名。例如，FLUENT [2d, pbns，lam]是指運行的FLUENT版本為2D單精度版本，運算基于壓力求解，而且采用層流模型。

（2）菜單欄中包括File、Mesh、Define、Solve、Adapt、Surface、Display、Report、Parallel、View和Help菜單。

（3）工具欄中包含文件讀取、保存、視圖控制等常用命令的快捷圖標。

（4）在項目樹中可以打開參數設置、求解器設置、后處理的面板。

（5）控制面板中顯示從項目樹中選中的面板，在其中進行設置和操作。

（6）圖形窗口用來顯示網格、殘差曲線、動畫及各種后處理顯示的圖像。

（7）文本窗口中顯示各種信息提示，包括版本信息、網格信息、錯誤提示等信息。

通過執行File→Read→Mesh命令，讀入準備好的網格文件，如圖15所示。

圖15　讀入網格文件

在FLUENT中，Case和Data文件（默認讀入可識別的FLUENT網格格式）的擴展名分別為.cas和.dat。一般說來，一個Case文件包括網格、邊界條件和解的控制參數。

如果網格文件是其他格式，相應地執行File→Import命令。

另外，FLUENT中常見的幾種主要的文件形式如下。

.jou文件：日志文檔，可以編輯運行。

.dbs文件：Gambit工作文件。

.msh文件：從Gambit輸出的網格文件。

.cas文件：經FLUENT定義的文件。

.dat文件：經FLUENT計算的數據結果文件。

讀入網格之后要檢查網格，相應的操作方法為在General面板中單擊Check按鈕，或者執行Mesh→Check命令，如圖16所示。

圖16　檢查網格的操作

在檢查網格的過程中，用戶可以在控制臺窗口中看到區域范圍、體積統計以及連通性信息。網格檢查最容易出現的問題是網格體積為負數。如果最小體積是負數，就需要修復網格以減少解域的非物理離散。

單擊項目樹中的Models項，打開Models面板，可以選擇采用的基本物理模型，如圖17所示，包括多相流模型、能量方程、湍流模型、輻射模型、換熱器模型、組分傳輸模型、離散相模型、融化和凝固模型、噪聲模型等。

圖17　選擇采用的基本物理模型

在FLUENT 16.0中，也可以在項目樹中進行參數項的選取和設置，采用何種方式取決于用戶的習慣，以下為演示功能，均采用項目樹中選取項目，控制面板中設置參數的順序，其他方式不再贅述。

單擊相應的物理模型后，會彈出相應的對話框對模型參數進行設置。

單擊項目樹中的Materials項，打開Materials面板，可以看到材料列表，如圖18所示。

圖18　Materials 面板中的材料列表

單擊Materials面板中的Creat/Edit按鈕，可以打開材料編輯對話框，如圖19所示。

圖19　材料編輯對話框

在材料編輯對話框中單擊FLUENT Database按鈕，可以打開FLUENT的材料庫選擇材料，如圖20所示。也可以單擊User-Defined Datebase按鈕，自定義材料屬性。

圖20　FLUENT的材料庫

在進行多相流計算時，選擇完多相流計算模型后，項目樹中的Modles→Multiphase下面會出現Phases和Phase Interactions的分支，可以雙擊項目樹中的Phases項，打開Phases面板，單擊Edit按鈕，可以進行相和相界面的定義。圖21所示定義的是空氣相和水相。

圖21　相的定義

單擊項目樹中的Cell Zone Conditions項，可以打開Cell Zone Conditions面板設置區域類型，如圖22所示。

圖22　設置區域類型

單擊Cell Zone Conditions面板中的Edit按鈕，可以打開流體或固體區域的參數設置對話框，對區域的運動、源項、反應、多孔介質等參數進行設置，如圖23所示。

圖23　流體和固體區域的參數設置對話框

單擊項目樹中的Boundary Conditions項，打開Boundary Conditions面板，可以選擇邊界類型，如圖24所示。

圖24　Boundary Conditions面板

單擊Boundary Conditions面板中的Edit按鈕，可以打開邊界條件參數設置對話框。圖25所示為壁面邊界條件的設置對話框。

圖25　壁面邊界條件的設置對話框

邊界條件的相關內容，將在第5章中詳細介紹。

單擊項目樹中的Dynamic Mesh項，打開Dynamic Mesh面板，可以設置動網格的相關參數，如圖26所示。在面板中可以設置局部網格更新方法：Smoothing（網格光滑更新）、Layering（網格層變）和Remeshing（局部網格重新劃分）。

圖26　動網格設置面板

當選擇Smoothing時，需要網格光滑更新的參數，包括彈性常數因子（Sping Constant Factor）、邊界節點松弛（Boundary Node Relaxation）、收斂公差（Convergence Tolerance）和迭代數（Number of Iterations）。

當選擇Layering網格更新方法時，選項包括常數高度（Constant Height）和常數變化率（Constant Ratio）。設置參數包括分裂因子（Split Factor）和合并因子（Collapse Factor）。

當選擇Remeshing時，需要設置的參數有尺寸函數（Sizing Function）、必須改善扭曲（Must Improve Skewness）和面重劃分（Face Remeshing）。

在Dynamic Mesh面板中的Options選項組中有In-Cylinder（活塞內腔）、Six DOF（六自由度）和Implicit Update（隱式更新）等選項。對于活塞內腔的往復運動，需要選中In-Cylinder選項。對于自由度的運動，需要選中Six DOF選項。

單擊項目樹中的Reference Values項，打開Reference Values面板，可以設置參考參數，如圖27所示。這些參考參數用來計算如升力系數、阻力系數等與參考參數相關的值。具體操作方法請參考幫助文檔。

圖27　設置參考參數

單擊項目樹中的Solution Methods項，打開Solution Methods面板，如圖28所示。可以設置求解算法SIMPLE、SIMPLEC、PISO等，同時還可以設置各物理量或方程的離散格式。各種算法及離散格式的物理意義可參考第1章的相關內容，具體操作方法請參考幫助文檔。

圖28　算法及離散格式設置面板

單擊項目樹中的Solution Controls項，打開Solution Controls面板，可以設置求解松弛因子，以控制收斂性和收斂速度，如圖29所示。具體操作方法請參考幫助文檔。

圖29　求解參數設置

單擊項目樹中的Monitors項，打開Monitors面板，如圖30所示。可以設置監視點、線、面、體上的壓力、速度、流量、力等物理量隨迭代次數或時間的變化，并繪制成曲線。最常用的是監視求解的殘差曲線，也稱為收斂曲線。具體操作方法請參考幫助文檔。

圖30　設置監視窗口

迭代之前要初始化流場，即提供一個初始解。用戶可以從一個或多個邊界條件算出初始解，也可以根據需要設置流場的數值。單擊項目樹中的Solution Initialization項，打開Solution Initialization面板，如圖31所示。初始化時，設置流場初始化的源面或者具體物理量的值，單擊Initialize按鈕開始初始化。

圖31　流場初始化面板

在Calculation Activities和Run Calculation面板中，可以設置自動保存間隔步數、自動輸出文件、求解動畫、自動初始化、迭代步數、迭代步長等與運行計算相關的參數，如圖32所示。具體操作方法請參考幫助文檔。

圖32　與運行計算相關的參數設置

FLUENT自帶的后處理功能，分別在Graphics and Animations面板、Plots面板及Reports面板中實現，這些將在后面的章節中詳細介紹。

問題的定義和FLUENT計算結果分別保存在Case文件和Data文件中。必須保存這兩個文件以便以后重新啟動分析。保存Case文件和Data文件的方法為執行File→Write→Case&Data命令。

一般來說，仿真分析是一個反復改進的過程，如果首次仿真結果精度不高或不能反映實際情況，可提高網格質量，調整參數設置和物理模型，使結果不斷接近真實值，提高仿真精度。

2.6　FLUENT的一個簡單實例

1．網格導入與處理

（1）在“開始”程序菜單中運行FLUENT主程序，出現FLUENT Launcher對話框，選擇3D，其他保持默認設置，單擊OK按鈕進入FLUENT界面，讀入網格文件jointpipe.msh，如圖33所示。

圖33　FLUENT Launcher對話框與FLUENT界面

（2）檢查網格文件。單擊General面板中的Check按鈕，如圖34所示，對網格進行檢查。需保證網格最小單元體積minimum volume不小于0，即沒有負體積網格。

圖34　General 面板

（3）設置網格區域尺寸。單擊General面板中的Scale按鈕，在Mesh Was Created In下拉列表中選擇mm，在View Length Unit In下拉列表中選擇mm，如圖35所示。完成后單擊Close按鈕關閉對話框。

圖35　網格區域尺寸設置

（4）執行Mesh→Reorder→Domain命令，如圖36所示。對計算域內的網格進行重新排序，可加快求解速度。這個操作有可能需要重復操作幾次，直至命令窗口中顯示Bandwidth reduction小于或等于1為止。

圖36　對網格重新排序

（5）將網格轉化為Polyhedra型網格（多面體型）。執行Mesh→Polyhedra→Convert Domain命令，如圖37所示。轉化后的網格如圖38所示。

圖37　將非結構化網格轉化成多面體網格

圖38　計算域多面體網格

2．設置物理模型和材料

（1）設置求解器類型。本例選擇基于壓力的求解器（Pressure Based），求解定常流動。設置重力加速度為Y軸負方向，大小為9.8 m/s2，如圖34所示。

（2）選擇湍流模型。單擊項目樹中的Models，打開Models面板，如圖39所示。雙擊Viscous Laminar項，打開Viscous Model對話框。

圖39　Models面板

在Viscous Model對話框中的Model列表中選擇k-epsilon兩方程模型，對話框將自動擴展成圖40所示的對話框。在k-epsilon Model選項區中選擇Realizable，其他保持默認設置。單擊OK按鈕關閉對話框。

圖40　Viscous Model對話框

（3）設置流體材料。本例中的流體是水，為不可壓縮流動。單擊Materials項，打開Materials面板，雙擊面板中的Fluid項，打開Create/Edit Materials對話框，如圖41所示。

圖41　Create/Edit Materials對話框

面板中的默認流體材料為空氣（Air），固體材料為鋁（Aluminum）。單擊FLUENT Database按鈕，打開FLUENT Database Materials對話框，在FLUENT Fluid Materials列表中選中water-liquid(h2o)，即液態水，單擊Copy按鈕將材料參數復制到當前材料庫中，單擊Close按鈕，關閉FLUENT Database Materials對話框，如圖42所示。再單擊Close按鈕，關閉Create/Edit Materials對話框。

圖42　FLUENT Database Materials對話框

單擊項目樹中的Cell Zone Conditions項，打開Cell Zone Conditions面板。雙擊Zone列表中的branch-fluid項，打開Fluid對話框，如圖43所示。在Material Name右側的下拉列表中選擇water-liquid，單擊OK按鈕，關閉Fluid對話框。

圖43　定義計算域材料

3．設置操作環境和邊界條件

（1）設置操作環境。執行Define→Operating Conditions命令，打開Operating Conditions對話框，如圖44所示。在Operating Pressure下面的輸入框中輸入操作壓強為0 Pa，其他保持默認設置。單擊OK按鈕，關閉Operating Conditions對話框。

圖44　設置操作環境

（2）設置邊界條件。單擊Boundary Conditions選項，打開Boundary Conditions面板。選中Zone列表中的inlet。inlet是流量入口邊界條件。在inlet被選中的狀態下，在Type下拉列表中選中mass-flow-inlet邊界條件，如圖45所示。

圖45　選擇流量入口邊界條件

在inlet被選中的狀態下，單擊Edit按鈕，彈出Mass-Flow-Inlet對話框，在該對話框中設置流量入口邊界條件的各項參數，如圖46所示。

圖46　設置流量入口邊界條件參數

在Mass Flow Rate中輸入605.6 kg/s，初始表壓設置為200 000 Pa。

在Specification Method下拉列表中選擇湍流強度的定義方法，此處選擇Intensity and Viscosity Ratio，即用湍流強度和黏性比定義湍流，其值采用默認值10。

單擊OK按鈕，關閉流量入口邊界條件設置對話框。

用同樣的方法設置出口邊界條件。出口邊界條件為Outflow，即自由出口邊界條件，如圖47所示。保持默認設置，單擊OK按鈕，關閉Outflow對話框。

圖47　Outflow對話框

4．設置求解方法和控制參數

（1）設置求解方法。單擊項目樹中的Solution Methods選項，打開Solution Methods面板，對求解方法進行設置，選擇求解的方程類型和微分方程離散格式。

在壓力-速度耦合方式（Pressure-Velocity Coupling）下拉列表中選擇SIMPLE，即采用SIMPLE算法。

在微分離散格式選項中，梯度（Gradient）選擇Green-Gauss Cell Based，壓力（Pressure）采用PRESTO！格式，動量方程（Momentum）選擇二階迎風格式（Second Order Upwind），湍流脈動能量和湍流耗散率也采用二階迎風格式。設置完成后的Solution Methods面板如圖48所示。

圖48　求解方法設置面板

（2）設置求解控制參數。單擊項目樹中的Solution Controls選項，打開Solution Controls面板，對求解過程中的控制參數進行設置，設置各項松弛因子如圖49所示。

圖49　松弛因子設置面板

5．設置監視窗口和初始化

（1）設置殘差監視窗口。單擊項目樹中的Monitors選項，打開Monitors面板，雙擊Monitors面板中的Residuals項，打開殘差監視器設置對話框。選中Print to Console和Plot選項，在Convergence Criterion下拉列表中選擇none，即不自動進行收斂判斷。其他保持默認設置，如50所示。

圖50　設置殘差監視窗口

（2）設置出口速度監視窗口。單擊項目樹中的Monitors項，打開Monitors面板，單擊Monitors面板中Surface Monitors列表下面的Create按鈕，打開Surface Monitor對話框，如圖2-51所示。選中Print to Console、Plot和Write選項。設置監視器窗口為2號窗口。

報告類型（Report Type）設置為Facet Average，即表面平均值。

在場變量（Field Variable）下拉列表中選擇Velocity。

在Surfaces列表中選中outlet。

圖51　設置出口速度監視窗口

（3）初始化流場。單擊項目樹中的Solution Initialization選項，打開Solution Initialization（流場初始化）面板，如圖52所示。在Compute From下拉列表中選中inlet，表示整個流場中的初始狀態與邊界inlet上的流場狀態相同。單擊Initialize按鈕，完成流場的初始化。

圖52　流場初始化面板

6．求解

（1）開始迭代。單擊項目樹中的Run Calculation項，打開Run Calculation面板，在Number of Iterations下面的輸入框中輸入500，即迭代500步，如圖53所示。單擊Calculate按鈕，開始計算。

圖53　設置迭代步數

（2）迭代開始后，圖形窗口中會動態顯示殘差值和出口平均水流速度隨迭代過程的變化曲線。當迭代完500步后，出口速度收斂曲線如圖54所示。由收斂曲線可以看出，出口平均水流速度基本不變化，可以認為計算已經收斂。

圖54　出口平均水流速度收斂曲線

7．保存計算結果并退出

（1）執行File→Write→Case&Data命令，保存案例文件和計算結果。

（2）退出FLUENT。單擊FLUENT界面右上角的圖片 56（關閉）按鈕，在彈出的Warning對話框（見圖55）中，單擊OK按鈕，退出FLUENT。

圖55　確認關閉FLUENT

本文節選自《ANSYS FLUENT 16.0超級學習手冊》

內容簡介

全書分為基礎和實例兩個部分，共16章?；A部分詳細介紹了流體力學的相關理論基礎知識和ANSYS FLUENT 16.0軟件，包括FLUENT軟件、前處理、后處理、常用的邊界條件等內容；實例部分包括導熱問題、流體流動與傳熱、自然對流與輻射換熱、凝固和融化過程、多相流模型、離散相、組分傳輸與氣體燃燒、動網格問題、多孔介質內部流動與換熱、UDF基礎應用和燃料電池問題等的數值模擬。本書每個實例都有詳細的說明和操作步驟，讀者只需按書中的方法和步驟進行軟件操作，即可完成一個具體問題的數值模擬和分析，進而逐步學會ANSYS FLUENT 16.0軟件的使用。本書光盤配有書中實例的幾何模型以及實例的網格模型，方便讀者查閱。

本書內容翔實，既可以作為動力、能源、水利、航空、冶金、海洋、環境、氣象、流體工程等專業領域的工程技術人員參考用書，也可以作為高等院校相關專業高年級本科生、研究生的學習用書。

本文轉載自異步社區

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