浅谈FLUENT

CFD商业软件FLUENT是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛的应用。

1　FLUENT软件特点简介

2006年5月，FLUENT成为全球最大的CAE软件供应商——ANSYS大家庭中的重要成员。所有的FLUENT软件都集成在ANSYS Workbench环境下，共享先进的ANSYS公共CAE技术。

FLUENT是ANSYS CFD的旗舰产品，ANSYS加大了对FLUENT核心CFD技术的投资，确保FLUENT在CFD领域的绝对领先地位。ANSYS公司收购FLUENT以后做了大量高技术含量的开发工作，具体如下。

内置六自由度刚体运动模块配合强大的动网格技术。

领先的转捩模型精确计算层流到湍流的转捩以及飞行器阻力精确模拟。

非平衡壁面函数和增强型壁面函数加压力梯度修正大大提高了边界层回流计算精度。

多面体网格技术大大减小了网格量并提高计算精度。

密度基算法解决高超音速流动。

高阶格式可以精确捕捉激波。

噪声模块解决航空领域的气动噪声问题。

非平衡火焰模型用于航空发动机燃烧模拟。

旋转机械模型加虚拟叶片模型广泛用于螺旋桨旋翼CFD模拟。

先进的多相流模型。

HPC大规模计算高效并行技术。

图1为一个FLUENT的计算图例，是FLUENT在航空领域的应用实例，显示了飞机滑行过程中起落架附近的涡流分布。

图1　FLUENT的计算图例

1.1　网格技术

计算网格是任何计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）计算的核心，它通常把计算域划分为几千甚至几百万个单元，在单元上计算并存储求解变量。FLUENT使用非结构化网格技术，这就意味着可以有各种各样的网格单元，具体如下。

二维的四边形和三角形单元。

三维的四面体核心单元。

六面体核心单元。

棱柱和多面体单元。

这些网格可以使用FLUENT的前处理软件Gambit自动生成，也可以选择在ICEM CFD工具中生成。

在目前的CFD市场上，FLUENT以其在非结构网格的基础上提供丰富的物理模型而著称，主要有以下特点。

（1）完全非结构化网格。

FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法。

（2）先进的动/变形网格技术。

FLUENT软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。FLUENT解算器包括NEKTON、FIDAP、POLYFLOW、ICEPAK以及MIXSIM。

网格变形方式有3种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其中，局部网格重生式是FLUENT所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题。

（3）多网格支持功能。

FLUENT软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术。

1.2　数值技术

在FLUENT软件当中，有两种数值方法可以选择：基于压力的求解器和基于密度的求解器。

从传统上讲，基于压力的求解器是针对低速、不可压缩流开发的，基于密度的求解器是针对高速、可压缩流开发的。但近年来这两种方法被不断地扩展和重构，这使得它们突破了传统上的限制，可以求解更为广泛的流体流动问题。

FLUENT软件基于压力的求解器和基于密度的求解器完全在同一界面下，确保FLUENT对于不同的问题都可以得到很好的收敛性、稳定性和精度。

基于压力的求解器采用的计算法则属于常规意义上的投影方法。在投影方法中，首先通过动量方程求解速度场，继而通过压力方程的修正使得速度场满足连续性条件。

由于压力方程来源于连续性方程和动量方程，从而保证整个流场的模拟结果同时满足质量守恒和动量守恒。

由于控制方程（动量方程和压力方程）的非线性和相互耦合作用，所以需要一个迭代过程，使得控制方程重复求解直至结果收敛，用这种方法求解压力方程和动量方程。

FLUENT软件中包含以下两种基于压力的求解器。

（1）基于压力的分离求解器。

如图2所示，分离求解器顺序地求解每一个变量的控制方程，每一个控制方程在求解时被从其他方程中“解耦”或分离，并且因此而得名。

分离求解器的内存效率非常高，因为离散方程仅仅在一个时刻需要占用内存，收敛速度相对较慢，因为方程是以“解耦”方式求解的。

工程实践表明，分离求解器对于燃烧、多相流问题更加有效，因为它提供了更为灵活的收敛控制机制。

（2）基于压力的耦合求解器。

如图2所示，基于压力的耦合求解器以耦合方式求解动量方程和基于压力的连续性方程，它的内存使用量大约是分离求解器的1.5～2倍；由于以耦合方式求解，所以它的收敛速度具有5～10倍的提高。

基于压力的耦合求解器同时还具有传统压力算法物理模型丰富的优点，可以和所有动网格、多相流、燃烧和化学反应模型兼容，同时收敛速度远远高于基于密度的求解器。

基于密度的求解器直接求解瞬态N-S方程（瞬态N-S方程在理论上是绝对稳定的），将稳态问题转化为时间推进的瞬态问题，由给定的初场时间推进到收敛的稳态解，这就是通常说的时间推进法（密度基求解方法）。这种方法适用于求解亚音速、高超音速等流场的强可压缩流问题，且易于改为瞬态求解器。

FLUENT软件中基于密度的求解器源于FLUENT和NASA合作开发的RAMPANT软件，因此被广泛应用于航空航天工业。

FLUENT增加了AUSM和Roe-FDS通量格式，AUSM对不连续激波提供了更高精度的分辨率，Roe-FDS通量格式减小了在大涡模拟计算中的耗散，从而进一步提高了FLUENT在高超声速模拟方面的精度。

图2　分离求解器和耦合求解器的流程对比

1.3　物理模型

FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型，具体有以下几种。

许多流体流动伴随传热现象，FLUENT提供一系列应用广泛的对流、热传导及辐射模型。对于热辐射，P1和Rossland模型适用于介质光学厚度较大的环境；基于角系数的surface to surface模型适用于介质不参与辐射的情况；DO（Discrete Ordinates）模型适用于包括玻璃在内的任何介质。DRTM模型（Discrete Ray Tracing Module）也同样适用。

太阳辐射模型使用光线追踪算法，包含了一个光照计算器，它允许光照和阴影面积的可视化，这使得气候控制的模拟更加有意义。

其他与传热紧密相关的模型还有汽蚀模型、可压缩流体模型、热交换器模型、壳导热模型、真实气体模型和湿蒸汽模型。

相变模型可以追踪分析流体的融化和凝固。离散相模型（DPM）可用于液滴和湿粒子的蒸发及煤的液化。易懂的附加源项和完备的热边界条件使得FLUENT的传热模型成为满足各种模拟需要的成熟可靠的工具。

FLUENT的湍流模型一直处于商业CFD软件的前沿，它提供的丰富的湍流模型中有经常使用到的湍流模型，包括Spalart-Allmaras模型、k-ω模型组、k-ε模型组。

随着计算机能力的显著提高，FLUENT已经将大涡模拟（LES）纳入其标准模块，并且开发了更加高效的分离涡（DES）模型，FLUENT提供的壁面函数和加强壁面处理的方法可以很好地处理壁面附近的流动问题。

气动声学在很多工业领域中倍受关注，模拟起来却相当困难，如今，使用FLUENT可以有多种方法计算由非稳态压力脉动引起的噪声，瞬态大涡模拟（LES）预测的表面压力可以使用FLUENT内嵌的快速傅里叶变换（FFT）工具转换成频谱。

Ffowcs-Williams & Hawkings声学模型可以用于模拟从非流线型实体到旋转风机叶片等各式各样的噪声源的传播，宽带噪声源模型允许在稳态结果的基础上进行模拟，这是一个快速评估设计是否需要改进的非常实用的工具。

化学反应模型，尤其是湍流状态下的化学反应模型在FLUENT软件中一直占有很重要的地位，多年来，FLUENT强大的化学反应模拟能力帮助工程师完成了对各种复杂燃烧过程的模拟。

涡耗散概念、PDF转换以及有限速率化学模型已经加入FLUENT的主要模型中：涡耗散模型、均衡混合颗粒模型、小火焰模型以及模拟大量气体燃烧、煤燃烧、液体燃料燃烧的预混合模型。预测NOx生成的模型也被广泛地应用与定制。

许多工业应用中涉及发生在固体表面的化学反应，FLUENT表面反应模型可以用来分析气体和表面组分之间的化学反应及不同表面组分之间的化学反应，以确保准确预测表面沉积和蚀刻现象。

对催化转化、气体重整、污染物控制装置及半导体制造等的模拟都受益于这一技术。FLUENT的化学反应模型可以和大涡模拟（LES）及分离涡（DES）湍流模型联合使用，只有将这些非稳态湍流模型耦合到化学反应模型中，才有可能预测火焰稳定性及燃尽特性。

多相流混合物广泛应用于工业中，FLUENT软件是多相流建模方面的领导者，其丰富的模拟能力可以帮助工程师洞察设备内那些难以探测的现象，Eulerian多相流模型通过分别求解各相的流动方程的方法分析相互渗透的各种流体或各相流体，对于颗粒相流体，采用特殊的物理模型进行模拟。

很多情况下，占用资源较少的混合模型也用来模拟颗粒相与非颗粒相的混合。FLUENT可用来模拟三相混合流（液、颗粒、气），如泥浆气泡柱和喷淋床的模拟。可以模拟相间传热和相间传质的流动，这使得模拟均相及非均相成为可能。

FLUENT标准模块中还包括许多其他的多相流模型，对于其他的一些多相流流动，如喷雾干燥器、煤粉高炉、液体燃料喷雾，可以使用离散相模型（DPM）。射入的粒子、泡沫及液滴与背景流之间进行发生热、质量及动量的交换。

VOF（Volume of Fluid）模型可以用于对界面预测比较感兴趣的自由表面流动，如海浪。汽蚀模型已被证实可以很好地应用到水翼艇、泵及燃料喷雾器的模拟。沸腾现象可以很容易地通过用户自定义函数实现。

1.4　FLUENT的独有特点

FLUENT具有以下特点。

FLUENT可以方便地设置惯性或非惯性坐标系、复数基准坐标系、滑移网格以及动静翼相互作用模型化后的接续界面。

FLUENT内部集成丰富的物性参数的数据库，里面有大量的材料可供选用，此外用户可以非常方便地定制自己的材料。

高效率的并行计算功能提供多种自动/手动分区算法；内置MPI并行机制大幅度提高并行效率。另外，FLUENT特有的动态负载平衡功能确保全局高效并行计算。

FLUENT软件提供了友好的用户界面，并为用户提供了二次开发接口（UDF）。

FLUENT软件后置处理和数据输出，可对计算结果进行处理，生成可视化的图形及给出相应的曲线、报表等。

上述各项功能和特点使得FLUENT在很多领域得到了广泛的应用，主要有以下几个方面。

油/气能量的产生和环境应用。

航天和涡轮机械的应用。

汽车工业的应用。

热交换应用。

电子/HVAC应用。

材料处理应用。

建筑设计和火灾研究。

1.5　FLUENT系列软件简介

FLUENT系列软件包括：通用的CFD软件FLUENT、POLYFLOW、FIDAP，工程设计软件FloWizard、FLUENT for CATIAV5，前处理软件Gambit、TGrid、G/Turbo，CFD教学软件FlowLab，面向特定专业应用的ICEPAK、AIRPAK、MIXSIM软件等。

FLUENT软件包含基于压力的分离求解器、基于压力的耦合求解器、基于密度的隐式求解器、基于密度的显式求解器。多求解器技术使FLUENT软件可以用来模拟从不可压缩到高超音速范围内的各种复杂流场。

FLUENT软件包含非常丰富的、经过工程确认的物理模型，可以模拟高超音速流场、转捩、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工等复杂机理的流动问题。

FLUENT软件的动网格技术处于绝对领先地位，并且包含了专门针对多体分离问题的六自由度模型，以及针对发动机的两维半动网格模型。

POLYFLOW是基于有限元法的CFD软件，专用于模拟黏弹性材料的层流流动。它适用于塑料、树脂等高分子材料的挤出成型、吹塑成型、拉丝、层流混合、涂层过程中的流动及传热和化学反应问题。

FloWizard是高度自动化的流动模拟工具，它允许设计和工艺工程师在产品开发的早期阶段迅速而准确地验证他们的设计。它引导从头至尾地完成模拟过程，使模拟过程变得非常容易。

FLUENT for CATIAV5是专门为CATIA用户定制的CFD软件，将FLUENT完全集成在CATIAV5内部，用户就像使用CATIA其他分析环境一样地使用FLUENT软件。

Gambit是专业的CFD前处理软件，包括功能强大的几何建模和网格生成能力。

G/Turbo是专业的叶轮机械网格生成软件。

AIRPAK是面向HVAC工程师的CFD软件，并依照ISO7730标准提供舒适度、PMV、PPD等衡量室内外空气质量（IAQ）的技术指标。

MIXSIM是专业的搅拌槽CFD模拟软件。

2　FLUENT 16.0的新特性

FLUENT 16.0相对于以往的FLUENT版本，在操作界面、网格处理、并行运算、物理模型和求解精度控制方面有了很多改进。

2.1　新的操作界面

如图3所示，FLUENT 16.0的操作界面较先前版本有了一些变化。原来的列单式项目树改成了与ANSYS CFX类似的导航树，使ANSYS系列的界面风格趋向统一。树状图形界面中包含了所有的设置步骤。

图3　FLUENT 16.0操作界面

ANSYS FLUENT 16.0既可单独使用，也可以在ANSYS Workbench环境下使用。

2.2　功能上的改进

最新版ANSYS FLUENT 16.0在功能上做了如下改进。

具备更加强大的伴随求解器，更高效的处理大尺寸工程案例。

可以同时在多个边界上定义约束，可以利用鼠标定义控制点及其运动。

改进了求解过程中对低质量网格的处理。

增加了区域之间交界面的耦合选项，支持界面之间的热传递和辐射。

增加了新的声波边界，包括阻抗边界、流动力输运边界等。

改进了激波捕捉能力，将Roe模型加入基于压力求解器的选项。

增加了湍流模型BSL-w模型和混合应力耗散涡模型。

对 VOF 模型进行了改进，能够更可靠快捷地模拟自由液面，如图4所示。

图4　在FLUENT 16.0中自由液面模拟的改进

改进了S2S辐射模型，提高多面体网格地辐射换热系数计算效率。

提供了更高效的选择机械计算工具。

除此之外，FLUENT 16.0还在动画控制、视图显示、后处理等其他方面进行了改进，在此不一一列举了。

2.3　FLUENT 16.0的功能模块

一套传统的FLUENT软件包含两个部分，即Gambit和FLUENT。Gambit的主要功能是几何建模和划分网格，FLUENT的功能是流场的解算及后处理。此外还有专门针对旋转机械的几何建模和网格划分模块Gambit/Turbo以及其他具有专门用途的功能模块。

说明：ANSYS收购FLUENT以后，FLUENT被集成到ANSYS Workbench中，越来越多的用户选择使用ANSYS Workbench中集成的网格划分工具进行前处理。

ANSYS Workbench中集成的网格划分工具以ICEM CFD为主，还包括TGrid和TurboGrid。在后面的章节中将介绍ICEM CFD的应用。

Gambit拥有完整的建模手段，可以生成复杂的几何模型。此外，Gambit含有CAD/CAE接口，可以方便地从其他CAD/CAE软件中导入建好的几何模型或网格。

在第3章中会重点介绍常用的两种建模手段。

如前文提到的，FLUENT求解功能的不断完善确保了FLUENT对于不同的问题都可以得到很好的收敛性、稳定性和精度。

FLUENT具有强大的后置处理功能，能够完成CFD计算所要求的功能，包括速度矢量图、等值线图、等值面图、流动轨迹图，并具有积分功能，可以求得力、力矩及其对应的力和力矩系数、流量等。

对于用户关心的参数和计算中的误差可以随时进行动态跟踪显示。对于非定常计算，FLUENT提供非常强大的动画制作功能，在迭代过程中将所模拟非定常现象的整个过程记录成动画文件，供后续进行分析演示。

该模块主要用于旋转机械的叶片造型及网格划分，该模块是根据Gambit的内核定制出来的，因此它与Gambit直接耦合在一起。采用Turbo模块生成的叶型或网格，可以直接用Gambit的功能进行其他方面的操作，从而可以生成更加复杂的叶型结构。

例如，对于涡轮叶片，可以先采用Turbo生成光叶片，然后通过Gambit的操作直接在叶片上开孔或槽，也可以通过布尔运算或切割生成复杂的内冷通道等。因此Turbo模块可以极大地提高叶轮机械的建模效率。

该模块用于同Pro/Engineer软件直接传递几何数据、实体信息，提高建模效率。

该模块主要用于计算域随时间发生变化情况下的流场模拟，如飞行器姿态变化过程的流场特性的模拟、飞行器分离过程的模拟、飞行器轨道的计算等。

该模块主要用于预测所模拟流动的气动噪声，对于工程应用可用于降噪，如用于车辆领域或风机等领域，降低气流噪声。

该模块主要用于模拟磁场、电场作用时对流体流动的影响，主要用于冶金及磁流体发电领域。

该模块主要应用于纺织工业中纤维拉制成型过程的模拟。

2.4　FLUENT与ANSYS Workbench

FLUENT 16.0被集成到ANSYS Workbench平台后，其使用方法有了一些新特点。为了让读者更好地在ANSYS Workbench平台中使用FLUENT，本节将简要介绍ANSYS Workbench及其与FLUENT之间的关系。

ANSYS Workbench提供了多种先进工程仿真技术的基础框架。全新的项目视图概念将整个仿真过程紧密地组合在一起，引导用户通过简单的鼠标拖曳操作完成复杂的多物理场分析流程。

Workbench所提供的CAD双向参数互动、强大的全自动网格划分、项目更新机制、全面的参数管理和无缝集成的优化工具等，使ANSYS Workbench平台在仿真驱动产品设计方面达到了前所未有的高度。

ANSYS Workbench大大推动了仿真驱动产品的设计。各种仿真流程的紧密集成使得设置变得前所未有的简单，并且为一些复杂的多物理场仿真提供了解决方案。

ANSYS Workbench环境中的应用程序都是支持参数变量的，包括CAD几何尺寸参数、材料属性参数、边界条件参数以及计算结果参数等。在仿真流程各环节中定义的参数可以直接在项目窗口中进行管理，因而很容易研究多个参数变量的变化。

在项目窗口中，可以很方便地形成一系列表格形式的“设计点”，然后一次性地自动进行多个设计点的分析来完成“What-If”研究。

ANSYS Workbench全新的项目视图功能改变了工程师的仿真方式。仿真项目中的各项任务以互相连接的图形化方式清晰地表达出来，使用户对项目的工程意图、数据关系和分析过程一目了然。

只要通过鼠标的拖曳操作，就可以非常容易地创建复杂的、含多个物理场的耦合分析流程，在各物理场之间的数据传输也会自动定义好。

项目视图系统使用起来非常简单，直接从左边的工具栏中将所需的分析系统拖到项目视图窗口即可。完整的分析系统包含了所选分析类型的所有任务节点及相关应用程序，自上而下执行各个分析步骤即可完成整个分析。

ANSYS Workbench的操作界面主要由菜单栏、工具栏、工具箱和项目概图区组成，如图5所示。

图5　ANSYS Workbench的操作界面

工具箱包括以下5个组，如图6所示。

图6　工具箱中的5个组

Analysis Systems：可用的预定义的模板。

Component Systems：可存取多种程序来建立和扩展分析系统。

Custom Systems：为耦合应用预定义分析系统（FSI、thermal-stress等）。用户也可以建立自己的预定义系统。

Design Exploration：参数管理和优化工具。

External Connection Systems：用于建立与其他外部程序之间的数据连接。

需要进行某种项目分析时，可以通过两种方法在项目概图区生成相关分析项目的概图。一种是在工具箱中双击相关项目，另一种是用鼠标将相关项目拖至项目概图区内。

生成项目概图后，只需按照概图的顺序，从顶向下逐步完成，就可以实现一个完整的仿真分析流程。

在ANSYS Workbench中可以按如下步骤创建FLUENT分析项目并打开FLUENT。

（1）在Windows系统下执行“开始”→“所有程序”→ANSYS 16.0 →Workbench命令，启动ANSYS Workbench 16.0，进入主界面。

（2）双击主界面Toolbox（工具箱）中的Component Systems→Geometry（几何体）选项，即可在项目管理区创建分析项目A，如图7所示。

图7　创建Geometry（几何体）分析项目

（3）将工具箱中的Component Systems→Mesh（网格）选项拖到项目管理区中，悬挂在项目A中的A2栏“Geometry”上，当项目A2的Geometry栏红色高亮显示时，即可放开鼠标创建项目B，项目A和项目B中的Geometry栏（A2和B2）之间出现了一条线相连，表示它们之间可共享几何体数据，如图8所示。

图8　创建Mesh（网格）分析项目

（4）将工具箱中的Analysis Systems→Fluid Flow(FLUENT) 选项拖到项目管理区中，悬挂在项目B中的B3栏“Mesh”上，当项目B3的Mesh栏红色高亮显示时，即可放开鼠标创建项目C。

项目B和项目C中的Geometry栏（B2和C2）和Mesh栏（B3和C3）之间各出现了一条线相连，表示它们之间可共享数据，如图9所示。

图9　创建FLUENT分析项目

也可以直接生成图9中的项目C而不生成项目A和项目B，如图10所示，这样就不必使用ANSYS Workbench中集成的CAD模块DesignModeler生成和处理几何体。

图10　直接生成FLUENT分析项目

还可以直接生成单独的FLUENT分析项目（不包含前后处理），这与单独运行FLUENT的效果完全相同，如图11所示。

双击图9～图11中的任意一个FLUENT分析项目中的Setup项均可启动FLUENT软件。

图11　生成单独的FLUENT分析项目（不包含前后处理）

2.5　FLUENT 16.0的基本操作

本节将介绍FLUENT 16.0的用户界面和一些基本操作。FLUENT均指FLUENT 16.0版本。

在“开始”程序菜单中选择单独运行FLUENT主程序或者在ANSYS Workbench中运行FLUENT项目，弹出FLUENT Launcher对话框，如图12所示。在对话框中可以做如下选择。

图12　FLUENT Launcher对话框

二维或三维版本，在Dimension选项区中选择2D或3D。

单精度或双精度版本，默认为单精度，当选中Double Precision时选择双精度版本。

并行运算选项，可选择单核运算或并行运算版本。选择Serial时运行单核运算版本，选择Parallel时可利用多核处理器进行并行计算，并可设置使用处理器的数量。

界面显示设置（Display Options），一般保持默认设置。

当单击Show More Options前面的图片 10图标时，会得到展开的FLUENT Launcher对话框，如图13所示，可在其中设置工作目录、启动路径、并行运算类型、UDF编译环境等。

图13　展开的FLUENT Launcher对话框

设置完毕后，单击FLUENT Launcher对话框中的OK按钮，打开如图14所示的FLUENT主界面。FLUENT主界面由标题栏、菜单栏、工具栏、项目树、控制面板、图形窗口和文本窗口组成。

图14　FLUENT主界面

（1）标题栏中显示运行的FLUENT版本和物理模型的简要信息，以及文件名。例如，FLUENT [2d, pbns，lam]是指运行的FLUENT版本为2D单精度版本，运算基于压力求解，而且采用层流模型。

（2）菜单栏中包括File、Mesh、Define、Solve、Adapt、Surface、Display、Report、Parallel、View和Help菜单。

（3）工具栏中包含文件读取、保存、视图控制等常用命令的快捷图标。

（4）在项目树中可以打开参数设置、求解器设置、后处理的面板。

（5）控制面板中显示从项目树中选中的面板，在其中进行设置和操作。

（6）图形窗口用来显示网格、残差曲线、动画及各种后处理显示的图像。

（7）文本窗口中显示各种信息提示，包括版本信息、网格信息、错误提示等信息。

通过执行File→Read→Mesh命令，读入准备好的网格文件，如图15所示。

图15　读入网格文件

在FLUENT中，Case和Data文件（默认读入可识别的FLUENT网格格式）的扩展名分别为.cas和.dat。一般说来，一个Case文件包括网格、边界条件和解的控制参数。

如果网格文件是其他格式，相应地执行File→Import命令。

另外，FLUENT中常见的几种主要的文件形式如下。

.jou文件：日志文档，可以编辑运行。

.dbs文件：Gambit工作文件。

.msh文件：从Gambit输出的网格文件。

.cas文件：经FLUENT定义的文件。

.dat文件：经FLUENT计算的数据结果文件。

读入网格之后要检查网格，相应的操作方法为在General面板中单击Check按钮，或者执行Mesh→Check命令，如图16所示。

图16　检查网格的操作

在检查网格的过程中，用户可以在控制台窗口中看到区域范围、体积统计以及连通性信息。网格检查最容易出现的问题是网格体积为负数。如果最小体积是负数，就需要修复网格以减少解域的非物理离散。

单击项目树中的Models项，打开Models面板，可以选择采用的基本物理模型，如图17所示，包括多相流模型、能量方程、湍流模型、辐射模型、换热器模型、组分传输模型、离散相模型、融化和凝固模型、噪声模型等。

图17　选择采用的基本物理模型

在FLUENT 16.0中，也可以在项目树中进行参数项的选取和设置，采用何种方式取决于用户的习惯，以下为演示功能，均采用项目树中选取项目，控制面板中设置参数的顺序，其他方式不再赘述。

单击相应的物理模型后，会弹出相应的对话框对模型参数进行设置。

单击项目树中的Materials项，打开Materials面板，可以看到材料列表，如图18所示。

图18　Materials 面板中的材料列表

单击Materials面板中的Creat/Edit按钮，可以打开材料编辑对话框，如图19所示。

图19　材料编辑对话框

在材料编辑对话框中单击FLUENT Database按钮，可以打开FLUENT的材料库选择材料，如图20所示。也可以单击User-Defined Datebase按钮，自定义材料属性。

图20　FLUENT的材料库

在进行多相流计算时，选择完多相流计算模型后，项目树中的Modles→Multiphase下面会出现Phases和Phase Interactions的分支，可以双击项目树中的Phases项，打开Phases面板，单击Edit按钮，可以进行相和相界面的定义。图21所示定义的是空气相和水相。

图21　相的定义

单击项目树中的Cell Zone Conditions项，可以打开Cell Zone Conditions面板设置区域类型，如图22所示。

图22　设置区域类型

单击Cell Zone Conditions面板中的Edit按钮，可以打开流体或固体区域的参数设置对话框，对区域的运动、源项、反应、多孔介质等参数进行设置，如图23所示。

图23　流体和固体区域的参数设置对话框

单击项目树中的Boundary Conditions项，打开Boundary Conditions面板，可以选择边界类型，如图24所示。

图24　Boundary Conditions面板

单击Boundary Conditions面板中的Edit按钮，可以打开边界条件参数设置对话框。图25所示为壁面边界条件的设置对话框。

图25　壁面边界条件的设置对话框

边界条件的相关内容，将在第5章中详细介绍。

单击项目树中的Dynamic Mesh项，打开Dynamic Mesh面板，可以设置动网格的相关参数，如图26所示。在面板中可以设置局部网格更新方法：Smoothing（网格光滑更新）、Layering（网格层变）和Remeshing（局部网格重新划分）。

图26　动网格设置面板

当选择Smoothing时，需要网格光滑更新的参数，包括弹性常数因子（Sping Constant Factor）、边界节点松弛（Boundary Node Relaxation）、收敛公差（Convergence Tolerance）和迭代数（Number of Iterations）。

当选择Layering网格更新方法时，选项包括常数高度（Constant Height）和常数变化率（Constant Ratio）。设置参数包括分裂因子（Split Factor）和合并因子（Collapse Factor）。

当选择Remeshing时，需要设置的参数有尺寸函数（Sizing Function）、必须改善扭曲（Must Improve Skewness）和面重划分（Face Remeshing）。

在Dynamic Mesh面板中的Options选项组中有In-Cylinder（活塞内腔）、Six DOF（六自由度）和Implicit Update（隐式更新）等选项。对于活塞内腔的往复运动，需要选中In-Cylinder选项。对于自由度的运动，需要选中Six DOF选项。

单击项目树中的Reference Values项，打开Reference Values面板，可以设置参考参数，如图27所示。这些参考参数用来计算如升力系数、阻力系数等与参考参数相关的值。具体操作方法请参考帮助文档。

图27　设置参考参数

单击项目树中的Solution Methods项，打开Solution Methods面板，如图28所示。可以设置求解算法SIMPLE、SIMPLEC、PISO等，同时还可以设置各物理量或方程的离散格式。各种算法及离散格式的物理意义可参考第1章的相关内容，具体操作方法请参考帮助文档。

图28　算法及离散格式设置面板

单击项目树中的Solution Controls项，打开Solution Controls面板，可以设置求解松弛因子，以控制收敛性和收敛速度，如图29所示。具体操作方法请参考帮助文档。

图29　求解参数设置

单击项目树中的Monitors项，打开Monitors面板，如图30所示。可以设置监视点、线、面、体上的压力、速度、流量、力等物理量随迭代次数或时间的变化，并绘制成曲线。最常用的是监视求解的残差曲线，也称为收敛曲线。具体操作方法请参考帮助文档。

图30　设置监视窗口

迭代之前要初始化流场，即提供一个初始解。用户可以从一个或多个边界条件算出初始解，也可以根据需要设置流场的数值。单击项目树中的Solution Initialization项，打开Solution Initialization面板，如图31所示。初始化时，设置流场初始化的源面或者具体物理量的值，单击Initialize按钮开始初始化。

图31　流场初始化面板

在Calculation Activities和Run Calculation面板中，可以设置自动保存间隔步数、自动输出文件、求解动画、自动初始化、迭代步数、迭代步长等与运行计算相关的参数，如图32所示。具体操作方法请参考帮助文档。

图32　与运行计算相关的参数设置

FLUENT自带的后处理功能，分别在Graphics and Animations面板、Plots面板及Reports面板中实现，这些将在后面的章节中详细介绍。

问题的定义和FLUENT计算结果分别保存在Case文件和Data文件中。必须保存这两个文件以便以后重新启动分析。保存Case文件和Data文件的方法为执行File→Write→Case&Data命令。

一般来说，仿真分析是一个反复改进的过程，如果首次仿真结果精度不高或不能反映实际情况，可提高网格质量，调整参数设置和物理模型，使结果不断接近真实值，提高仿真精度。

2.6　FLUENT的一个简单实例

1．网格导入与处理

（1）在“开始”程序菜单中运行FLUENT主程序，出现FLUENT Launcher对话框，选择3D，其他保持默认设置，单击OK按钮进入FLUENT界面，读入网格文件jointpipe.msh，如图33所示。

图33　FLUENT Launcher对话框与FLUENT界面

（2）检查网格文件。单击General面板中的Check按钮，如图34所示，对网格进行检查。需保证网格最小单元体积minimum volume不小于0，即没有负体积网格。

图34　General 面板

（3）设置网格区域尺寸。单击General面板中的Scale按钮，在Mesh Was Created In下拉列表中选择mm，在View Length Unit In下拉列表中选择mm，如图35所示。完成后单击Close按钮关闭对话框。

图35　网格区域尺寸设置

（4）执行Mesh→Reorder→Domain命令，如图36所示。对计算域内的网格进行重新排序，可加快求解速度。这个操作有可能需要重复操作几次，直至命令窗口中显示Bandwidth reduction小于或等于1为止。

图36　对网格重新排序

（5）将网格转化为Polyhedra型网格（多面体型）。执行Mesh→Polyhedra→Convert Domain命令，如图37所示。转化后的网格如图38所示。

图37　将非结构化网格转化成多面体网格

图38　计算域多面体网格

2．设置物理模型和材料

（1）设置求解器类型。本例选择基于压力的求解器（Pressure Based），求解定常流动。设置重力加速度为Y轴负方向，大小为9.8 m/s²，如图34所示。

（2）选择湍流模型。单击项目树中的Models，打开Models面板，如图39所示。双击Viscous Laminar项，打开Viscous Model对话框。

图39　Models面板

在Viscous Model对话框中的Model列表中选择k-epsilon两方程模型，对话框将自动扩展成图40所示的对话框。在k-epsilon Model选项区中选择Realizable，其他保持默认设置。单击OK按钮关闭对话框。

图40　Viscous Model对话框

（3）设置流体材料。本例中的流体是水，为不可压缩流动。单击Materials项，打开Materials面板，双击面板中的Fluid项，打开Create/Edit Materials对话框，如图41所示。

图41　Create/Edit Materials对话框

面板中的默认流体材料为空气（Air），固体材料为铝（Aluminum）。单击FLUENT Database按钮，打开FLUENT Database Materials对话框，在FLUENT Fluid Materials列表中选中water-liquid(h2o)，即液态水，单击Copy按钮将材料参数复制到当前材料库中，单击Close按钮，关闭FLUENT Database Materials对话框，如图42所示。再单击Close按钮，关闭Create/Edit Materials对话框。

图42　FLUENT Database Materials对话框

单击项目树中的Cell Zone Conditions项，打开Cell Zone Conditions面板。双击Zone列表中的branch-fluid项，打开Fluid对话框，如图43所示。在Material Name右侧的下拉列表中选择water-liquid，单击OK按钮，关闭Fluid对话框。

图43　定义计算域材料

3．设置操作环境和边界条件

（1）设置操作环境。执行Define→Operating Conditions命令，打开Operating Conditions对话框，如图44所示。在Operating Pressure下面的输入框中输入操作压强为0 Pa，其他保持默认设置。单击OK按钮，关闭Operating Conditions对话框。

图44　设置操作环境

（2）设置边界条件。单击Boundary Conditions选项，打开Boundary Conditions面板。选中Zone列表中的inlet。inlet是流量入口边界条件。在inlet被选中的状态下，在Type下拉列表中选中mass-flow-inlet边界条件，如图45所示。

图45　选择流量入口边界条件

在inlet被选中的状态下，单击Edit按钮，弹出Mass-Flow-Inlet对话框，在该对话框中设置流量入口边界条件的各项参数，如图46所示。

图46　设置流量入口边界条件参数

在Mass Flow Rate中输入605.6 kg/s，初始表压设置为200 000 Pa。

在Specification Method下拉列表中选择湍流强度的定义方法，此处选择Intensity and Viscosity Ratio，即用湍流强度和黏性比定义湍流，其值采用默认值10。

单击OK按钮，关闭流量入口边界条件设置对话框。

用同样的方法设置出口边界条件。出口边界条件为Outflow，即自由出口边界条件，如图47所示。保持默认设置，单击OK按钮，关闭Outflow对话框。

图47　Outflow对话框

4．设置求解方法和控制参数

（1）设置求解方法。单击项目树中的Solution Methods选项，打开Solution Methods面板，对求解方法进行设置，选择求解的方程类型和微分方程离散格式。

在压力-速度耦合方式（Pressure-Velocity Coupling）下拉列表中选择SIMPLE，即采用SIMPLE算法。

在微分离散格式选项中，梯度（Gradient）选择Green-Gauss Cell Based，压力（Pressure）采用PRESTO！格式，动量方程（Momentum）选择二阶迎风格式（Second Order Upwind），湍流脉动能量和湍流耗散率也采用二阶迎风格式。设置完成后的Solution Methods面板如图48所示。

图48　求解方法设置面板

（2）设置求解控制参数。单击项目树中的Solution Controls选项，打开Solution Controls面板，对求解过程中的控制参数进行设置，设置各项松弛因子如图49所示。

图49　松弛因子设置面板

5．设置监视窗口和初始化

（1）设置残差监视窗口。单击项目树中的Monitors选项，打开Monitors面板，双击Monitors面板中的Residuals项，打开残差监视器设置对话框。选中Print to Console和Plot选项，在Convergence Criterion下拉列表中选择none，即不自动进行收敛判断。其他保持默认设置，如50所示。

图50　设置残差监视窗口

（2）设置出口速度监视窗口。单击项目树中的Monitors项，打开Monitors面板，单击Monitors面板中Surface Monitors列表下面的Create按钮，打开Surface Monitor对话框，如图2-51所示。选中Print to Console、Plot和Write选项。设置监视器窗口为2号窗口。

报告类型（Report Type）设置为Facet Average，即表面平均值。

在场变量（Field Variable）下拉列表中选择Velocity。

在Surfaces列表中选中outlet。

图51　设置出口速度监视窗口

（3）初始化流场。单击项目树中的Solution Initialization选项，打开Solution Initialization（流场初始化）面板，如图52所示。在Compute From下拉列表中选中inlet，表示整个流场中的初始状态与边界inlet上的流场状态相同。单击Initialize按钮，完成流场的初始化。

图52　流场初始化面板

6．求解

（1）开始迭代。单击项目树中的Run Calculation项，打开Run Calculation面板，在Number of Iterations下面的输入框中输入500，即迭代500步，如图53所示。单击Calculate按钮，开始计算。

图53　设置迭代步数

（2）迭代开始后，图形窗口中会动态显示残差值和出口平均水流速度随迭代过程的变化曲线。当迭代完500步后，出口速度收敛曲线如图54所示。由收敛曲线可以看出，出口平均水流速度基本不变化，可以认为计算已经收敛。

图54　出口平均水流速度收敛曲线

7．保存计算结果并退出

（1）执行File→Write→Case&Data命令，保存案例文件和计算结果。

（2）退出FLUENT。单击FLUENT界面右上角的图片 56（关闭）按钮，在弹出的Warning对话框（见图55）中，单击OK按钮，退出FLUENT。

图55　确认关闭FLUENT

本文节选自《ANSYS FLUENT 16.0超级学习手册》

内容简介

全书分为基础和实例两个部分，共16章。基础部分详细介绍了流体力学的相关理论基础知识和ANSYS FLUENT 16.0软件，包括FLUENT软件、前处理、后处理、常用的边界条件等内容；实例部分包括导热问题、流体流动与传热、自然对流与辐射换热、凝固和融化过程、多相流模型、离散相、组分传输与气体燃烧、动网格问题、多孔介质内部流动与换热、UDF基础应用和燃料电池问题等的数值模拟。本书每个实例都有详细的说明和操作步骤，读者只需按书中的方法和步骤进行软件操作，即可完成一个具体问题的数值模拟和分析，进而逐步学会ANSYS FLUENT 16.0软件的使用。本书光盘配有书中实例的几何模型以及实例的网格模型，方便读者查阅。

本书内容翔实，既可以作为动力、能源、水利、航空、冶金、海洋、环境、气象、流体工程等专业领域的工程技术人员参考用书，也可以作为高等院校相关专业高年级本科生、研究生的学习用书。

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