2024年-Fluent入門基礎(chǔ)培訓(xùn)

Fluent基礎(chǔ)1

主要內(nèi)容發(fā)展歷史基本功能軟件結(jié)構(gòu)及常用文件類型安裝方法（基于6.3版本）基本概念求解器的選擇離散格式初始化邊界條件的設(shè)定可用的參考資料22024/5/14發(fā)展歷史1975年謝菲爾德大學(xué)（UK）開發(fā)了Tempest1983年美國(guó)的流體技術(shù)服務(wù)公司creature推出fluent1988年FluentInc.成立1995年收購(gòu)最大對(duì)手FDI公司（

FIDAP）1997年收購(gòu)Polyflow公司（粘彈性和聚合物流動(dòng)模擬）2006年被ANSYS收購(gòu)在被ANSYS收購(gòu)后為6.3版本2009年6月發(fā)布12.0版本2010年底發(fā)布13.0版本2011年底發(fā)布14.0版本32024/5/14基本功能（1）可壓縮與不可壓縮流動(dòng)問題；穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)問題；無粘流、層流及湍流問題；牛頓流體及非牛頓流體；對(duì)流換熱問題（包括自然對(duì)流和混合對(duì)流）；導(dǎo)熱與對(duì)流換熱耦合問題；輻射換熱；慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的流動(dòng)問題模擬；42024/5/14基本功能（2）多運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下的流動(dòng)問題；化學(xué)組分混合與反應(yīng)；可以處理熱量、質(zhì)量、動(dòng)量和化學(xué)組分的源項(xiàng)；用Lagrangian軌道模型模擬稀疏相（顆粒，水滴，氣泡等）；多孔介質(zhì)流動(dòng)；一維風(fēng)扇、熱交換器性能計(jì)算；兩相流問題；復(fù)雜表面形狀下的自由面流動(dòng)。52024/5/14軟件結(jié)構(gòu)及常用文件類型（1）FLUENT包應(yīng)該包括以下幾個(gè)部分：FLUENT解法器prePDF，用于模擬PDF燃燒過程GAMBIT，網(wǎng)格生成TGrid，額外的處理器，用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。Filters(Translators)，轉(zhuǎn)換其它程序生成的網(wǎng)格，用于FLUENT計(jì)算?？梢越涌诘某绦虬ǎ篈NSYS,I-DEAS,NASTRAN,PATRAN等。62024/5/14軟件結(jié)構(gòu)及常用文件類型（2）GAMBIT設(shè)置幾何形狀生成2D或3D網(wǎng)格其它軟件包，如CAD，CAE等FLUENT網(wǎng)格輸入及調(diào)整物理模型邊界條件流體物性確定計(jì)算結(jié)果后處理TGrid2D三角網(wǎng)格3D四面體網(wǎng)格2D和3D混合網(wǎng)格prePDFPDF查表2D或3D網(wǎng)格幾何形狀或網(wǎng)格PDF程序網(wǎng)格邊界和（或）體網(wǎng)格邊界網(wǎng)格基本程序結(jié)構(gòu)示意圖72024/5/14軟件結(jié)構(gòu)及常用文件類型（3）FLUENT軟件文件類型：.jou文件：日志文檔，可以編輯運(yùn)行。.dbs文件：Gambit工作文件，若想修改網(wǎng)格，可以打開進(jìn)行再編輯,可以打開進(jìn)行再編輯。.msh文件：Gambit輸出的網(wǎng)格文件。.cas文件：.msh文件經(jīng)過Fluent處理后得到的文件。.dat文件：FLUENT計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果的數(shù)據(jù)文件。

82024/5/14安裝方法Fluent最初只支持UNIX操作系統(tǒng)，面向高端用戶。隨著Windows的普及，F(xiàn)luent也開始支持Windows系統(tǒng)。但其前處理軟件Gambit仍然需要在UNIX系統(tǒng)下運(yùn)行。所以在安裝Gambit前，要安裝一個(gè)模擬UNIX系統(tǒng)的軟件Exceed。基于Fluent6.3的軟件安裝及破解方法：1.安裝之前，時(shí)間調(diào)整到2005年；2.先裝exceed（安裝文件在X:\Exceed.v9.0\Exceed\SETUP），再裝gambit，最后裝fluent；3.按照提示，復(fù)制相應(yīng)的許可證license到fluent和gambit的目錄里；4.設(shè)置初始環(huán)境；5.設(shè)置完初始環(huán)境之后，把時(shí)間調(diào)整過來，重啟電腦！92024/5/14基本概念（1）理想與實(shí)際流體：根據(jù)是否考慮流體的粘性，可將流體分為理想流體和實(shí)際流體?？蓧嚎s流體與不可壓縮流體：根據(jù)流體壓縮性的大小，可將流體分為可壓縮流體與不可壓縮流體。密度隨壓強(qiáng)變化大且不可視為常數(shù)的為可壓縮流體，反之，稱為不可壓縮流體。

正常情況下，液體和低速氣體（<50m/s）可視為不可壓縮流體。牛頓流體和非牛頓流體：根據(jù)流體是否滿足牛頓內(nèi)摩擦定律，可將流體分為牛頓流體和非牛頓流體。符合牛頓內(nèi)摩擦定律，也就是切應(yīng)力與速度梯度成正比的流體為牛頓流體。水、酒精等大多數(shù)純液體、輕質(zhì)油、低分子化合物溶液以及低速流動(dòng)的氣體等均為牛頓流體；非牛頓流體：油漆、稀潤(rùn)滑脂、高分子溶液、乳化液、淀粉糊、石灰漿、牛奶、牙膏、血液、泥漿等。102024/5/14基本概念（2）層流和湍流：層流是流體運(yùn)動(dòng)規(guī)則，各部分分層流動(dòng)互不摻混，質(zhì)點(diǎn)的軌線是光滑的，而且流動(dòng)穩(wěn)定。湍流的特征則完全相反，流體運(yùn)動(dòng)極不規(guī)則，各部分激烈摻混，質(zhì)點(diǎn)的軌線雜亂無章，而且流場(chǎng)極不穩(wěn)定。這兩種截然不同的運(yùn)動(dòng)形態(tài)在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化?？捎美字Z數(shù)進(jìn)行判定。雷諾數(shù)是流體慣性力與黏性力比值的量度，它是一個(gè)無量綱量。

雷諾數(shù)較小時(shí)，黏滯力對(duì)流場(chǎng)的影響大于慣性力，流場(chǎng)中流速的擾動(dòng)會(huì)因黏滯力而衰減，流體流動(dòng)穩(wěn)定，為層流；反之，若雷諾數(shù)較大時(shí)，慣性力對(duì)流場(chǎng)的影響大于黏滯力，流體流動(dòng)較不穩(wěn)定，流速的微小變化容易發(fā)展、增強(qiáng)，形成紊亂、不規(guī)則的紊流流場(chǎng)。112024/5/14基本概念（3）定常流動(dòng)和非定常流動(dòng)：以時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)流體流動(dòng)的物理量（如速度、壓力、溫度等）是否隨時(shí)間變化，將流動(dòng)分為定常與非定常兩大類。當(dāng)流動(dòng)的物理量不隨時(shí)間變化，為定常流動(dòng)；反之稱為非定常流動(dòng)。許多流體機(jī)械在起動(dòng)或關(guān)機(jī)時(shí)的流體流動(dòng)一般是非定常流動(dòng)，而正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可看作是定常流動(dòng)。122024/5/14基本概念（4）亞音速流動(dòng)與超音速流動(dòng)：當(dāng)氣流速度很大，或者流場(chǎng)壓力變化很大時(shí)，流體就受到了壓縮性的影響。馬赫數(shù)是流體速度與當(dāng)?shù)匾羲僦戎?，而音速在不同高度、溫度等狀態(tài)下又有不同數(shù)值，因此無法將Ma的數(shù)值換算為固定的km/hr或mph等單位。Ma<1時(shí)，為亞音速流動(dòng)；Ma<<1時(shí)，流體的可壓縮性及壓力脈動(dòng)對(duì)密度變化影響都可以忽略;Ma≈1時(shí)候（跨音速），可壓縮性影響就顯得十分重要了；Ma>1，超音速流動(dòng)。132024/5/14基本概念（5）熱傳導(dǎo)及擴(kuò)散：當(dāng)流體中存在溫度差時(shí)，溫度高的地方將向溫度低的地方傳送熱量，這種現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)。同樣地，當(dāng)流體混合物中存在組元的濃度差時(shí)，濃度高的地方將向濃度低的地方輸送該組元的物質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。理想流體忽略了粘性，即忽略了分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量輸運(yùn)性質(zhì)，因此在理想流體中也不應(yīng)考慮質(zhì)量和能量輸運(yùn)性質(zhì)——擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)，因?yàn)樗鼈兙哂邢嗤奈⒂^機(jī)制。142024/5/14基本概念（6）有旋流動(dòng)和無旋流動(dòng)：有旋流動(dòng)是指流場(chǎng)中各處的旋度(流體微團(tuán)的旋轉(zhuǎn)角速度)不等于零的流動(dòng)，無旋流動(dòng)是指流場(chǎng)中各處的旋度都為零的流動(dòng)。流體運(yùn)動(dòng)是有旋流動(dòng)還是無旋流動(dòng)，取決于流體微團(tuán)是否有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與流體微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)軌跡無關(guān)。流體流動(dòng)中，如果考慮粘性，由于存在摩擦力，這時(shí)流動(dòng)為有旋流動(dòng)：如果粘性可以忽略，而流體本身又是無旋流，這時(shí)流動(dòng)為無旋流動(dòng)。例如，均勻氣流流過平板，在緊靠壁面的附面層內(nèi)，需要考慮粘性影響，因此，附面層內(nèi)為有旋流動(dòng)，附面層外的流動(dòng)，就性可以忽略，為無旋流動(dòng)。152024/5/14求解器選擇（1）FLUENT求解器：

(1)FLUENT2d

——二維單精度求解器；(2)FLUENT3d

——三維單精度求解器：(3)FLUENT2ddp

——二維雙精度求解器；(4)FLUENT3ddp

——三維雙精度求解器。162024/5/14求解器選擇（2）FLUENT中有兩種求解器–壓力基和密度基。壓力基求解器以動(dòng)量和壓力為基本變量通過連續(xù)性方程導(dǎo)出壓力和速度的耦合算法只采用隱式方式對(duì)控制方程進(jìn)行線性化壓力基求解器有兩種算法分離求解器–壓力修正和動(dòng)量方程順序求解。耦合求解器(PBCS)–壓力和動(dòng)量方程同時(shí)求解

用哪種壓力梯度來計(jì)算控制方程中的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)。172024/5/14求解器選擇（3）壓力基求解器通過連續(xù)性方程和動(dòng)量方程導(dǎo)出壓力方程或壓力修正方程壓力-速度耦合方程求解算法Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations(SIMPLE)默認(rèn)算法，穩(wěn)健性好SIMPLE-Consistent(SIMPLEC)對(duì)簡(jiǎn)單問題，收斂更快，如層流Pressure-ImplicitwithSplittingofOperators(PISO)對(duì)非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)或者高扭曲度網(wǎng)格有用Coupled壓力基耦合求解器182024/5/14求解器選擇（4）密度基耦合求解器以矢量方式求解連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和組分方程通過狀態(tài)方程得到壓力其他標(biāo)量方程按照分離方式求解DBCS可以顯式或隱式方式求解隱式:使用高斯賽德爾方法求解所有變量顯式:用多步龍格庫(kù)塔顯式時(shí)間積分法。192024/5/14求解器選擇（5）202024/5/14求解器選擇（6）212024/5/14求解器選擇（7）壓力基求解器應(yīng)用范圍覆蓋從低壓不可壓縮流到高速壓縮流需要的內(nèi)存少求解過程靈活壓力基耦合求解器

(PBCS)適用于大多數(shù)單相流，比分離求解器性能更好不能用于多相流（歐拉）、周期質(zhì)量流和NITA比分離求解器多用1.5–2倍內(nèi)存密度基耦合求解器(DBCS)適用于密度、能量、動(dòng)量、組分間強(qiáng)耦合的現(xiàn)象例如:伴有燃燒的高速可壓縮流動(dòng)，超高音速流動(dòng)、激波干擾隱式方法一般優(yōu)于顯式，因?yàn)槠鋵?duì)時(shí)間步有嚴(yán)格的限制顯式方法一般用于流動(dòng)時(shí)間尺度和聲學(xué)時(shí)間尺度相當(dāng)?shù)那闆r（如高馬赫激波的傳播）222024/5/14離散格式（1）在對(duì)指定問題進(jìn)行CFD計(jì)算之前，首先要將計(jì)算區(qū)域離散化，即對(duì)空間上連續(xù)的計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，把它劃分成許多個(gè)子區(qū)域，并確定每個(gè)區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)，從而生成網(wǎng)格。然后將控制方程在網(wǎng)格上離散，即將偏微分方程格式的控制方程轉(zhuǎn)化為各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的代數(shù)方程組，然后求解離散方程組，得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的解。節(jié)點(diǎn)之間的近似解，一般認(rèn)為光滑變化，原則上可以應(yīng)用插值方法確定，從而得到整個(gè)計(jì)算域上的近似解。這種插值方式被稱為離散格式（discrezitationscheme）232024/5/14離散格式（2）242024/5/14離散格式（3）對(duì)流項(xiàng)的插值方法有:First-OrderUpwind–易收斂，一階精度PowerLaw–對(duì)低雷諾數(shù)流動(dòng)(

Recell<5)比一階格式更精確Second-OrderUpwind–尤其適用流動(dòng)和網(wǎng)格方向不一致的四面體/三角形網(wǎng)格，二階精度，收斂慢MonotoneUpstream-CenteredSchemesforConservationLaws(MUSCL)–對(duì)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，局部三階精度，對(duì)二次流、旋轉(zhuǎn)渦、力等預(yù)測(cè)的更精確QuadraticUpwindInterpolation(QUICK)–適用于四邊形/六面體以及混合網(wǎng)格，對(duì)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)有用，在均勻網(wǎng)格上能達(dá)到三階精度252024/5/14離散格式（4）262024/5/14離散格式（5）為了得到擴(kuò)散通量、速度導(dǎo)數(shù)，以及高階離散格式，都需要求解變量的梯度單元中心的變量梯度由以下三種方法得到:Green-GaussCell-Based–可能會(huì)引起偽擴(kuò)散Green-GaussNode-Based–更精確，更少偽擴(kuò)散，建議對(duì)三角形/四面體網(wǎng)格采用Least-SquaresCell-Based–建議對(duì)多面體網(wǎng)格采用，精度和屬性同Node-based面上的梯度用多級(jí)泰勒級(jí)數(shù)展開求得272024/5/14離散格式（6）使用分離算法時(shí)，計(jì)算面上壓力的插值方法有:Standard–默認(rèn)格式，對(duì)于近邊界的沿面法向存在大壓力梯度流動(dòng)，精度下降（如果存在壓力突變，建議改用PRESTO!）PRESTO!–用于高度旋流，包括壓力梯度突變（多孔介質(zhì)，風(fēng)扇模型等）或者計(jì)算域存在大曲率的面Linear–當(dāng)其他格式導(dǎo)致收斂問題或非物理解時(shí)使用Second-Order–用于壓縮流，不適用多孔介質(zhì)、風(fēng)扇、壓力突變以及VOF/Mixture多相流BodyForceWeighted–用于大體積力的情況，如高瑞利數(shù)自然對(duì)流或高旋流282024/5/14離散格式（7）292024/5/14初始化（1）FLUENT要求所有的求解變量有初始值更真實(shí)的初值能提高收斂穩(wěn)定性，加速收斂過程.有些情況需要一個(gè)好的初值在特定區(qū)域?qū)μ囟ㄗ兞繂为?dú)賦值自由射流（噴射區(qū)高速）燃燒問題（高溫激活反應(yīng)）單元標(biāo)注（自適應(yīng)）302024/5/14FMG初始化（2）FullMultiGrid(FMG)能用來創(chuàng)建更好的初場(chǎng)FMG初始化對(duì)包括大的壓力梯度和速度梯度的復(fù)雜流動(dòng)有用在粗級(jí)別網(wǎng)格上求解一階歐拉方程可用于壓力基或密度基求解器，但限于穩(wěn)態(tài)問題啟動(dòng)FMG初始化壓力基求解器:/solve/init/fmg-initialization密度基求解器:當(dāng)選擇密度基求解器后在GUI里可見

FMG在粗網(wǎng)格上用多重網(wǎng)格求解通過TUI命令來設(shè)置

/solve/init/set-fmg-initialization312024/5/14邊界條件的設(shè)定（1）速度進(jìn)口邊界條件（velocity-inlet）：給出進(jìn)口速度及需要計(jì)算的所有標(biāo)量值。該邊界條件適用于不可壓縮流動(dòng)問題。322024/5/14邊界條件的設(shè)定（2）壓力進(jìn)口邊界條件（pressure-inlet）：壓力進(jìn)口邊界條件通常用于給出流體進(jìn)口的壓力和流動(dòng)的其它標(biāo)量參數(shù)，對(duì)計(jì)算可壓和不可壓?jiǎn)栴}都適合。壓力進(jìn)口邊界條件通常用于不知道進(jìn)口流率或流動(dòng)速度時(shí)候的流動(dòng)，這類流動(dòng)在工程中常見，如浮力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)問題。壓力進(jìn)口條件還可以用于處理外部或者非受限流動(dòng)的自由邊界。壓力邊界條件的設(shè)置如圖，其中第一項(xiàng)的表壓強(qiáng)與絕對(duì)壓強(qiáng)，參考?jí)簭?qiáng)有如下關(guān)系：Operatingpressure輸入：Define—>operatingconditions332024/5/14邊界條件的設(shè)定（3）表壓operatingpressure壓力水平operatingpressure絕對(duì)壓力真空如果流動(dòng)是亞聲速的，則會(huì)忽略Supersonic/InitialGaugePressure，它是由指定的駐點(diǎn)值來計(jì)算的。這里給出的表壓強(qiáng)的大小，是入口邊界上的總壓。342024/5/14邊界條件的設(shè)定（4）質(zhì)量流量進(jìn)口邊界條件(mass-flow-inlet)：給定入口邊界上的質(zhì)量流量。主要用于可壓縮流動(dòng)問題，對(duì)于不可壓縮問題，由于密度是常數(shù)，可以使用速度入口條件。如果壓力邊界條件和質(zhì)量邊界條件都適合流動(dòng)時(shí)，優(yōu)先選擇用壓力進(jìn)口條件。壓力出口邊界條件(pressure-outlet)：需要給定出口靜壓（表壓）。而且，該壓力只用于亞音速計(jì)算。如果局部變成超音速，則根據(jù)前面來流條件外推出口邊界條件。需要特別指出的是，這里的壓力是相對(duì)于前面給定的工作壓力。如果有回流出現(xiàn)，給的表壓將視為總壓，所以不必給出回流壓力?；亓髁鲃?dòng)方向與出口邊界垂直。352024/5/14邊界條