计算流体动力学(CFD)简介

另外，TGrid和Fluent（Translators）是独立于Fluent的前处理器，其 中 TGrid用于从现有的边界网格生成体网格，Filters可以转换由其他软件生 成的网格从而用于Fluent计算。与Filters接口的程序包括ANSYS、 I-DEAS、NASTRAN 、 PATRAN等。 （2）求解器： 它是流体计算的核心，根据专业领域的不同，求解 器主要分以下几种类型。 ①Fluent4.5：基于结构化网格的通用CFD求解器。 ②Fluent6.2.16：基于非结构化网格的通用CFD求解器。 ③ Fidap：基于有限元方法，并且主要用于流固耦合的通用CFD求 解器。 ④ Polyflow：针对粘弹性流动的专用CFD求解器。 ⑤ Mixsim：针对搅拌混合问题的专用CFD软件。 ⑥ Icepak: 专用的热控分析CFD软件。 （3）后处理器：Fluent求解器本身就附带有比较强大的后处理功 能。另外，Tecplot也是一款比较专业的后处理器，可以把一些数据可视 化，这对于数据处理要求比较高的用户来说是一个理想的选择。
图3-6 矩形截面管道示意图
图3-7 流体计算区域示意图
2.4.2 实例分析
当利用Fluent解决某一工程问题时，要详细考虑以下几个问题： (1) 确定计算目标； (2) 选择计算模型； (3) 确定物理模型； (4) 确定解的程序。
2.4.3 实例操作步骤
1. 利用Gambit建立计算区域和指定边界条件类型 步骤1：文件的创建及其求解器的选择 (1) 启动Gambit软件 Gambit设置好环境变量以后，可以选择“开始”→“运行”打开如 图3-8所示的对话框，单击“确定”按钮。接着又会弹出如图3-9所示的 对话框，单击Run按钮可以启动Gambit软件，它的窗口布局如图3-10所 示。
图3-21 选中点后的情形
→Vertex
打开如图3-14的对话框。
图3-13 求解器类型
图3-14 点创建对话框
在Global选项区域内的 x、y 和 z 坐标对应的三个文本框中，依次 输 入其中一个控制点的坐标（各个控制点的坐标可以参考图3-7得到）， 然后单击Apply按钮，就可以在Gambit图形窗口中出现这个控制点。若 是 在创建某一点时，该点没有显示出来，可以单击Gambit右下角的 按 钮来解决这个问题。重复上述点的创建操作，就可以在图形窗口中绘制 出所有的控制点，如图3-15所示。可以按住鼠标右键并且上下拖动来缩 放图形。
图3-8 启动Gambit
图3-9 Gambit Statup对话框
图3-10 Gambit窗口的布局
(2)建立新文件 选择File→New打开如图3-11所示的文件创建对话框。在ID文本框
输 入channel作为Gambit要创建的文件名。Title是对这个文件的描述，可以 随意填写。
如图3-11 建立新文件
“开始”→“程序”→Fluent Inc Products→Fluent 6.2.16→Set environment， 单击Set environment，就会进入如图3-3所示的对话框。单击“是”按钮 就设 置好了Fluent的环境变量。
图3-3 系统提示设置Fluent的环境变量
选择“开始”→“程序”→Fluent Inc Products→Gambit2.2.30→Set environment，单击Set environment，进入如图3-4所示的对话框。单击 “是”按钮就设置好了Gambit的环境变量。另外，注意以上两种环境变 量设置好后需要重启系统，否则仍会提示找不到环境变量。
图3-1 Fluent使用的网格的形状
1.2.2 各软件之间的协同关系 如图3-2所示，最基本的流体数值模拟可以通过以上软件的合作而 完成：UG/AutoCAD属于CAD，用来生成数值模拟所在区域的几何形状； Tgrid和Gambit 是把计算区域离散化，或网格的生成，其中Tgrid可以从 已有边界网格中生成体网格，而Gambit自身就可以生成几何图形和划分 网格的；Fluent求解器是对离散化且定义了边界条件的区域进行数值模 拟；Tecplot可以把从Fluent求解器导出的特定格式的数据进行可视化， 形象地描述各种量在计算区域内的分布。
Vertex List对话框
在Available列表中选择vertex.2和vertex.3，然后单击向右的箭头 ，就会出现如图3-21所示的情形。 单击图3-21中的Close按钮，然后单击图3-19中的Apply按钮确认对 点的选择，可以看到vertex.2和vertex.3连成直线。对其他的控制点重复 这样的操作，就可以得到如图3-22所示的四条直线围成的矩形区域。
2.2软件包相关知识 2.2.1 Fluent软件的组成
Fluent软件设计基于CFD软件群的思想，从用户需求角度出发，针 对各种复杂流动和物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，以期在 特定的领域内使设计速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而可 以高效率地解 决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，Fluent 开发了适用于各个领域的流动模拟软件，用于模拟流体流动，传热传 质、化学反应和其他复杂的物理现象，各模拟软件都采用了统一的网格 生成技术和共同的图形界面，它们之间的区别仅在于应用的工业背景不 同，因此大大方便了用户。 Fluent的软件包有以下几个部分组成。 （1）前处理器，Cambit用于网格的生成，它是具有超强组合建构 模 型能力的专用CFD前置处理器。Fluent系列产品皆采用Fluent公司自行 研 发的Cambit前处理软件来建立几何形状及生成网格。
控制方程
划分网格
初始条件
结果和分析
数值算法
离散格式
边界条件
求解控制参数
二 Fluent 概述
2.1 Fluent的工程应用背景
Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占 有率为60%，只要涉及流体，热传递，及化学反应等的工程问题，都可 以用Fluent进行解算。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法及强大 的前后处理功能，在航天航空、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等 方面都有着广泛的应用。 Fluent能够解决的工程问题可以归纳为以下几个方面： 1.采用三角形、四边形、四面体、六面体及其混合网格计算二维和 三维流动问题。计算过程中，网格可以自适应。 2.可压缩与不可压缩流动问题。 3.稳态和瞬态流动问题。 4.无粘流、层流及湍流问题。 5.牛顿流体及非牛顿流体。 6.对流换热问题（包括自然对流和混合对流）。
一 、计算流体动力学（CFD）简介 二 、 FLUENT 概述
计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简 称CFD）是通过计算机数值模拟计算和图象显示，对包含 有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。 CFD计算的基本思想：把原来在空间与时间坐标中连续 的物理量的场（如速度场，温度场等），用一系列有限个 离散点上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些 离散点上变量值之间关系的代数方程（称为离散方程）， 求解所建立起来的代数方程以获得所求变量的近似值。
7.导热与对流换热耦合问题。 8.辐射换热。 9.惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟。 10.多运动坐标系下的流动问题。 11.化学组分混合与反应。 12.可以处理热量、质量、动量和化学组分的源项。 13.用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相（颗粒、水滴、气泡等）。 14.多孔介质流动。 15.一维风扇、热交换器性能计算。 16.两相流问题。 17.复杂表面形状下的自由面流动。
需要注意的是，要选中Save current session复选框（呈现红色）才可 以创建新文件。然后单击Accept按钮，出现如图3-12所示的关于确认保 存文件对话框。
图3-12 确认保存文件对话框
单击Yes按钮，创建一个名为channel的新文件。
(3)选择求解器 创建玩新文件后，需要选择对应的求解器。求解器选择可以通过单 击主菜单中的Solver进行。从图3-13所示的子菜单可以看出，系统有很 多种求解器类型。本例的槽道速度场是利用Fluent求解器进行求解的， 所 以在子菜单中选择FLUENT 5/6。 步骤2：创建控制点 选择Operation →Gemetry
图3-15 槽道控制点示意图
步骤3：创建边 为了了解每个控制点的名称，单击窗口右下角即图3-16中的 钮，从而可以得到如图3-17所示的对话框。
按
图3-16 Gambit Control
图3-17 Specify Display Attributes对话框
单击Label选项前面的按钮，Label被选中，并且Label后面的On也要 选中，然后单击Apply按钮，就可以看到前面绘制的各个控制点名称 （如 图3-18所示）。若想消除名称的显示，只要选中Label后面的Off，然后 单击Apply按钮即可。
在以上介绍的Fluent软件包中，求解器Fluent6.2.16是应用范围最广的， 所以在以后的章节中我们会对它进行详细的介绍。这个求解器既可使用 结构化网格，也可使用非结构化网格。对于二维问题，可以使用四边形 网格和三角形网格；对于三维问题，可以使用六面体、四面体、金字塔 形以及契形单元，具体的网格见图3-1。Fluent6.2.16可以接受单块和 多 块网格，以及二维混合网格和三维混合网格。
图3-2 各软件之间的关系图
2.3.1 Fluent软件包的安装
Fluent的安装顺序如下： (1) 安装Exceed。推荐安装Exceed6.2版本。 (2) 安装Gambit。单击Gambit的安装，按照提示就可以完成安装，推 荐安装Gambit2.2.30。 (3) 安装Fluent。单击Fluent安装文件，按照提示就可以完成安装, 推 荐安装Fluent6.2..016。 一般来说，Fluent和Gambit的安装推荐使用默认安装设置。当按照以 上的安装步骤安装完毕以后，还要对Fluent和Gambit的环境变量进行设置 。
图3-18 各个控制点的名称的显示
选择Operation →Geometry →Edge 打开Greate Straight Edge 对话框（如图3-19所示）。 单击Vertices文本框后面的箭头，可以出现如图3-20所示的对话框。
图3-19 Greate Straight Edge对话框
图3-20
图3-5 GamBiblioteka Baiduit的运行
2.4 Fluent的简单实例 2.4.1 实例简介
下面介绍模拟如图3-6所示管道内速度场的操作过程。其中，管道的 宽度远远大于它的高度，所以侧壁对整个速度场的影响比较小，可以对速 度场的模拟进行简化。简化以后的数值模拟区域如图3-7所示，这仅仅是 原来管道在z=0处的XY截面，它可以看作为槽道，其长度L＝50mm，高度 H=1mm。注意长宽比L/H>10，这是槽道内流体充分流动的必要条件，设 槽 道入口处水流速度为0.1m/s。图中的黑色圆点标志几何区域的控制点，利 用这些控制点就可以确定计算区域的几何形状，O点为坐标原点。
图3-4 系统提示设置Gambit的环境变量
1.3.2 Fluent软件包的运行
Fluent的运行：按照路径“开始”→“程序”→Fluent Inc Products →Fluent 6.2.16，或者利用桌面的快捷方式。 Gambit的运行：先运行命令提示符，输入gambit，回车就可以启动 Gambit，如图3-5所示。
根据控制方程离散方式，分为 有限差分法（FDM） 有限元法（FEM） 有限分析法（FAM） 有限体积法或者控制体积法（FVM或CVM）。 有限体积法导出的离散方程可以保证守恒特性， 而且离散方程的系数物理意义明确，是目前计算 流体力学中应用最广的一种方法。
优势 1.可得流动问题满足工程需要的数值解 2.可利用计算机进行各种数值试验 局限性 1.是一种离散近似算法 2.需充分了解所求解问题 3.程序编制、正确使用等要求较高