第2章 fluent的计算步骤

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第二章 FLUENT的计算步骤
本章通过一个稍微复杂一些的算例再次演示FLUENT的求解过程。

这个算例的内容是计算一个二维弯管中的湍流流动和热传导过程，在这个算例中可以看到FLUENT计算的标准流程，其中包括：
（1）如何读入网格文件。

（2）如何使用混合的单位制定义几何模型和物质属性。

（3）如何设定边界条件和和物质属性。

（4）如何初始化计算并用残差曲线监视计算进程。

（5）如何用分离求解器计算流场。

（6）如何用FLUENT的图形显示功能检查流场。

（7）如何用二阶精度离散格式获得更高精度的流场。

（8）以温度梯度为基准调整网格以提高对温度场的计算精度。

2.1 问题概述
图2-1 弯管流动图示
如图2-1所示，温度为26℃的冷流体流过弯管，温度为40℃的热流体从转弯处流入，
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并与主流中的冷流体混合。

管道的尺寸如图2-1所示，单位为英寸，而边界条件和流体材料性质则采用国际单位制。

入口处的雷诺数为2.03 x 105，因此必须使用湍流模型。

2.2 处理网格
网格处理包括网格的输入、检查、光顺、比例转换和显示等操作，下面分别进行介绍。

2.2.1读入网格文件
首先启动FLUENT的2D版，然后读入网格文件：
File -> Read -> Case...
这个算例的网格文件可以在FLUENT6.1为用户提供的文档光盘中找到，路径是：
cdrom:\fluent6.1\help\tutfiles\elbow\elbow.msh
2.2.2检查网格
执行下列菜单操作，进行网格检查：
Grid -> Check
此时控制台窗口中会显示与网格有关的信息，包括网格空间范围、体积信息、表面积信息、节点信息等等。

网格中存在的任何错误都会出现在这个信息报告中，其中最需要检查的是网格单元的体积不能为负值，否则计算将无法继续下去。

图2-2 Smooth/Swap Grid（光顺/转换网格）面板
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2.2.3光顺并转换网格
执行下列菜单操作，打开Smooth/Swap（网格光顺和转换）面板：
Grid -> Smooth/Swap...
光顺网格可以提高网格质量，提高计算精度。

在启动光顺/转换网格面板后，点击Smooth （光顺）按钮，然后再点击Swap（转换）按钮，控制台上将报告被转换网格的数量。

反复点击Smooth（光顺）按钮和Swap（转换）按钮，直到报告中被转换（Swap）的网格数量降低为零，则网格光顺处理过程结束。

2.2.4按比例调整网格
执行下列菜单操作，打开Scale Grid（按比例调整网格）面板：
Grid -> Scale...
图2-3 Scale Grid（按比例转换网格）面板
在Units Conversion（单位转换）下面的Grid Was Created In列表中选择in（英寸）作为网格创建数据单位。

点击Scale（比例）按钮进行比例计算。

注意在计算域范围（Domain Extents）中，网格的单位显示仍然是国际单位制中的m（米）。

点击Change Length Units（改变长度单位）按钮，可以将英寸变为长度单位，同时可以从面板下方计算域范围中看到x、y坐标的最大值改变为64英寸。

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图2-4 Grid Display（网格显示）面板
图2-5 网格显示
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2.2.5显示网格
执行下列菜单操作，打开Grid Display（网格显示）面板，如图2-4所示：
Display -> Grid...
选择所有表面，然后点击Display（显示）按钮，FLUENT随即打开一个新的显示窗口显示网格，如图2-5所示。

用右键点击图形显示窗口中的一个边界，则与这个边界相关的信息就会显示在控制台窗口中。

在网格区域很多时，用这种方法可以比较方便地分辨各个区域。

2.3 计算模型
图2-6 Solver（求解器）面板
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2.3.1设置求解器参数
执行下列菜单操作，打开Solver（求解器）面板：
Define -> Models->Solver...
求解器的缺省设置如图2-6所示，本算例中可以保持这些缺省参数设置。

图2-7 粘性模型面板
2.3.2选择湍流模型
执行下列菜单操作，打开Vicous（粘性）面板，如图2-7所示：
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Define->Models->Viscous...
在Model 列表中选择k-epsilon (2 eqn)，即ε−k 两方程模型。

点击OK 按钮接受系统
对ε−k 模型的缺省设置，包括标准模型设置、壁面函数设置和湍流模型常数的设置等等。

2.3.3启用能量方程计算
执行下列菜单操作，打开Energy （能量）面板，并激活能量计算，如图2-8所示：
Define->Models->Energy...
图2-8 能量方程面板
2.4 定义材料性质
创建一种新的物质，命名为water （水），并设置相关参数。

首先执行下列菜单操作，打开Materials （材料）面板，如图2-9所示：
Define -> Materials...
在Name （名称）中键入材料名称water （水），然后设定水的各种物理性质，其中Density （密度）为1000kg/m 3， C p （定压比热）为4216J/kg-K ，thermal conductivity （导热系数）为0.677W/m-K ，viscosity （粘度）为8x10-4kg/m-s 。

最后点击Change/Create （修改或创建）按钮完成创建过程。

在FLUENT 提示是否用新的材料数据覆盖air 的数据时，点击NO 按钮予以否认。

实际上FLUENT 的材料性质数据库中已经存在水的数据，因此也可以简单地将相关数据直接从Database （数据库）中调入，如果个别数据与前面的数据有出入，可以直接在面板上进行修改。

设置完毕后，关闭Materials （材料）面板。

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图2-9 Materials（材料）面板
2.5 定义边界条件
执行下列菜单命令，打开边界条件面板，如图2-10所示：
Define -> Boundary Conditions...
2.5.1设定流体条件
在Zone（区域）列表中选择fluid-9，Type（类型）列表中相应地反白显示为fluid（流体）。

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图2-10 边界条件面板
图2-11 Fluid（流体）面板
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点击Set...（设置）按钮打开Fluid（流体）面板，如图2-11所示。

在Material Name（材料名称）列表中选择water（水），点击OK按钮结束设置过程。

2.5.2设置速度入口边界条件。

（1）设置velocity-inlet-5上的边界条件。

在Zone（区域）列表中选择velocity-inlet-5，然后点击Set...（设置）按钮，进入速度入口设置面板，如图2-12所示。

图2-12 Velocity Inlet（速度入口）面板
在Velocity Specification Method（速度定义方法）中，选择Components（分量形式）定义速度，然后将X-Velocity（X向速度分量）设为0.2m/s。

将Temperature（温度）设为293K。

在Turbulence Specification Method（湍流定义方法）中，选择Intensity and Hydraulic Diameter（强度和水力直径）定义湍流，然后将Turbulence Intensity（湍流强度）设为5％，将Hydraulic Diameter（水力直径）设为32in。

点击OK按钮结束对velocity-inlet-5的设置。

（2）设置velocity-inlet-6上的边界条件，方法同上，相关参数如下：Y-Velocity（Y向速度分量）为1.0m/s，temperature（温度）为313K，Turbulence Intensity（湍流强度）为5％，Hydraulic Diameter（水力直径）为8in（英寸）。

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2.5.3设置压强出口边界条件
pressure-outlet-7上的压强出口边界条件的相关参数为：表压0 pascal，回流总温为300 K，Backflow Direction Specification Method（回流方向定义方法）为Normal to Boundary（垂直于边界），Turbulence Specification Method（湍流定义方法）为Intensity and Hydraulic Diameter（湍流强度与水力直径），Backflow Turbulence Intensity（回流湍流强度）为5％，Backflow Hydraulic Diameter（回流水力直径）为32in。

图2-13 Pressure Outlet（压强出口）面板
2.5.4壁面条件设置
壁面wall-4的边界条件保持缺省设置，其中Heat Flux（热流通量）的值为0。

壁面wall-8也保持缺省设置。

2.6 求解过程
参数设置完毕并检查无误后，既可以开始流场计算。

流场计算的流程如下：
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2.6.1初始化
执行下列菜单操作打开Solution Intialization（求解初始化）面板，如图2-14所示：Solve->Initialize->Initialize...
图2-14 Solution Initialization（初始化解）面板
在Compute From（计算起始于）列表中选择velocity-inlet-5，然后在Y Velocity（Y向速度分量）中加入0.2m/sec，点击Init（初始化）按钮开始初始化，最后点击Close（关闭）按钮关闭初始化面板。

2.6.2设置残差监视器
执行下列菜单操作，打开Residual Monitors（残差监视器）面板：
Solve->Monitors->Residual...
在Options（选项）下选择Plot（绘图），点击OK按钮关闭面板。

2.6.3保存算例文件
执行下列菜单操作保存算例文件：
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File->Write->Case...
不用改动Write Binary Files（写二进制文件）的缺省设置，这样算例文件可以用二进制格式记录在硬盘上。

图2-15 Residual Monitors（残差监视器）面板
2.6.4打开迭代面板
执行下列菜单操作，打开Iterate（迭代）面板：
Solve -> Iterate...
将Number of Iterations（迭代次数）设为100，点击Iterate（迭代）按钮开始计算。

在开始计算时残差监视器将同时被打开。

2.6.5监视收敛过程
图2-16是计算进行到第60步时残差曲线的走势。

因为没有普适的收敛判断标准，所
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以在观察残差曲线时，不要仅仅监视残差曲线下降的数量级，最好同时能够监视相关流场变量的变化情况。

图2-16 残差监视器
简单地说，可以用三种方法判断计算是否已经收敛：
（1）观察残差曲线。

可以在残差监视器面板中设置Convergence Criterion（收敛判据），比如设为10-3，则残差下降到小于10-3时，系统既认为计算已经收敛并同时终止计算。

（2）流场变量不再变化。

有时候不论怎样计算，残差都不能降到收敛判据以下。

此时可以用具有代表性的流场变量来判断计算是否已经收敛——如果流场变量在经过很多次迭代后不再发生变化，就可以认为计算已经收敛。

（3）总体质量、动量、能量达到平衡。

在Flux Reports（通量报告）面板中检查质量、动量、能量和其他变量的总体平衡情况。

通过计算域的净通量应该小于0.1%。

Flux Reports（通量报告）面板如图2-17所示，其启动方法为：
Report -> Fluxes
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图2-17 Flux Reports（通量报告）面板
2.6.6保存数据文件
执行下列菜单操作保存数据文件：
File -> Write -> Data...
2.7 显示计算结果
2.7.1等值线显示
执行下列菜单操作，启动Contours（等值线）面板，如图2-18所示：
Display -> Contours...
首先显示速度值的填充等值线。

在Contours of下的列表中选择Velocity...（速度）和Velocity Magnitude（速度值），然后在Options（选项）下面选择Filled（填充），最后点击Display（显示）按钮显示速度的等值线。

在等值线图中用右键点击一点，控制台窗口中将显示该点的速度值。

用同样的方法可以显示温度、压强等变量的等值线图。

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图2-18 Contours（等值线）面板
图2-19 速度值的等值线图
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2.7.2显示矢量图
除了显示等值线图，还可以用矢量图观察流场中的速度矢量。

首先执行下列菜单命令，启动Vectors（矢量）面板：
Display -> Vectors...
图2-20 Vectors（矢量）面板
在Vectors of下选择Velocity（速度），然后点击Display（显示）按钮，就可以在不改变缺省设置的情况下显示速度矢量图。

如果对显示效果不满意，可以在Vectors（矢量）面板中修改显示设置，包括改变Scale（比例）和Style（风格）。

如果计算的是三维问题，则需要先在Surfaces（表面）下选择一个显示面，才能进行显示，显示的结果是速度矢量在这个面上的投影。

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图2-21 速度矢量图
图2-22 解变量XY绘图面板
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2.7.3 XY曲线显示
出口处的温度变化可以用XY曲线形式予以显示。

首先启动Solution XY Plot（解变量XY绘图）面板：
Plot -> XY Plot...
在Y Axis Function（Y轴函数）下面的列表中选择Temperature...（温度）和Static Temperature（静温）作为Y轴变量，在Surfaces（表面）列表中选择pressure-outlet-7，点击Plot（绘制）按钮，则静温在出口处的分布曲线就显示在图形窗口中。

用同样方法还可以显示压强等变量在出口、入口等处的分布曲线。

图2-23 温度在出口处的分布曲线
2.7.4定义场函数
定义动压头的场函数。

首先启动Custom Field Function Calculator（场函数计算器）面板：
Define -> Custom Field Functions...
将新函数的名称加入New Function Name（新函数名称）栏，然后根据动压头2/2v⋅ρ
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的定义公式进行公式编辑。

动压头的输入内容如图2-24所示。

在公式中需要输入流场变量（比如密度、速度）时，就在Field Functions（场函数）列表下进行选择；在使用数字和运算操作符的时候，则直接从面板左部的键盘中点取。

输入完毕后，点击Define（定义）按钮完成函数定义。

场函数的显示与其他场变量的显示方法是完全相同的。

动压头的显示与速度值的显示方法相同：
（1）启动等值线面板。

（2）然后从Contours of列表中选择Custom Field Function...（修改场函数）和dynam-head（动压头）。

图2-24 场函数计算器面板
（3）设置显示选项，点击Display（显示）按钮。

2.8 启用二阶精度离散格式
前面的计算是用一阶精度格式完成的。

一阶精度格式的缺点是耗散性很大，计算稳定性好，但是对流场中梯度比较大区域内的解有比较严重的“抹平”现象，因此为了获得精度更高的结果，可以采用二阶精度格式。

因为二阶精度格式的稳定性不如一阶精度，所以在采用二阶精度格式的时候要适当减小亚松弛因子。

二阶精度格式的具体设置和求解过程如下：
（1）启动Solution Controls（求解控制）面板：
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Solve -> Controls -> Solution...
在Discretization（离散）下面的Energy（能量）旁边的列表中选择Second Order（二阶精度）。

在Under-Relaxation Factors（亚松弛因子）下面的Energy（能量）旁选择0.8，如图2-25所示。

图2-25 修改求解控制参数
（2）在Iterate（迭代）面板中，将Number of Iterations（迭代步数）的值修改为100，点击Iterate（迭代）按钮，继续进行100次计算，则残差曲线如图2-26所示。

（3）执行下列菜单操作，保存算例文件和数据文件：
File -> Write -> Case & Data...
（4）再次显示温度等值线，如图2-27所示。

图2-28是一阶精度计算的温度场等值线。

对比一阶精度计算和二阶精度计算的等值线图，可以发现在采用一阶精度进行计算的流场中，冷热流的混合区大于二阶精度中的混合区，也就是说一阶精度计算对冷热流的混合过程模拟的误差大于二阶精度格式，计算流场被“抹平”了。

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图2-26 改为二阶精度后的残差曲线
图2-27 二阶精度格式得到的温度场
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图2-28 一阶精度计算的温度等值线
2.9 调整网格
如果适当调整网格可以进一步提高计算精度。

本小节根据前面计算的温度梯度对网格进行适应性调整，调整前先确定需要调整的梯度范围。

在网格被重新划分后，就可以继续计算过程了。

2.9.1按网格显示温度场
在等值线面板中，将变量名设为Temperature...（温度）和Static Temperature（静温），并取消Options（选项）下面的Node Values（节点值），这样既可得到按网格显示的温度场，如图2-29所示。

图2-27中看到过的温度等值线是在整个流场中进行计算得到的，而图2-29中的等值线图则是将网格中心点的值作为网格单元的值，逐个网格绘制得到的。

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图2-29 按网格显示的温度等值线
图2-30 按网格显示的温度梯度场
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2.9.2按网格显示温度梯度场
在等值线面板中的Contours Of下面选择Adaption...（适应）和Adaption Function（适应函数），点击Display（显示）按钮显示按网格显示的温度梯度场，如图2-30所示。

需要注意的是，Adaption Function（适应性函数）的值被系统缺省设定为最近显示过的函数的梯度值，在这里就是温度的梯度值。

2.9.3显示特定范围的梯度值
显示某个范围内的梯度值，以便标示出需要调整的网格：
在Options（选项）前面取消Auto Range（自动范围）的选择，在Min（最小值）中填入0.02，即取消系统对显示范围的缺省设置，然后将显示的最小值设为0.02。

点击Display （显示）按钮进行显示，结果如图2-30所示。

用这种方式可以显示梯度较高，因而需要进行调整的网格区域。

2.9.4调整高梯度区域的网格
首先启动Gradient Adaption（梯度适应）面板：
Adapt -> Gradient...
在Gradient Of列表中选择Temperature...（温度）和Static Temperature（静温），取消Options（选项）下面对Coarsen（粗糙）的选择，点击Compute（计算），FLUENT随即更新Min（最小值）和Max（最大值）。

在Refine Threshold（细化阈值）中输入0.02。

点击Mark（标记）按钮，FLUENT将在控制台窗口中报告将被调整的网格数目。

点击左面的Manage...（管理）按钮，打开网格适应管理（Manage Adaption Registers）面板，显示将被调整的网格信息。

点击Display（显示）按钮显示将被调整的网格，如图2-34所示。

点击Adapt（适应）按钮，并在弹出的提示信息窗口中，点击Yes按钮完成调整。

需要说明的是，网格适应性调整有两种办法，一种是在Manage Adaption Registers（管理适应注册记录）面板中点击Adapt（适应）按钮进行调整。

也可以在Gradient Adaption（梯度适应）面板中进行调整。

如果用Gradient Adaption（适应）面板进行网格调整，FLUENT 将重新创建一个adaption register（适应注册记录），因此用Manage Adaption Registers（管理适应注册记录）面板进行适应性调整可以节省很多时间。

网格适应性调整结束后，关闭Manage Adaption Registers（管理适应注册记录）面板和Gradient Adaption（梯度适应）面板。

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图2-31 指定范围内的温度梯度场
图2-32 梯度调整面板
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图2-33 网格调整管理面板
图2-34 将被调整的网格
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2.9.5显示调整后的网格
执行下列菜单操作显示调整后的网格，如图2-35所示：
Display->Grid...
2.9.6用调整后的网格进行计算
在前面的计算基础上，再进行100次迭代。

在大约40步后，计算既收敛，如图2-36所示。

计算结束后保存算例文件和数据文件。

2.9.7检验计算结果
执行下列菜单操作打开Contours...（等值线）面板，并显示温度等值线：
Display->Contours...
结果如图2-36所示，通过与前面结果的对比可以发现改进后的效果。

图2-35 调整后的网格
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图2-36 网格调整后的收敛曲线
图2-37 网格调整后的计算结果（温度场）
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2.10 总结
通过对一阶精度的计算结果和采用适应性网格、并用二阶精度计算的结果进行对比，可以发现，后者的耗散性已经大大减小，计算精度得到提高。

在FLUENT中，一阶精度格式是缺省设置的计算格式，在实际计算过程中可以用它获得初始流场，然后再提高计算格式精度，最后采用适应性网格技术。

采用这样的计算策略，既可以保证计算的稳定性，又可以获得精度较高的流场计算结果，因此在复杂流场的计算中是经常使用的办法。

在本章的算例中，流场计算与温度场计算是分别进行的。

在可能的情况下，将能量方程与其他控制方程分别求解，而不是耦合求解可以提高计算效率。

在能量方程面板中，取消对能量方程的选择就可以将能量方程从流场中分离出来。

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