fluent经典问题整理

网格质量与那些因素有关？
网格质量本身与具体问题的具体几何特性、流动特性及流场求解算法有关。

因此，网格质量最终要由计算结果来评判，但是误差分析以及经验表明，CFD计算对计算网格有一些一般性的要求，例如光滑性、正交性、网格单元的正则性以及在流动变化剧烈的区域分布足够多的网格点等。

对于复杂几何外形的网格生成，这些要求往往并不可能同时完全满足。

例如，给定边界网格点分布，采用Laplace 方程生成的网格是最光滑的，但是最光滑的网格不一定满足物面边界正交性条件，其网格点分布也很有可能不能捕捉流动特征，因此，最光滑的网格不一定是最好的网格。

对计算网格的一个最基本的要求当然是所有网格点的Jacobian必须为正值，即网格体积必须为正，其他一些最常用的网格质量度量参数包括扭角（skew angle）、纵横比（aspect ratio、Laplacian）、以及弧长（arc length）等。

通过计算、检查这些参数，可以定性的甚至从某种程度上定量的对网格质量进行评判。

Parmley等给出了更多的基于网格元素和网格节点的网格质量度量参数。

有限元素法关于插值逼近误差估计的理论，实际上也对网格单元的品质给出了基本的规定：即每个单元的内切球半径与外切球半径之，应该是一个适当的，与网格疏密无关的常数。

实体与虚体的区别
在建模中，经常会遇到实体、实面与虚体、虚面，虚体的计算域也可以进行计算并得到所需的结果。

那么它们的区别是什么呢？
对于求解是没有任何区别的，只要你能在虚体或者实体上划分你需要的网格。

关键是看你网格生成的质量如何，与实体虚体无关。

gambit的实体和虚体在生成网格和计算的时候对于结果没有任何影响，实体和虚体的主要区别有以下几点：
1.实体可以进行布尔运算但是虚体不能，虽然不能进行布尔运算，但是虚体存在merge，split 等功能。

2.实体运算在很多cad软件里面都有，但是虚体是gambit的一大特色，有了虚体以后，gambit 的建模和网格生成的灵活性增加了很多。

3.在网格生成的过程中，如果有几个相对比较平坦的面，你可以把它们通过merge合成一个，这样，作网格的时候，可以节省步骤，对于曲率比较大的面，可能生成的网格质量不好，这时候，你可以采取用split的方式把它划分成几个小面以提高网格质量。

在Fluent中进行非稳态（unsteady）计算时如何设置步长？
time step size的设定是根据你的计算需要，一般是你的特征长度（比如说管道的长度）除于特征速度（比如平均速度）的值再小一到两个量级即可，如果你的time stip size太大，计算会提示你的，改小即可。

number of time steps是这样设定的：number of time steps X time step size＝实际时间积累。

比如说，你计算一个射流，你需要计算到1秒时候的情况，那么（number of time steps）＝1秒／（time step size）。

至于max iterations per time step 是计算每个time step 时需要叠加的次数。

如果你设置的收敛标准是默认的（一般是10e－03），那么两种情况下计算会跳到下一个time step ：一是达到收敛标准；而是计算次数达到你设置的max iterations，比如默认的30次。

因此建议这个max iterations per time step设置得高点并没有什么不好，比如80或更高。

fluent与前后处理器接口问答
1.ProE实体倒入步骤：
A:在proe中export成step文件，之后在gambit中import
注：ProE中点选保存副本图标，选择以STL格式保存副本。

参见附图。

注意，实体必须画在几何空间中第一象限。

（即实体上所有点的X、Y、Z坐标都为正）
附件为一个可用的STL格式文件，你可以试试导入GAMBIT。

2.如何将UG和PRO/E中的风机import到gambit中啊？
Q:要在gambit中划分风机网格，构型在UG或PRO/E中完成，但是无法将文件导出成gambit 中需要的turbo文件*.tur和*.ibl格式，不知该怎么办？其他格式的文件在gambit里对风机不太好划分网格吧？
A:ug或pro/e中生成了几何模型可以以很多种形式导入gambit，如step igs stl等。

至于导成*.tur和*.ibl，肯定是不可能，有兴趣的话你可以打开*.tur文件看看，里面是些点的坐标值，可以自己编写*.tur文件，也可以先将几何模型导入turbogrid，生成curve文件。

3如何将cad导入到gambit中
Q:gambit为什么读不进*.sat的文件
在AutoCAD中输出的sat格式文件，到了gambit里面输入时出错－－
ACIS error 3205：save file is from a later version of ACIS
我用的是cad2004，这条出错信息搞得我一头雾水
既然出错有编号3205，我可以在帮助文件里看到它的详细解释吗？
A:file-->import-->acis...
存sat格式的较低版，如8。

0版，11。

0版gambit不认识
你可以采用较低的AutoCAD版本
A:可以使用igs模式导入
A:（1）Gambit只适用于创建简单的三维几何体，对于复杂形体而言，其绘图功能是远远不够的，这时Gambit允许我们引入一些其他软件创建的文件，常用的有Autocad创建的ASCI 形式的文件.sat。

CAD中创建的图形要输出为.sat文件，要满足一定的条件。

对于二维图形来说，它必须是一个region，也就是说要求是一个联通域。

对于三维图形而言，要求其是一个ASCI body。

（2）先把autoCAD对象构成实体，导出.sat文件，再在gambit导入，注意有版本高低问题
4 fluent中的cas文件能变成gambit里的dbs文件
Q:在我现在想将cas文件中的网格做修改，该怎么办？
A：可以，import进来就能得到
5.怎么在ansys中制作模型导入fluent？
A:存成一个gambit可以识别的格式。

可以打开gambit看看可以导入什么格式，看看ansys可以输出什么格式。

A: ansys use .cdb file存成.iges文件格式比较好，在gambit中读入。

6.hypermesh文件如何导入fluent?
Q:用fluent求解器计算流体，想利用hypermesh做前处理，可不知怎么将建好的模型导入fluent（hm不提供fluent摸板），可不可以利用其它的什么软件转一下呢？
A: hypermesh和CAE软件连接比较紧密，所以最好从CAE软件下手，而Fluent支持的CAE软件的网格格式包括Ansys、Patran和Nastran，你可以试一下。

还有一种方法就是，清楚Hypermesh网格文件的结构，又清楚Fluent网格文件的结构，随便找个编辑器手动修改。

网格文件虽然可能很大，但是关键的部分都不会很多。

hypermesh里模板设成hm的generel，然后划分网格，export，再导入gambit（import hypermesh文件），在gambit里加边界条件，其他的你应该都会。

7.请问如何将fluent结果存为ansys格式
A:File－export 选择ansys
8.gridgen 的网格怎样在FLUENT 中用啊？怎样输出
A:分网前先选择分析软件，网格划分结束后，设定边界条件，然后export即可得到fluent 所需的cas文件
gridgen教程里面有一个二维翼型的例子，它就是按照以fluent为求解器作的网格。

Spalart-Allmaras 模型
k-e 模型
－标准k-e 模型
－Renormalization-group (RNG) k-e模型
－带旋流修正k-e模型
k-ω模型
－标准k-ω模型
－压力修正k-ω模型
－雷诺兹压力模型
Fluent中的湍流模型
The Spalart-Allmaras 模型
对于解决动力漩涡粘性，Spalart-Allmaras 模型是相对简单的方程。

它包含了一组新的方程，在这些方程里不必要去计算和剪应力层厚度相关的长度尺度。

Spalart-Allmaras 模型是设计用于航空领域的，主要是墙壁束缚流动，而且已经显示出和好的效果。

在透平机械中的应用也愈加广泛。

在原始形式中Spalart-Allmaras 模型对于低雷诺数模型是十分有效的，要求边界层中粘性影响的区域被适当的解决。

在FLUENT中，Spalart-Allmaras 模型用在网格划分的不是很好时。

这将是最好的选择，当精确的计算在湍流中并不是十分需要时。

再有，在模型中近壁的变量梯度比在k-e模型和k-ω模型中的要小的多。

这也许可以使模型对于数值的误差变得不敏感。

想知道数值误差的具体情况请看5.1.2。

需要注意的是Spalart-Allmaras 模型是一种新出现的模型，现在不能断定它适用于所有的复杂的工程流体。

例如，不能依靠它去预测均匀衰退，各向同性湍流。

还有要注意的是,单方程的模型经常因为对长度的不敏感而受到批评，例如当流动墙壁束缚变为自由剪切流。

标准k-e模型
最简单的完整湍流模型是两个方程的模型，要解两个变量，速度和长度尺度。

在FLUENT 中，标准k-e模型自从被Launder and Spalding提出之后，就变成工程流场计算中主要的工具了。

适用范围广、经济，有合理的精度，这就是为什么它在工业流场和热交换模拟中有如此广泛的应用了。

它是个半经验的公式，是从实验现象中总结出来的。

由于人们已经知道了k-e模型适用的范围，因此人们对它加以改造，出现了RNG k-e模型和带旋流修正k-e模型
1.RNG k-e模型
RNG k-e模型来源于严格的统计技术。

它和标准k-e模型很相似，但是有以下改进：•RNG模型在e方程中加了一个条件，有效的改善了精度。

•考虑到了湍流漩涡，提高了在这方面的精度。

•RNG理论为湍流Prandtl数提供了一个解析公式，然而标准k-e模型使用的是用户提供的常数。

•然而标准k-e模型是一种高雷诺数的模型，RNG理论提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式。

这些公式的效用依靠正确的对待近壁区域
这些特点使得RNG k-e模型比标准k-e模型在更广泛的流动中有更高的可信度和精度。

2.带旋流修正的k-e模型
带旋流修正的k-e模型是近期才出现的，比起标准k-e模型来有两个主要的不同点。

•带旋流修正的k-e模型为湍流粘性增加了一个公式。

•为耗散率增加了新的传输方程，这个方程来源于一个为层流速度波动而作的精确方程
术语“realizable”，意味着模型要确保在雷诺压力中要有数学约束，湍流的连续性。

带旋流修正的k-e模型直接的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更精确的预测。

而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现。

带旋流修正的k-e模型和RNG k-e模型都显现出比标准k-e模型在强流线弯曲、漩涡和旋转有更好的表现。

由于带旋流修正的k-e模型是新出现的模型，所以现在还没有确凿的证据表明它比RNG k-e模型有更好的表现。

但是最初的研究表明带旋流修正的k-e模型在所有k-e 模型中流动分离和复杂二次流有很好的作用。

带旋流修正的k-e模型的一个不足是在主要计算旋转和静态流动区域时不能提供自然的湍流粘度。

这是因为带旋流修正的k-e模型在定义湍流粘度时考虑了平均旋度的影响。

这种额外的旋转影响已经在单一旋转参考系中得到证实，而且表现要好于标准k-e模型。

由于这些修改，把它应用于多重参考系统中需要注意。

标准k-ω模型
标准k-ω模型是基于Wilcox k-ω模型，它是为考虑低雷诺数、可压缩性和剪切流传播而修改的。

Wilcox k-ω模型预测了自由剪切流传播速率，像尾流、混合流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射，因而可以应用于墙壁束缚流动和自由剪切流动。

标准k-e模型的一个变形是SST k-ω模型，它在FLUENT中也是可用的，将在10.2.9中介绍它。

剪切压力传输（SST）k-ω模型
SST k-ω模型由Menter发展，以便使得在广泛的领域中可以独立于k-e模型，使得在近壁自由流中k-ω模型有广泛的应用范围和精度。

为了达到此目的，k-e模型变成了k-ω公式。

SST k-ω模型和标准k-ω模型相似，但有以下改进：
•SST k-ω模型和k-e模型的变形增长于混合功能和双模型加在一起。

混合功能是为近壁区域设计的，这个区域对标准k-ω模型有效，还有自由表面，这对k-e模型的变形有效。

•SST k-ω模型合并了来源于ω方程中的交叉扩散。

•湍流粘度考虑到了湍流剪应力的传波。

•模型常量不同
这些改进使得SST k-ω模型比标准k-ω模型在在广泛的流动领域中有更高的精度和可信度。

雷诺压力模型（RSM）
在FLUENT中RSM是最精细制作的模型。

放弃等方性边界速度假设，RSM使得雷诺平均N-S方程封闭，解决了关于方程中的雷诺压力，还有耗散速率。

这意味这在二维流动中加入了四个方程，而在三维流动中加入了七个方程。

由于RSM比单方程和双方程模型更加严格的考虑了流线型弯曲、漩涡、旋转和张力快速变化，它对于复杂流动有更高的精度预测的潜力。

但是这种预测仅仅限于与雷诺压力有关的方程。

压力张力和耗散速率被认为是使RSM模型预测精度降低的主要因素。

RSM模型并不总是因为比简单模型好而花费更多的计算机资源。

但是要考虑雷诺压力的各向异性时，必须用RSM模型。

例如飓风流动、燃烧室高速旋转流、管道中二次流。

计算成效：cpu时间和解决方案
从计算的角度看Spalart-Allmaras模型在FLUENT中是最经济的湍流模型，虽然只有一种方程可以解。

由于要解额外的方程，标准k-e模型比Spalart-Allmaras模型耗费更多的计算机资源。

带旋流修正的k-e模型比标准k-e模型稍微多一点。

由于控制方程中额外的功能和非线性，RNGk-e模型比标准k-e模型多消耗10～15%的CPU时间。

就像k-e模型，k-ω模型也是两个方程的模型，所以计算时间相同。

比较一下k-e模型和k-ω模型，RSM模型因为考虑了雷诺压力而需要更多的CPU时间。

然而高效的程序大大的节约了CPU时间。

RSM模型比k-e模型和k-ω模型要多耗费50～60%的CPU时间，还有15～20%的内存。

除了时间，湍流模型的选择也影响FLUENT的计算。

比如标准k-e模型是专为轻微的扩散设计的，然而RNG k-e模型是为高张力引起的湍流粘度降低而设计的。

这就是RNG模型的缺点。

同样的，RSM模型需要比k-e模型和k-ω模型更多的时间因为它要联合雷诺压力和层流。

卡门涡街
卡门涡街是粘性流体绕过圆柱体流动时产生的。

当流体的速度增大后，雷诺数也增大。

因此圆柱体后半部分的压强梯度增加，以致引起边界层的分离。

随着来流雷诺数的不断增加，圆柱体后半部分边界层中的流体微团受到更大的阻滞，分离点一直向前移动。

当雷诺数增大到大约40时，在圆柱体的后面便产生一对旋转方向相反的对成旋涡。

雷诺数超过40后，对称旋涡不断增长并出现摆动，直到re约等于60时，这对不稳定的对称旋涡分裂，最后形成几乎稳定的、非对称性的、多少有些规则的旋转方向相反的交替旋涡，称为卡门涡街。

以下是不同雷诺数下卡门涡街的实验图。

网格划分应注意的问题：
网格类型的选择要考虑的因素：1.建模时间;2.计算花费 ;
一般对于同一几何体三角形/四面体网格元素比四边形/六面体的数目要少。

但是后者却能允许较大的纵横比，因此对于狭长形的几何体选择该种网格类型。

3.数字发散;引起发散的原因是由于系统的截断误差，如果实际流场只有很小的发散，这时的发散就很重要。

对于fluent来说，二次离散有助于减少发散，另外优化网格也是降低发散的有效途径。

如果流动和网格是平行的话，对于网格和几何体的要求：
1，对于轴对称的几何体，对称轴必须是x轴。

2，gambit 能生等角的或非等角的周期性的边界区域。

另外，可以在fluent中通过make-periodic 文本命令来生成等角的周期性的边界区域。

网格质量：
1．节点密度和聚变。

对于由于负压强梯度引起的节点脱离，以及层流壁面边界层的计算精度来说，节点浓度的确定是很重要的。

对于湍流的影响则更重要，一般来说任何流管都不应该用少于5个的网格元素来描述。

当然，还要考虑到计算机的性能。

2．光滑性。

相邻网格元素体积的变化过大，容易引起较大的截断误差，从而导致发散。

Fluent 通过修正网格元素的体积变化梯度来光滑网格。

3．元素形状。

主要包括倾斜和纵横比。

一般纵横比要小于5：1。

4．流场。

很倾斜的网格在流动的初始区域是可以的，但在梯度很大的地方就不行。

由于不能实现预测该区域的存在，因此要努力在整个区域划分优良的网格。

网格质量本身与具体问题的具体几何特性、流动特性及流场求解算法有关。

因此，网格质量最终要由计算结果来评判，但是误差分析以及经验表明，CFD计算对计算网格有一些一般性的要求，例如光滑性、正交性、网格单元的正则性以及在流动变化剧烈的区域分布足够多的网格点等。

对于复杂几何外形的网格生成，这些要求往往并不可能同时完全满足。

例如，给定边界网格点分布，采用Laplace方程生成的网格是最光滑的，但是最光滑的网格不一定满足物面边界正交性条件，其网格点分布也很有可能不能捕捉流动特征，因此，最光滑的网格不一定是最好的网格。

对计算网格的一个最基本的要求当然是所有网格点的Jacobian必须为正值，即网格体积必须为正，其他一些最常用的网格质量度量参数包括扭角（skew angle）、纵横比（aspect ratio、Laplacian）、以及弧长（arc length）等。

通过计算、检查这些参数，可以定性的甚至从某种程度上定量的对网格质量进行评判。

Parmley等给出了更多的基于网格元素和网格节点的网格质量度量参数。

有限元素法关于插值逼近误差估计的理论，实际上也对网格单元的品质给出了基本的规定：即每个单元的内切球半径与外切球半径之比，应该是一个适当的，与网格疏密无关的常数。

结构化网格和非结构化网格
结构化网格是指网格区域内所有的内部点都具有相同的毗邻单元，即网格体系中节点排列有序、邻点间的关系明确。

该网格可以用直角坐标系或圆柱（球）坐标系下的坐标值表示出来其网格位置（x,y,z)及大小的。

结构化网格优点：
利用这种网格进行数值计算的误差很小，容易收敛，它可以很容易地实现区域的边界拟合，适于流体和表面应力集中等方面的计算。

网格生成的速度快，生成的质量好，数据结构简单。

但它只能用于模拟几何结构较为简单的几何形体。

非结构化网格：节点的位置无法用一个固定的法则予以有序地命名，即与网格剖分区域内的不同内点相连的网格数目不同。

两种网格形式的比较：
在fluent中，对同一个几何造型，如果既可以生成结构化网格，也可生成非结构化网格，当然前者要比后者的生成复杂的多，那么应该选择哪种网格，两者计算结果是否相同，哪个的计算结果更好些呢？
一般来说，结构网格的计算结果比非结构网格更容易收敛，也更准确。

结构化网格计算速度快一些，但是网格划分需要技巧和耐心。

非结构化网格容易生成，但相对来说速度要差一些。

不过应该影响不大。

有限差分方法
有限差分方法(FDM)是计算机数值模拟最早采用的方法，至今仍被广泛运用。

该方法将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域。

有限差分法以Taylor级数展开等方法，把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行离散，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。

该方法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法，数学概念直观，表达简单，是发展较早且比较成熟的数值方法。

分类
对于有限差分格式，从格式的精度来划分，有一阶格式、二阶格式和高阶格式。

从差分的空间形式来考虑，可分为中心格式和逆风格式。

考虑时间因子的影响，差分格式还可以分为显格式、隐格式、显隐交替格式等。

目前常见的差分格式，主要是上述几种形式的组合，不同的组合构成不同的差分格式。

差分方法主要适用于有结构网格，网格的步长一般根据实际地形的情况和柯朗稳定条件来决定。

构造差分的方法
构造差分的方法有多种形式，目前主要采用的是泰勒级数展开方法。

其基本的差分表达式主要有三种形式：一阶向前差分、一阶向后差分、一阶中心差分和二阶中心差分等，其中前两种格式为一阶计算精度，后两种格式为二阶计算精度。

通过对时间和空间这几种不同差分格式的组合，可以组合成不同的差分计算格式。

有限元方法（FEM）
有限元方法（FEM）的基础是变分原理和加权余量法。

其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。

采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。

有限元方法最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学的数值模拟。

在有限元方法中，把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个单元内选择基函数，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单元基函数组成的，则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成。

根据所采用的权函数和插值函数的不同，有限元方法也分为多种计算格式。

从权函数的选择来说，有配置法、矩量法、最小二乘法和伽辽金法，从计算单元网格的形状来划分，有三角形网格、四边形网格和多边形网格，从插值函数的精度来划分，又分为线性插值函数和高次插值函数等。

不同的组合同样构成不同的有限元计算格式。

对于权函数，伽辽金(Galerkin)法是将权函数取为逼近函数中的基函数；最小二乘法是令权函数等于余量本身，而内积的极小值则为对代求系数的平方误差最小；在配置法中，先在计算域内选取N个配置点。

令近似解在选定的N个配置点上严格满足微分方程，即在配置点上令方程余量为0。

插值函数一般由不同次幂的多项式组成，但也有采用三角函数或指数函数组成的乘积表示，但最常用的多项式插值函数。

有限元插值函数分为两大类，一类只要求插值多项式本身在插值点取已知值，称为拉格朗日(Lagrange)多项式插值；另一种不仅要求插值多项式本身，还要求它的导数值在插值点取已知值，称为哈密特(Hermite)多项式插值。

单元坐标有笛卡尔直角坐标系和无因次自然坐标，有对称和不对称等。

常采用的无因次坐标是一种局部坐标系，它的定义取决于单元的几何形状，一维看作长度比，二维看作面积比，三维看作体积比。

在二维有限元中，三角形单元应用的最早，近来四边形等参元的应用也越来越广。

对于二维三角形和四边形电源单元，常采用的插值函数为有Lagrange插值直角坐标系中的线性插值函数及二阶或更高阶插值函数、面积坐标系中的线性插值函数、二阶或更高阶插值函数等。

对于有限元方法，其基本思路和解题步骤可归纳为：
(1)建立积分方程，根据变分原理或方程余量与权函数正交化原理，建立与微分方程初边值问题等价的积分表达式，这是有限元法的出发点。

(2)区域单元剖分，根据求解区域的形状及实际问题的物理特点，将区域剖分为若干相互连接、不重叠的单元。

区域单元划分是采用有限元方法的前期准备工作，这部分工作量比较大，除了给计算单元和节点进行编号和确定相互之间的关系之外，还要表示节点的位置坐标，同时还需要列出自然边界和本质边界的节点序号和相应的边界值。