FLUENT常见问题

如何区分层流和紊流？以什么为标准来区分呢？从层流过渡到紊流的标准是什么？答:自然界中的流体流动状态主要有两种形式,即层流laminar和湍流（就是问题中所说的紊流）turbulence.层流是指流体在流动过程中两层之间没有相互混渗，而湍流是指流体不是处于分层流动状态。

对于圆管内流动，雷诺数小于等于2300，管流一定为层流，雷诺数大于等于8000到12000之间，管流一定为湍流，雷诺数大于2300而小于8 000时，流动处于层流与湍流的过渡区。

对于一般流动，在计算雷诺数时，可以用水力半径代替管径。

第40题：在处理高速空气动力学问题时，采用哪种耦合求解器效果更好？为什么？高速空气动力学问题也属于可压缩流动的范围，在Fluent中原则上，使用Pressure-ba sed和Density-based求解器都可以。

从历史根源上讲，基于压力的求解器以前主要用于不可压缩流动和微可压缩流动，而基于密度的求解器用于高速可压缩流动。

现在，两种求解器都适用于从不可压到高速可压的很大范围流动，但总的来讲，当计算高速可压缩流动时，基于密度的求解器还是璧基于压力的求解器更有优势，因此，在使用Fluent计算高速可压缩流动时，推荐使用Density-based求解器。

也许有很多人对于Pressure-based和Density-based求解器的原理的认识还不够深，在此稍微介绍一下：求解Navier-Stokes方程的计算方法根据连续方程的处理方式，可以分为密度法和压力法。

不论是密度法还是压力法，速度场都是由动量方程所控制，差别在压力场的确定方法上，密度法是通过连续方程确定密度，再由状态方程换算压力，这一方法多用于可压缩流动，作一定修正后，也可用于低马赫数流动，而这一流动已被看做不可压缩流，但此时精度及鲁棒性都有所降低，对于湍流甚至会失去有效性。

密度法的弱点正好是压力法的长处，压力法是通过压力方程或压力修正方程来获得压力场，由于其鲁棒性及有效性，得以广泛使用。

该方法原是作为求解不可压缩流动发展起来的，但也可以推广到可压缩流的计算上。

这两种方法在求解思路上也有所不同，密度法多用同步求解各变量，而压力法则常为顺序求解各变量。

显然顺序求解的一个优势是便于补充方程而无需修改算法程序。

Fluent用户手册上，对于可压缩流动有以下需要注意的策略，在此就不再翻译了，以免曲解原意。

Solution Strategies for Compressible FlowsThe difficulties associated with solving compressible flows are a result of the hi gh degree of coupling between the flow velocity, density, pressure, and energy. This coupling may lead to instabilities in the solution process and, therefore, may req uire special solution techniques in order to obtain a converged solution. In additio n, the presence of shocks (discontinuities) in the flow introduces an additional sta bility problem during the calculation. Solution techniques that may be beneficial in compressible flow calculations include the following:##(Pressure-based solver only) Initialize the flow to be near stagnation (i.e. vel ocity small but not zero, pressure to inlet total pressure, temperature to inlet total temperature). Turn off the energy equation for the first 50 iterations. Leave the e nergy under-relaxation at 1. Set the pressure under-relaxation to 0.4, and the mom entum under-relaxation to 0.3. After the solution stabilizes and the energy equatio n has been turned on, increase the pressure under-relaxation to 0.7.##Set reasonable limits for the temperature and pressure (in the Solution Limi ts panel) to avoid solution divergence, especially at the start of the calculation. If FLUENT prints messages about temperature or pressure being limited as the soluti on near convergence, the high or low computed values may be physical, and you will need to change the limits to allow these values.##If required, begin the calculations using a reduced pressure ratio at the bou ndaries, increasing the pressure ratio gradually in order to reach the final desired operating condition. If the Mach number is low, you can also consider starting the compressible flow calculation from an incompressible flow solution (although the i ncompressible flow solution can in some cases be a rather poor initial guess for t he compressible calculation).##In some cases, computing an inviscid solution as a starting point may be h elpful.对于Fluent中，Pressure-based求解器中的格式，在其他的题目中已有相关的介绍，粘性项一般均使用中心差分格式，对流项的差分格式主要有：一阶迎风格式，二阶迎风格式，指数格式，QUICK格式，三阶MUSCL格式。

对于这些格式，在此不做详谈，请参考相关资料。

在Fluent中，对于Density-based求解器的格式，主要有两种：一种是Roe通量差分分裂格式，另一种就是AUSM+格式；因为本人没有做过具体的高速气动计算，在此只能从理论上介绍一下这两种格式以及相关的一些CFD格式。

目前CFD常用的计算格式有：中心格式，迎风格式以及NND，TVD，ENO等格式。

其中中心格式逻辑关系简单，计算量小，但其分辨间断是通过人工粘性在一定程度上抹平间断而得到光滑解来实现的，不仅数值耗散大，而且包含经验性参数。

TVD格式与ENO格式构造复杂，计算量大，TVD格式因其构造机制可限制间断附近的振荡，但有较大的数值耗散，在非间断的极值附近也会导致格式降为一阶精度；ENO格式可达到基本无振荡，一致二阶精度，但在所有二阶精度格式中其变量或通量插值的坡度最接近于零，故耗散仍比较大。

迎风格式具有计算效率和间断分辨率的综合优势，在一定限制条件下也可得到TVD性质，因而得到了广泛应用。

其中Van Leer格式与Roe格式是具有代表性，应用最成功的两种迎风格式。

Van Leer格式分裂形式简单，计算效率高，但数值耗散比较大，格式提出之初作者就指出：即便对于精确的接触间断条件，仍然存在数值通量，从而抹平间断，会导致显著的粘性区计算误差，而且通过简单地加密网格或是使用高阶差分并不能消除这种误差。

Roe 格式具有间断高分辨率，但当其通量Jacobian矩阵的特征值很小时，会违反熵条件，产生非物理解，故必须引入熵修正，但熵修正引入了额外耗散，而且熵修正依赖于求解的问题有多种形式，包含经验性常数；在高马赫数时，Roe格式还会出现所谓的红玉现象，即在强激波后产生非物理的紊乱信号。

AUSM+格式，是Liu M S于1993年提出并发展而成的新格式，从格式构造上讲是Van Leer格式的一种发展改进，但从其耗散项分析，这是一种FVS （Flux Vector Splitting）与FDS（Flux Difference Splitting）的复合格式。

AUSM+格式兼有Roe格式的间断高分辨率和Van Leer格式的计算效率，而且克服了二者的缺点。

它的数值耗散小，具有激波与接触间断的高分辨率，无需熵修正，计算量只与Van Leer格式相近，还有标量（如密度）的正值保持性。

总结一下：Roe格式计算量大，需熵修正，这会引入额外的数值耗散；在高马赫数时，还会产生红玉现象；AUSM+格式，对于激波，接触间断具有高分辨率，能够精确描述激波，膨胀波，接触间断及其相互干扰的复杂波系；格式构造的内在机制使它具有标量耗散，计算效率高，数值耗散小，无需熵修正，且无红玉现象的优点。

在Fluent中计算高速流动，建议采用AUSM+，在计算的初始，使用低阶格式，如果要计算有粘且高马赫数的流动，建议先从无粘低马赫数算起作为初始值，之后加入粘性，慢慢提高马赫数，一步步计算。

另外，计算的过程中，CFL不能太大。

注：以上仅是这些算法的一些理论基础，至于Fluent中具体是如何处理这些格式的，还不清楚，在作高速计算时，仅供一点儿参考。

52 对于不同求解器，离散格式的选择应注意哪些细节？实际计算中一阶迎风差分与二阶迎风差分有什么异同？离散格式对求解器性能的影响控制方程的扩散项一般采用中心差分格式离散，而对流项则可采用多种不同的格式进行离散。