数值模拟在Fluent软件上的应用

CFD的基本思想：把原来在时间、空间坐标中连续的物 CFD的基本思想：把原来在时间、 的基本思想
理量的场（如速度场、温度场、浓度场等），用有限个 理量的场（如速度场、温度场、浓度场等），用有限个 ）， 离散点上的值的集合来代替， 离散点上的值的集合来代替，按一定方式建立起关于这 些值的代数方程（称为离散方程）并求解之， 些值的代数方程（称为离散方程）并求解之，以获得物 理量场的近似值。 理量场的近似值。
数值模拟在Fluent 数值模拟在 软件上的应用
范永林
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实验研究 理论分析 数值模拟 研究流体运动规律 的三种基本方法
连续性方程为：
三种基本方法的比较
方法 优 点 缺 点
1.受模型尺寸、人身安全、 受模型尺寸、 实验 1.结果真实可信 结果真实可信 受模型尺寸 人身安全、 理论研究和数值方法的基 研究 2.理论研究和数值方法的基 测量精度等限制 2.耗费人力、物力、财力 耗费人力、物力、 础 耗费人力 3.周期长 周期长 1.抽象和简化计算对象 结果具有普遍性 抽象和简化计算对象 理论 1.结果具有普遍性 指导实验、 非线性方程， 分析 2.指导实验、验证数值计算 2.非线性方程，很难给出 指导实验 非线性方程 解析结果 克服了实验研究和理论分 程序的编制及资料的收集、 数值 1.克服了实验研究和理论分 程序的编制及资料的收集、 模拟 析的缺点 整理， 整理，很大程度上依赖于 2.形象地再现流动情景 经验与技巧 形象地再现流动情景
离散化方法
数值解法很好地利用了离散的概念。 数值解法很好地利用了离散的概念。 离散的概念 有限差分法、 常用的离散化方法：有限差分法、有限元法和有限体积 法。
Fluent是基于有限体积法的， 是基于有限体积法的，
是目前CFD应用最广的一种 目前 应用最广的一种 方法， 方法，将计算区域划分为网 格，并使每个网格点周围有 一个互不重复的控制体积， 一个互不重复的控制体积， 将待解的微分方程对每个控 制体积积分， 制体积积分，从而得到一组 离散方程。 离散方程。
Fluent软件包的安装 软件包的安装
安装Exceed：Exceed是在Windows环境下模拟的UNIX 安装Exceed：Exceed是在Windows环境下模拟的UNIX Exceed 是在Windows环境下模拟的 软件，因为Gambit必须在UNIX环境下才可以运行。 Gambit必须在UNIX环境下才可以运行 软件，因为Gambit必须在UNIX环境下才可以运行。 安装Gambit，拷贝Licence到Gambit.Inc/license目 安装Gambit，拷贝Licence到Gambit.Inc/license目 Gambit Licence /license 录下。 录下。 安装Fluent，拷贝Licence到Fluent.Inc/license目 安装Fluent，拷贝Licence到Fluent.Inc/license目 Fluent Licence /license 录下。 录下。 如需要卸载，以相反的顺序卸载即可。 如需要卸载，以相反的顺序卸载即可。
利用Fluent软件进行求解的步骤： 软件进行求解的步骤： 利用 软件进行求解的步骤
（1）运行 ）运行Gambit，确定几何形状，构造几何体，输出 ，确定几何形状，构造几何体， .dbs文件 文件 （2）生成计算网格，输出 ）生成计算网格，输出.msh文件 文件 软件， （3）运行 ）运行Fluent软件，选择合适的解算器：2D（二维单 软件 选择合适的解算器： （ 精度）、 ）、3D（三维单精度）、 ）、2DDP（二维双精度）、 精度）、 （三维单精度）、 （二维双精度）、 3DDP（三维双精度）。 （三维双精度）。 （4）输入网格，即读入 ）输入网格，即读入.msh文件 文件 （5）检查网格 ） 网格检查是最容易出的问题是网格体积为负数。 网格检查是最容易出的问题是网格体积为负数。如 果出现负体积，计算就不可以进行。 果出现负体积，计算就不可以进行。
利用Fluent软件进行求解的步骤： 软件进行求解的步骤： 利用 软件进行求解的步骤
（6）选择解算器的格式 ） Fluent提供 种不同的解格式：分离解、隐式耦合解、 提供3种不同的解格式 分离解、隐式耦合解、 提供 种不同的解格式： 显式耦合解。分离解是按顺序解连续性方程、 显式耦合解。分离解是按顺序解连续性方程、动量方程 能量方程以及组分方程，耦合解是同时解。 、能量方程以及组分方程，耦合解是同时解。隐式和显 式解法的区别在于线性耦合方程的方式不同。 式解法的区别在于线性耦合方程的方式不同。 （7）选择需要解的基本方程 ） 层流还是湍流（或者无粘流）、化学组分还是化学 层流还是湍流（或者无粘流）、化学组分还是化学 ）、 反应、热传导模型等。 反应、热传导模型等。 （8）指定材料物理性质 ） （9）指定边界条件 ）
利用Fluent软件进行求解的步骤： 软件进行求解的步骤： 利用 软件进行求解的步骤
（10）调节解的控制参数（松弛因子、限值、一、二阶 ）调节解的控制参数（松弛因子、限值、 迭代误差等） 、迭代误差等） 设定松弛因子： 设定松弛因子： 计算流体力学中要求解非线性方程， 计算流体力学中要求解非线性方程，求解过程中控 制变量的变化可以通过松弛因子来实现， 制变量的变化可以通过松弛因子来实现，来控制变量在 每次迭代中的变化， 每次迭代中的变化，从而控制收敛的速度并改善收敛的 状况。等于1，相当于不用松弛因子；大于1， 状况。等于 ，相当于不用松弛因子；大于 ，为超松弛 因子，加快收敛速度；小于1，为欠从弛因子， 因子，加快收敛速度；小于 ，为欠从弛因子，改善收敛 的条件。 里面用的是欠松弛， ～ 之间 之间， 的条件。Fluent里面用的是欠松弛，在0～1之间，越小 里面用的是欠松弛 表示两次迭代值之间变化越小，也就越稳定， 表示两次迭代值之间变化越小，也就越稳定，但收敛也 就越慢。 就越慢。
利用Fluent软件进行求解的步骤： 软件进行求解的wk.baidu.com骤： 利用 软件进行求解的步骤
（11）保存设置，输出 ）保存设置，输出.cas文件 文件 （12）初始化流场 ） 需要初始化流场提供一个初始解。 需要初始化流场提供一个初始解。可以从一个或者多个 边界条件算出初始解，也可以分别输入流场的数值。 边界条件算出初始解，也可以分别输入流场的数值。初始化 流场有时候对于后面计算的影响很大， 流场有时候对于后面计算的影响很大，需要依靠经验选择最 佳的边界，设定合理的数值，进行初始化。 佳的边界，设定合理的数值，进行初始化。 （13）开始计算 ） 输入迭代步数，报告步长等。 输入迭代步数，报告步长等。 计算过程中，有选择性地观察残差，调整相关系数， 计算过程中，有选择性地观察残差，调整相关系数，使 得残差趋于平稳，并达到规定的残差值，保证收敛。 得残差趋于平稳，并达到规定的残差值，保证收敛。收敛是 一个很重要的问题，一般达到收敛，才可以认为计算结束。 一个很重要的问题，一般达到收敛，才可以认为计算结束。
常用的CFD软件 软件 常用的
PHOENICS： PHOENICS：世界上第一套计算流体动力学与传热学的商
用软件。 用软件。
CFX：第一个通过ISO9001质量认证的商业CFD软件， ISO9001质量认证的商业CFD软件 CFX：第一个通过ISO9001质量认证的商业CFD软件，英国
Technology公司开发 2003年被ANSYS收购 公司开发， 年被ANSYS收购。 AEA Technology公司开发，2003年被ANSYS收购。
连续性方程为：
数值模拟
任何流体运动规律的基础： 任何流体运动规律的基础：
∂ρ ∂ρu i = Sm 连续性方程： 连续性方程： + ∂t ∂xi
∂p ∂ ( ρu i ) ∂ ∂ ∂u i + ( ρu i u j ) = − ρ u i′u ′j − + ρg i 动量方程： 动量方程： µ ∂t ∂x j ∂x j ∂x j ∂xi ∂ ( ρc p T ) ∂ ∂ ∂T 能量方程： 能量方程： + ( ρc p u j T ) = − ρc p u ′j T ′ + S f + S R λ
∂t ∂x j ∂x j ∂x j
一组非线性偏微分方程 获得这些偏微分方程的精确解析解： 获得这些偏微分方程的精确解析解：很难
计算流体力学（CFD） 计算流体力学（CFD）看作是流动基本方程控制下对流
动的数值模拟。通过计算机数值计算和图形显示， 动的数值模拟。通过计算机数值计算和图形显示，对包 含有流体运动和热传导等相关物理现象的系统所作的分 析。
Fluent软件包的文件形式 软件包的文件形式
.dbs文件：Gambit工作文件，若想修改网格，可以打开 dbs文件 Gambit工作文件 若想修改网格， 文件： 工作文件， 这个文件进行再编辑。 这个文件进行再编辑。 . msh文件：Gambit输出的网格文件。 msh文件 Gambit输出的网格文件 文件： 输出的网格文件。 . cas文件：.msh文件经过Fluent处理以后得到的文件。 cas文件 msh文件经过Fluent处理以后得到的文件 文件： 文件经过Fluent处理以后得到的文件。 . dat文件：Fluent计算数据结果的数据文件。 dat文件 Fluent计算数据结果的数据文件 文件： 计算数据结果的数据文件。 . jou文件：日志文档，可以编辑运行。 jou文件 日志文档，可以编辑运行。 文件：
求解器：流体计算的核心，所有计算在此完成。 求解器：流体计算的核心，所有计算在此完成。 后处理器：Fluent求解器本身就附带有比较强大的后处 后处理器：Fluent求解器本身就附带有比较强大的后处
理功能。Origin、Tecplot等也是比较专业的后处理器， 理功能。Origin、Tecplot等也是比较专业的后处理器， 等也是比较专业的后处理器 可以把一些数据可视化。 可以把一些数据可视化。
Fluent： PHOENICS之后的第二个投放市场的基于有限 Fluent：继PHOENICS之后的第二个投放市场的基于有限
体积法的软件，美国Fluent公司于1983年推出，2006年 体积法的软件，美国Fluent公司于1983年推出，2006年 Fluent公司于1983年推出 ANSYS收购 目前功能最全面、适用性最广、 收购。 被ANSYS收购。目前功能最全面、适用性最广、国内使用 最广泛的CFD软件之一， CFD软件之一 语言编写。 最广泛的CFD软件之一，用C语言编写。
STAR-CD，FIDAP等软件。 STAR-CD，FIDAP等软件。 等软件
Fluent软件包 软件包
前处理器：主要负责网格的生成。 前处理器：主要负责网格的生成。
FLUENT划分网格的途径有两种： FLUENT划分网格的途径有两种： 划分网格的途径有两种 用FLUENT提供的专用网格软件GAMBIT进行网格划分 FLUENT提供的专用网格软件GAMBIT进行网格划分 提供的专用网格软件GAMBIT 由其他的CAD软件完成造型工作，再导入GAMBIT中生成网 由其他的CAD软件完成造型工作，再导入GAMBIT中生成网 CAD软件完成造型工作 GAMBIT Pro/E、SolidWorks、Solidedge等 格，如Pro/E、SolidWorks、Solidedge等。
数值解法的思路与步骤
数 值 解 法 的 基 本 思 路 与 步 骤
通俗理解
1.建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型， 1.建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型，建立 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型 针对控制方程的数值离散化方法。 针对控制方程的数值离散化方法。 2.前处理，建立坐标，构建几何体，网格划分， 2.前处理，建立坐标，构建几何体，网格划分，确定边 前处理 界条件的类型。 构体和网格划分技巧 界条件的类型。 3.程序计算，选取模型，输入初始条件，确定边界条件、 3.程序计算，选取模型，输入初始条件，确定边界条件、 程序计算 设定控制参数。 经验取值 ；与2有反复修正的过程 设定控制参数。 4.后处理，显示计算结果，以图表展示， 4.后处理，显示计算结果，以图表展示，判断分析结果 后处理 的准确性和质量。 的准确性和质量。