计算流体动力学软件Fluent简介
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Fluent、CFX、Star-CD等
– 前处理软件：Gambit、ICEM、Hypermesh等 – 后处理软件：Fieldview、Ensight、Tecplot等
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@ustb.edu.cn
1
1.3 Fluent软件的发展历史
1975年 谢菲尔德大学（UK）开发了Tempest 1983年 美国的流体技术服务公司creature推出Fluent 1988年 Fluent Inc.成立 1995年 收购最大对手FDI公司（FIDAP） 1997年 收购Polyflow公司（粘弹性和聚合物流动模拟） 2006年 被ANSYS收购
粒径分布
University of Science and Technology Beijing
不同粒径气泡数量分布
yangshufeng@ustb.edu.cn
2
2.2 Fluent模拟晃动
实现原理有两个关键： （1）运动加载 （2）VOF模型。 这一个极其简化的模型，完 全封闭，二维。 1、运动的加载。 利用UDF来实现，采用 DEFINE_TRANSIENT_PROFILE 宏来设置区域整体运动。 2、选择模型 选择VOF模型，设置空气为 主相，水为第二相。
yangshufeng@ustb.edu.cn
1
1.1 概念
什么是CFD？
• CFD是计算流体动力学（Computational fluid dynamics）的缩写，是预测流体流动、 传热传质、化学反应及其他相关物理现象的一门学科。CFD一般要通过数值方法 求解以下的控制方程组
– 质量守恒方程 – 动量守恒方程 – 能量守恒方程 – 组分守恒方程 – 体积力 – 等等 • CFD 分析一般应用在以下阶段: – 概念设计 – 产品的详细设计 – 发现问题 – 改进设计 • CFD分析是物理试验的补充，但更节省费用和人力。
计算模型
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@ustb.edu.cn
2
2.1 Fluent模拟气泡的破碎和凝聚
计算之后可以观察气泡粒径分布云图等，如图左所示为气泡 粒径分布。也可以查看整个计算域空间不同粒径气泡数量直方图 分布（右图）。
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@ustb.edu.cn
1
1.5 计算流体动力学的工作流程
建立控制方程
确定初始条件和边界 条件
划分计算网格、生成 计算节点
建立离散方程
离散初始和边界条件
N 给定求解控制参数
求解离散方程
显示和输出计算结果 Y
(1) 分析只适用于简单的问题 (2) 线性问题能得到分析结果，非线
性问题分析十分困难
计算
(1) 适用于线性和非线性问题 (2) 能处理复杂的问题 (3) 可以得到研究对象运动的全过
程
(1) 计算模型和结果可靠性不易检验 (2) 边界数值处理复杂 (3) 计算量大，数据分散，流动规律
不直观
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@ustb.edu.cn
1
1.1 概念
• 目前在工程领域内常用的数值模拟方法和软件有：
– 有限差分法（Finite Difference Method, FDM)
一种求偏微分（或常微分）方程和方程组定解问题的数值解 的方法，简称差分方法。
基本思想是先把问题的定义域进行网格剖分，然后在网格点 上，按适当的数值微分公式把定解问题中的微商换成差商，从而 把原问题离散化为差分格式，进而求出数值解。
University of Science and Technology Beijing
模拟结果
结果
yangshufeng@ustb.edu.cn
2
2.3 Fluent滑移网格模拟区域运动
实现目标：杯子中装满水，现 在以速度1rad/s延续1s钟使杯子倾斜 1rad，观察5s钟内水的变化情况。
涉及到内容包括： （1）分界面几何模型的建立。 涉及到多几何体的创建，主要是各 部分模型网格的组装问题。 （2）区域运动的指定。在本例 中主要是指定运动区域的旋转速度 。需要注意的是旋转中心与旋转方 向的设定。 （3）多相流的使用。本例中使 用的是VOF模型。
yangshufeng@ustb.edu.cn
1
1.1 概念
三者的比较：
数值模拟发展迅速，但是无论今天还是将来，它发展到何种程度， 都不可能离开实验研究和理论分析。因为实验现象和理论分析是数值模 拟的基础，而计算结果又必须由实验现象和理论分析验证。
物理问题
理论分析ห้องสมุดไป่ตู้
数值模拟
工程应用
否 检验
综合设计方法示意图
将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假 设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数 通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。 从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。
Ansys、Abaqus、ls-dyna、nastran等
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@ustb.edu.cn
1
1.1 概念
什么是Fluent？
CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩 到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重 网格加速收敛技术，FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。
灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理 模型，使FLUENT在层流与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多 相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面 有广泛应用。目前与FLUENT配合最好的标准网格软件是ICEM CFD。
yangshufeng@ustb.edu.cn
1
1.4 Fluent软件的基本功能
多运动坐标系下的流动问题 化学组分混合与反应 可以处理热量、质量、动量和化学组分的源项 用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相（颗粒、水滴、气泡等） 多孔介质流动 一维风扇、热交换器性能计算 两相流问题 复杂表面形状下的自由面流动
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@ustb.edu.cn
1
1.2 Fluent用户界面（以15.0版本为例）
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@ustb.edu.cn
Matlab、FLAC3D/2D等
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@ustb.edu.cn
1
1.1 概念
• 目前在工程领域内常用的数值模拟方法和软件有：
– 有限元法（亦称有限单元法）（Finite Element Method, FEM)
yangshufeng@ustb.edu.cn
1
1.1 概念
• 目前在工程领域内常用的数值模拟方法和软件有：
– 有限体积法(Finite Volume Method, FVM)
将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格 点周围有一个控制体积；将待解的微分 方程对每一个控制体积积 分，便得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量 的 数值。为了求出控制体积的积分，必须假定 值在网格点之间的变 化规律，即假设 值 的分段的分布的分布剖面。
University of Science and Technology Beijing
解是否 收敛
yangshufeng@ustb.edu.cn
2
2.1 Fluent模拟气泡的破碎和凝聚
计算域几何如下图所示。采用如图所示的圆柱形容器。气泡从底部 inlet入口进入，从outlet出口流出。几何尺寸如图所示。Fluent的附加模 型population balance model可以用于计算气泡流的破碎及汇聚。本例使 用欧拉多相流配合PBM模型模拟气泡在流动过程中的破碎及凝聚现象。
yangshufeng@ustb.edu.cn
1
1.1 概念
三者的比较：
优点 物理现象和测试结果可靠 实验
(1) 物理概念清晰 (2) 物理规律能公式化 理论 (3) 物理规律简介
缺点
(1) 设备要求高，设计制造周期长 (2) 真实模拟物理问题困难 (3) 测试仪器调试复杂 (4) 只能得到有限的实验数据 (5) 实验经费庞大
University of Science and Technology Beijing Civil and environmental engineering school
计算流体动力学软件Fluent简介
高玉坤 18911699307 gaoyukunustb@126.com
土资学院 2017年3月
University of Science and Technology Beijing
计算结果
yangshufeng@ustb.edu.cn
2
2.4 隧道排放产生CO的扩散
本例模拟的是产生的CO气体在隧道中排放后，CO气体的扩散 情况。
模拟结果
University of Science and Technology Beijing
1
1.1 概念
数值模拟概念： 数值模拟也叫计算机模拟。依靠电子计算机，结合有限元或有限容积 等方法，通过数值计算和图像显示，达到对工程问题和物理问题乃至自 然界各类问题研究的目的。 研究工程问题常用方法：
实验测试 理论分析
数值模拟
University of Science and Technology Beijing
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@ustb.edu.cn
1
1.1 概念
什么是CFD？ 本质上是对控制方程的求解
未知函数ρ,u,v,w,p,T 自变量t,x,y,z
University of Science and Technology Beijing
University of Science and Technology Beijing
检验 是 实验研究
yangshufeng@ustb.edu.cn
1
1.1 概念
• 目前在工程领域内常用的数值模拟方法和软件有：
– 有限差分法 – 有限元法 – 有限体积法
University of Science and Technology Beijing
➢ 在被ANSYS收购后为6.3版本 ➢ 2009年6月发布12.0版本 ➢ 2010年底发布13.0版本 ➢ 2011、2013、2015年底分别发布14.0、15.0、16.0版
本
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@ustb.edu.cn
1、计算流体动力学及Fluent概述 2、Fluent应用领域成果概览 3、Fluent 15.0软件用户界面介绍 4、Fluent模拟原理与过程概览 5、Fluent在矿业安全中的应用介绍
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@ustb.edu.cn
1
1.4 Fluent软件的基本功能
可压缩与不可压缩流动问题 稳态和瞬态流动问题 无粘流、层流及湍流问题 牛顿流体及非牛顿流体 对流换热问题（包括自然对流和混合对流） 导热与对流换热耦合问题 辐射换热 惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟
University of Science and Technology Beijing
1
1.1 概念
需要学习哪些内容？
理论:
传热学 流体力学 应用数值方法（插值、迭代） 燃烧学 张量分析 泛函分析（变分原理） 高等数学（场论、微分方程） 线性代数（矩阵、行列式）
类比：
University of Science and Technology Beijing
软件：
常用软件的教程、视频 软件的HELP文档 实例操作练习
– 前处理软件：Gambit、ICEM、Hypermesh等 – 后处理软件：Fieldview、Ensight、Tecplot等
University of Science and Technology Beijing
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1
1.3 Fluent软件的发展历史
1975年 谢菲尔德大学（UK）开发了Tempest 1983年 美国的流体技术服务公司creature推出Fluent 1988年 Fluent Inc.成立 1995年 收购最大对手FDI公司（FIDAP） 1997年 收购Polyflow公司（粘弹性和聚合物流动模拟） 2006年 被ANSYS收购
粒径分布
University of Science and Technology Beijing
不同粒径气泡数量分布
yangshufeng@ustb.edu.cn
2
2.2 Fluent模拟晃动
实现原理有两个关键： （1）运动加载 （2）VOF模型。 这一个极其简化的模型，完 全封闭，二维。 1、运动的加载。 利用UDF来实现，采用 DEFINE_TRANSIENT_PROFILE 宏来设置区域整体运动。 2、选择模型 选择VOF模型，设置空气为 主相，水为第二相。
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1
1.1 概念
什么是CFD？
• CFD是计算流体动力学（Computational fluid dynamics）的缩写，是预测流体流动、 传热传质、化学反应及其他相关物理现象的一门学科。CFD一般要通过数值方法 求解以下的控制方程组
– 质量守恒方程 – 动量守恒方程 – 能量守恒方程 – 组分守恒方程 – 体积力 – 等等 • CFD 分析一般应用在以下阶段: – 概念设计 – 产品的详细设计 – 发现问题 – 改进设计 • CFD分析是物理试验的补充，但更节省费用和人力。
计算模型
University of Science and Technology Beijing
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2
2.1 Fluent模拟气泡的破碎和凝聚
计算之后可以观察气泡粒径分布云图等，如图左所示为气泡 粒径分布。也可以查看整个计算域空间不同粒径气泡数量直方图 分布（右图）。
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@ustb.edu.cn
1
1.5 计算流体动力学的工作流程
建立控制方程
确定初始条件和边界 条件
划分计算网格、生成 计算节点
建立离散方程
离散初始和边界条件
N 给定求解控制参数
求解离散方程
显示和输出计算结果 Y
(1) 分析只适用于简单的问题 (2) 线性问题能得到分析结果，非线
性问题分析十分困难
计算
(1) 适用于线性和非线性问题 (2) 能处理复杂的问题 (3) 可以得到研究对象运动的全过
程
(1) 计算模型和结果可靠性不易检验 (2) 边界数值处理复杂 (3) 计算量大，数据分散，流动规律
不直观
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1
1.1 概念
• 目前在工程领域内常用的数值模拟方法和软件有：
– 有限差分法（Finite Difference Method, FDM)
一种求偏微分（或常微分）方程和方程组定解问题的数值解 的方法，简称差分方法。
基本思想是先把问题的定义域进行网格剖分，然后在网格点 上，按适当的数值微分公式把定解问题中的微商换成差商，从而 把原问题离散化为差分格式，进而求出数值解。
University of Science and Technology Beijing
模拟结果
结果
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2
2.3 Fluent滑移网格模拟区域运动
实现目标：杯子中装满水，现 在以速度1rad/s延续1s钟使杯子倾斜 1rad，观察5s钟内水的变化情况。
涉及到内容包括： （1）分界面几何模型的建立。 涉及到多几何体的创建，主要是各 部分模型网格的组装问题。 （2）区域运动的指定。在本例 中主要是指定运动区域的旋转速度 。需要注意的是旋转中心与旋转方 向的设定。 （3）多相流的使用。本例中使 用的是VOF模型。
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1
1.1 概念
三者的比较：
数值模拟发展迅速，但是无论今天还是将来，它发展到何种程度， 都不可能离开实验研究和理论分析。因为实验现象和理论分析是数值模 拟的基础，而计算结果又必须由实验现象和理论分析验证。
物理问题
理论分析ห้องสมุดไป่ตู้
数值模拟
工程应用
否 检验
综合设计方法示意图
将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假 设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数 通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。 从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。
Ansys、Abaqus、ls-dyna、nastran等
University of Science and Technology Beijing
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1
1.1 概念
什么是Fluent？
CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩 到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重 网格加速收敛技术，FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。
灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理 模型，使FLUENT在层流与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多 相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面 有广泛应用。目前与FLUENT配合最好的标准网格软件是ICEM CFD。
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1
1.4 Fluent软件的基本功能
多运动坐标系下的流动问题 化学组分混合与反应 可以处理热量、质量、动量和化学组分的源项 用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相（颗粒、水滴、气泡等） 多孔介质流动 一维风扇、热交换器性能计算 两相流问题 复杂表面形状下的自由面流动
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1.2 Fluent用户界面（以15.0版本为例）
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Matlab、FLAC3D/2D等
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1
1.1 概念
• 目前在工程领域内常用的数值模拟方法和软件有：
– 有限元法（亦称有限单元法）（Finite Element Method, FEM)
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1
1.1 概念
• 目前在工程领域内常用的数值模拟方法和软件有：
– 有限体积法(Finite Volume Method, FVM)
将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格 点周围有一个控制体积；将待解的微分 方程对每一个控制体积积 分，便得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量 的 数值。为了求出控制体积的积分，必须假定 值在网格点之间的变 化规律，即假设 值 的分段的分布的分布剖面。
University of Science and Technology Beijing
解是否 收敛
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2
2.1 Fluent模拟气泡的破碎和凝聚
计算域几何如下图所示。采用如图所示的圆柱形容器。气泡从底部 inlet入口进入，从outlet出口流出。几何尺寸如图所示。Fluent的附加模 型population balance model可以用于计算气泡流的破碎及汇聚。本例使 用欧拉多相流配合PBM模型模拟气泡在流动过程中的破碎及凝聚现象。
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1
1.1 概念
三者的比较：
优点 物理现象和测试结果可靠 实验
(1) 物理概念清晰 (2) 物理规律能公式化 理论 (3) 物理规律简介
缺点
(1) 设备要求高，设计制造周期长 (2) 真实模拟物理问题困难 (3) 测试仪器调试复杂 (4) 只能得到有限的实验数据 (5) 实验经费庞大
University of Science and Technology Beijing Civil and environmental engineering school
计算流体动力学软件Fluent简介
高玉坤 18911699307 gaoyukunustb@126.com
土资学院 2017年3月
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计算结果
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2
2.4 隧道排放产生CO的扩散
本例模拟的是产生的CO气体在隧道中排放后，CO气体的扩散 情况。
模拟结果
University of Science and Technology Beijing
1
1.1 概念
数值模拟概念： 数值模拟也叫计算机模拟。依靠电子计算机，结合有限元或有限容积 等方法，通过数值计算和图像显示，达到对工程问题和物理问题乃至自 然界各类问题研究的目的。 研究工程问题常用方法：
实验测试 理论分析
数值模拟
University of Science and Technology Beijing
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1
1.1 概念
什么是CFD？ 本质上是对控制方程的求解
未知函数ρ,u,v,w,p,T 自变量t,x,y,z
University of Science and Technology Beijing
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检验 是 实验研究
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1
1.1 概念
• 目前在工程领域内常用的数值模拟方法和软件有：
– 有限差分法 – 有限元法 – 有限体积法
University of Science and Technology Beijing
➢ 在被ANSYS收购后为6.3版本 ➢ 2009年6月发布12.0版本 ➢ 2010年底发布13.0版本 ➢ 2011、2013、2015年底分别发布14.0、15.0、16.0版
本
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1、计算流体动力学及Fluent概述 2、Fluent应用领域成果概览 3、Fluent 15.0软件用户界面介绍 4、Fluent模拟原理与过程概览 5、Fluent在矿业安全中的应用介绍
University of Science and Technology Beijing
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1
1.4 Fluent软件的基本功能
可压缩与不可压缩流动问题 稳态和瞬态流动问题 无粘流、层流及湍流问题 牛顿流体及非牛顿流体 对流换热问题（包括自然对流和混合对流） 导热与对流换热耦合问题 辐射换热 惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟
University of Science and Technology Beijing
1
1.1 概念
需要学习哪些内容？
理论:
传热学 流体力学 应用数值方法（插值、迭代） 燃烧学 张量分析 泛函分析（变分原理） 高等数学（场论、微分方程） 线性代数（矩阵、行列式）
类比：
University of Science and Technology Beijing
软件：
常用软件的教程、视频 软件的HELP文档 实例操作练习