大型通用计算流体力学软件Fluent

Ｆｌｕｅｎｔ软件并行运行可以基于共享内存或分布式
内存系统，并行效率高。并行采用区域分解并行技
术，可以自动区域分解，也可以手动用工具分解网
用 格。并行的时候既可以采用标准的消息传递库，也 与应 可以采用专用的通信库，通信方式灵活多样。通信 发展 印 过程中支持动态负载平衡，确保全局高效并行，并 算 编 且可以与ＬＳＦ／ＳＧＥ等作业调度系统相匹配。
并行规模 精度
３２位ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
１２８ＣＰＵ ３２位、６４位 ３２位、６４位
２．４ 软件使用基本步骤 申请帐号——获取系统和软件使用权。
２．２ 软件运行性能 Ｆｌｕｅｎｔ软件的性能加速比与ＣＰＵ数目呈近似线性
关系，即求解器解线性方程得并行能力是近似线性
模型准备——用户准备模型数据文件（．ｃａｓ文 件、．ｄａｔ文件和命令流文件、用户子程序等）和一个作 业脚本文件。
分析中，主要包括：
Ｆｌｕｅｎｔ软件是一个通用的ＣＦＤ软件包，用来模拟
航空航天
从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动，能够
航空发动机、导弹、固体火箭发动机、空气动
处理复杂的流体和传热问题。由于采用了多种求解
力学分析、旋转机械分析、气动噪音分析、翼端旋
方法和多重网格加速收敛技术，因而ＦＬＵＥＮＴ能达到
形和多面体网格；支持界面不连续的网格、混合网
用 格 、 动 ／ 变 形 网 格 以 及 滑 动 网 格 等 ； 支 持 网 格 自 适 与应 应，包括网格一致自适应和孤立点自适应；包含网 展 格平滑和网格操作工具；支持混合网格生成和网格 算发 编印 间物理量插值功能。
计 心 数值算法 性能 算中 Ｆｌｕｅｎｔ软件核心求解器包含基于压力隐式算法、 高 计 基于密度隐式算法和基于密度显式算法三种；所有 超级 算 法 都 是 基 于 有 限 控 制 体 积 法 ， 支 持 非 结 构 化 网 上海 格，动态时间步长和动态内存分配，充分满足用户
迎风、指数规律、ＱＵＩＣＫ、ＭＵＳＣＬ、中心插分等对
璧面腐蚀、湿液干燥等模型
流离散方式；标准的、线性的、二阶、ＰＲＥＳＴＯ等压
用户自定义功能
力插值方式；求解时可采用多重网格求解方法和非
ＦＬＵＥＮＴ软件提供了友好的用户界面，并为用
迭代瞬态求解方法；
户提供了二次开发接口（ＵＤＦ）；采用Ｃ／Ｃ＋＋语言编
APP_NAME=fluent NP=16 NP_PER_NODE=4 RUN= “fluent 3d –g –i journal "
模 型 上 传 — — 通 过 超 级 计 算 中 心的 ｆｔｐ服务器（外网ｆｔｐ：／／ｆｄａｗｎｉｎｇ．ｓｓｃ．ｎｅｔ．ｃｎ，内网 ｆｔｐ：／／１９２．１６８．２３０．２０ ）上传数据文件和脚本文件。
基于密度算法包括显式算法和隐式算法两种；
写，可以给用户自定义各种边界、源项和设置各种
显式算法采用多步时间步长、ＦＡＳ多重网格和显式时
变量参数。
间步长技术，而隐式算法则采用完全牛顿线性化和
前后处理
ＡＭＧ区块线性方程求解技术。
Ｆｌｕｅｎｔ软件的使用和处理都可以交互式的进
湍流模型
行，非常方便易用；它可以导入／导出各种形式的
发展 印 公司Ｃｒｅａｒｅ Ｉｎｃ．赞助的一个项目。源于Ｃａｒｅａｒｅ Ｉｎｃ．公司 算 编 项目组的专家与工程师们、英国Ｓｈｅｆｆｉｅｌｄ大学研究员 能计 中心 Ｄｒ．Ｆｅｒｉｔ Ｂｏｙｓａｎ和美国芝加哥ＦＤＩ公司的创始人Ｍｉｃｈａｅｌ 性 算 Ｅｎｇｅｌｍａｎ对计算流体力学的共同兴趣，在１９８３年他们 高 级计 一起合作开发完成了第一版易用的、交互式的ＣＦＤ软 超 件——Ｆｌｕｅｎｔ。软件之所以命名为Ｆｌｕｅｎｔ，意在让用 上海 户能够进行平滑流动过程的模拟。
拟、绿色建筑能耗模拟、行人舒适和安全分析。
电子和材料
金属化学气相沉积、晶体生长界面模拟、金属
工程计算应用软件系列介绍
固化和腐蚀模拟、材料热变形分析、纤维材料纺纱
自然对流和混合对流换热分析、流体和固体（热导
过程模拟、气泡生成过程模拟。
率各向同性／各向异性）之间的耦合换热分析；也
其他
可以耦合辐射换热与物质传输进行受热分析；而辐
泵分析，包括压缩机和透平叶栅流道分析、扩散道
Ｆｌｕｅｎｔ公司被Ａａｖｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司合并，
性能预测、泵的叶轮和蜗壳设计、冷却系统设计、
之后又分别兼并了Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ公司和
盘腔系统设计、内冷设计、涡轮叶片设计、封严泄
ＰＯＬＹＦＬＯＷ软件。在此期间，Ｆｌｕｅｎｔ公司开发出了许
诺应力模型（ＲＳＭ）组、大涡模拟模型（ＬＥＳ）组以及
Ｆｌｕｅｎｔ软件后处理结果丰富多样，可以输出彩
分离涡模拟（ＤＥＳ）和Ｖ２Ｆ模型等。另外用户还可以
色等值线显示、梯度显示、矢量显示、等值面、粒
定制或添加自己的湍流模型。
子轨迹显示、云图显示、各种动画显示等；此外结
热交换和热辐射模型
果可以输出到其它软件进行处理，图形可以输出成
Ｃｈｅｍｋｉｎ导入化学反应机理。
其他专业分析功能。
多相流模型
网格功能
用以分析气液、固液、气固等多相物质间流动
ＦＬＵＥＮＴ软件具有强大的网格支持能力，支持
时的相互作用，包括ＶＯＦ、欧拉多相流、混合多相
四边形、三角形、四面体、六面体、锲型、金字塔
流、空穴两相流模型和湿蒸汽模型。ＶＯＦ模型可以采
包括丰富而先进的各种湍流模型，使得用户能
网格，一般采用的前处理工具有Ｇａｍｂｉｔ、ＴＧｒｉｄ、
够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含
ＩＣＥＭＣＦＤ、ＧｒｉｄＧＥＮ等，并且在Ｆｌｕｅｎｔ软件中可以对
Ｓｐａｌａｒｔ－Ａｌｌｍａｒａｓ模型、ｋ－ω模型组、ｋ－ε模型组、雷
网格进行缩放、组合、界面合并等操作。
流、发射系统、舱内流动分析、电子冷却、燃料系
最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格
统、挂载分离、起落架流场分析、除冰除霜。
和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使
汽车
ＦＬＵＥＮＴ在转捩与湍流、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
应用 加工、燃料电池等方面有广泛应用。 与 Ｆｌｕｅｎｔ软件起源于１９８２年美国Ｎｅｗ Ｈａｍｐｓｈｉｒｅ咨询
拉格朗日离散相模型 该模型可以自动跟踪计算稳态／非稳态流动中粒
需求；
子／颗粒的运动轨迹。针对粒子的运动采用拉格朗日
基于压力算法包括分离求解算法（ＳＩＭＰＬＥ、
方式描述，对颗粒的作用力考虑了附加质量、压力
ＳＩＭＰＬＥＣ、ＰＩＳＯ）和耦合求解算法；支持一阶／二阶
梯度、浮力、Ｂｒｏｗｎｉａｎ力等。此外还包括液滴破碎、
２．３ Ｆｌｕｅｎｔ软件在上海超级计算中心的典型应用
２． 上海超算Ｆｌｕｅｎｔ软件应用情况介绍
船舶水动力特性的数值模拟 飞行器空气动力学设计分析
２．１ 软件版本与使用规模
表１ 上海超级计算中心Ｆｌｕｅｎｔ软件规模与版本
软件版本
６．１．２２
６．２．１６
６．３．２６
防风网设置的数值模拟 舰体附体及螺旋桨相互干扰ＣＦＤ研究 湍流燃烧的数值模拟
热交换器分析、原子炉设计、管道输送／风道设计、
商的一个部门。两者的合并为用户提高操作效率、
焚化炉分析。
降低开发成本、加速研发和创新提供了新空间。
环境
建筑通风、居住舒适等级分析、火灾和烟尘
模拟、建筑湿度分析、自然通风模拟、混合通风
模拟、地铁通风模拟、烟囱通风模拟、太阳辐射模
拟、污染物扩散模拟、街道峡谷通风模拟、隧道模
漏流分析。
多艺术级的模型和数值方法，包括第一款通用的非
化工能源
结构化ＣＦＤ程序ＲＡＭＰＡＮＴ、ＣＦＤ软件的并行处理以
反应器、搅拌机械、燃料电池、煤炭处理、燃
及动网格、多相流等模型。２００６年５月Ｆｌｕｅｎｔ公司被
烧器分析、烟雾扩散、锅炉煤粉燃烧、尾气处理、
ＡＮＳＹＳ公司兼并，成为世界上最大ＣＡＥ仿真软件供应
随着ＣＦＤ软件业务的迅猛增长，Ｆｌｕｅｎｔ项
分析、甲板发电站分析、喷水推进系统分析。
目组 １ ９ ８ ８ 年 从 Ｃａｒｅａｒｅ Ｉｎｃ． 公司分离出来，在Ｎｅｗ
机械
Ｈａｍｐｓｈｉｒｅ设立了新的公司总部。随后的十年内
多级涡轮机、离心压气机、空调压缩机、工业
Ｆｌｕｅｎｔ分别在欧洲和日本成立了合资公司。１９９５年
血液流动分析、电位场模拟、雪茄生产过程模
射换热包括ＤＯ、Ｓ２Ｓ、ＤＴＲＭ、Ｐ－１、Ｒｏｓｓｅｌａｎｄ等模
拟、冰淇淋机性能优化。
型，即可以忽略／考虑换热介质的作用影响，也可以
考虑流体辐射对颗粒的换热影响，此外还可以考虑
１．３ Ｆｌｕｅｎｔ软件功能特点
太阳辐射。
分析功能
化学组分的混合和反应
二维平面／二维轴对称和三维稳态／非稳态流动
析、辐射换热分析、化学反应物混合及反应燃烧分
子燃烧模型、煤燃烧模型等。此外软件还包含有污
析、自由表面和多相流分析、相变模拟和多孔介质
染物模型（ＮＯｘ，ＳＯｘ，Ｓｏｏｔ），自动点火模型和
分析、动态和移动网格模拟、并行计算处理、与其
多步表面反应模型。Ｆｌｕｅｎｔ软件还可以从专业软件
他软件耦合分析、噪音分析、用户自定义函数以及
能外，还包括一些专业模块，如燃料电池模块（
８ｃｐｕ。
ＰＥＭＦＣ和ＳＯＦＣ）、磁流体动力学模块、总体平衡
测试算例：
模块。总体平衡模块可以与带颗粒的多相流一起使
防风网设置的计算模拟，采用标准ｋ－ε模型，二
用，充分考虑颗粒的破碎与聚合，从而可以模拟气
阶迎风格式，１５９４万网格。
柱和结晶器的形成。
并行功能
空气动力学、气囊释放、空气悬挂装置、鼓风 机、刹车盘冷却、发动机冷却和散热分析、排气系 统分析、风扇设计、燃料电池分析、油箱晃动、缸 内流动、车灯、进排气歧管流场分析、噪声预测、 热舒适度分析、ＨＶＡＣ、轮胎、前风挡雨刷、喷洗 器、过滤器分析。
船舶 船型设计、螺旋桨外形、发动机排气、冷却系 统分析、通风系统、帆船设计、污油扩散、溢油的 清除、直升机甲板的影响、给水排水、喷砂除锈、 自由表面波浪和液罐液体晃动、烟气排放、转向舵
用高分辨率的ＨＲＩＣ和ＣＩＣＳＡＭ界面捕捉技术； 动网格模型 分析区域的网格可以动态地改变和变形，主
要有基于弹性变形的网格变形技术、网格层动态增 减技术、局部网格重划分、２．５Ｄ网格重划分技术和 ６ＤＯＦ解算技术；此外还有网格自适应和自动细化／粗 化技术，可以充分捕捉物理量的剧烈变化，准确分 析整个流场弥补网格划分的不足之处。
表２ 命令流文件和脚本文件范例：
命令流文件
作业脚本
/file/read-case-data /home/user/xlchen/testcase/test /solve/iterate 500 /file/write-case-data /home/user/xlchen/testcase/test1 /exit y
能计 中心 Ｆｌｕｅｎｔ软件同时具有单机多ＣＰＵ（ＳＰＭ）和多机 性 算 多ＣＰＵ并行处理处理能力，可在各种硬件平台上运 高 级计 行，包括ＰＣ、Ｕｎｉｘ工作站、Ｌｉｎｕｘ、超级计算机以及 超 ＭＰＰ（大信息量并行处理机）平台此外Ｆｌｕｅｎｔ还可以 上海 在ｗｉｎｄｏｗｓＣＣＳ系统下进行并行运算。
图１ Ｆｌｕｅｎｔ计算时间与ＣＰＵ数目关系
Ｆｌｕｅｎｔ软件通过求解多组分传输方程来分析整
分析、亚音速／跨音速／超音速／超高音速分析、无粘
个流场的化学体系。包括常用的有限速率化学反
流／层流和湍流模拟、牛顿／非牛顿流体分析、全面的
应动力学、ＰＤＦ模型、层流火焰模型、非稳层流火
湍流模拟、自然对流／强制对流／混合通风等热交换分
焰模型、预混燃烧模型、部分预混燃烧模型、亚格
热交换可以进行层流／湍流强制通风换热分析、
ＰＳ、ＪＰＥＧ等格式。
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《高性能计算发展与应用》 ２００７年第二期 总第十九期
附加模块
的。考虑到网络通信和负载平衡，典型情况下１００万
Ｆｌｕｅｎｔ软件除了包括基本的流体动力学分析功
网格左右的模型推荐采用４ｃｐｕ，２００万左右的模型用
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《高性能计算发展与应用》 ２００７年第二期 总第十九期
大型通用计算流体力学软件Ｆｌｕｅｎｔ
陈小龙 上海超级计算中心 上海 ２０１２０３ ｘｌｃｈｅｎ＠ｓｓｃ．ｎｅｔ．ｃｎ
１． 软件功能介绍
１．２ 主要应用领域
长期以来Ｆｌｕｅｎｔ软件广泛应用在流体建模和传热
１．１ Ｆｌｕｅｎｔ软件发展概况