计算流体力学与FLUENT软件简介

传热和辐射
在许多工业设备像涡轮叶片、发动机缸体和燃烧室，以及建筑和 结构中，优化传热都非常关键。ANSYS Fluent软件有最新的共轭传 热（CHT）技术，把流体动力学和固体材料的内部导热联合起来计算 。固体域可以直接划分网格，或用壳模型做为薄壁模拟。ANSYS Fluent引入了丰富的模型来计算各类流体和固体间的辐射传热，包括 全透明、半透明或不透明辐射。
在Model Constants 项中的模型 常数是被广泛认可的常数，不用 改变，保留其他默认设置。
Fluent算例介绍
要处理边界层内的流动问题需考虑以下三种情况：
① 层流底层 （y+ < 5）； ② 过渡区域 （5 < y+ < 30）； ③ 紊流区域 （y+ > 30）。
y u* y
/
➢ 适用范围广。FLUENT含有多种传热燃烧模型 及多相流模型，可应用于从可压到不可压、从 低速到高超音速、从单相流到多相流、化学反 应、燃烧、气固混合等几乎所有与流体相关的 领域；
➢ 精度提高，可达二阶精度。
Fluent 软件结构
FLUENT包应该包括以下几个部分： 1. FLUENT解法器 2. prePDF，用于模拟PDF燃烧过程 3. GAMBIT，网格生成 4. TGrid，额外的处理器，用于从现有的边界网格生成
体网格。 5. Filters(Translators)，转换其它程序生成的网格，
用于FLUENT计算。可以接口的程序包括：ANSYS, IDEAS, NASTRAN, PATRAN等。
Fluent程序求解问题的步骤：
确定几何形状，生成计 算网络（用GAMBIT）
输入并检 查网络
求解 计算
保存结果进 行后处理等
1.选择2D求解器 2.读入网格 将网格文件plate.msh读入。 3.检查并显示网格 点击Grid-Check
Fluent算例介绍
4.设置求解器
1.在time项选择Steady稳态。 2.启动能量方程。 3.确定紊流模型 ReL>5×105，属于紊流流动。
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雷诺数计算
问题描述
u* 0
运用Fluent对该问题进行求解后，可以求得对应于不同位置网格的 y+值。
Fluent算例介绍
当网格的粗细度处于紊流区域（y+ > 30），选择 Enhanced Wall Treatment 可用来提高边界问题的计算精 度；
当网格的粗细度处于过渡区域（5 < y+ < 30），选择 Enhanced Wall Treatment 也可用来提高边界问题的计算 精度，但是作用不明显。
Fluent算例介绍
第1步：在Gambit中创建模型、划分网格并确定边界类型 创建流动区域的四个节点。
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第2步：创建网格
对此矩形区域进行网格划分， 将竖直方向划分为100份，并 沿y方向网格长度等比例逐渐 增 长 ； 将 水 平 方 向 等 分 为 30 份。
Fluent算例介绍
当网格的粗细度处于层流区域（5 > y+），Fluent本身可用 来求解层流底层内的问题，所以选择Enhanced Wall Treatment 对于提高计算精度方面作用不明显。
Fluent算例介绍
5.定义边界条件
① 入口边界设置 在Zone项选择inflow，速度大小 20，流体温度300。 但是在点击ok的过程中出现了警 告。
选择2D 求解器
流场初 始化
选择求解 的方程
条件计算 控制参数
确定边界类型 及边界条件
ห้องสมุดไป่ตู้
确定流体的 材料性质
Fluent算例介绍
问题描述 温度为T0、压强为P0的理想气体以均速V0流过温度为
Tp、长为L的无限宽平板，如下图所示。试对平板绕流的 流动过程进行数值模拟计算。
V0
L=1m 空气流过高温平板示意图
图所示，density等参数均选择 Second Order Upwind； ② 设置流场初始值 ③ 设置收敛临界值 ④ 保存并计算
Fluent算例介绍
残差迭代收敛曲线
Fluent算例介绍
第6步：计算结果分析 ① y+分析
Fluent算例介绍
第6步：计算结果分析 ① 在 x=1m 处的速度分布
由理想气体状态方程，来流气体的密度为 ρ=P0/(RTO)=1.177kg/m3
来流的雷诺数为
ReL=V0L/(u/ρ)=1.266×106
Fluent算例介绍
4.紊流模型的确定
Model选择k-e模型； k-e 模型中选择理想化模型； 对于边界层流来说，Realizable k-e模型比Standard k-e模型精 度更高。
流固耦合
通过ANSYS Fluent和 ANSYS 结构力学的耦合可以模拟固体运动 对流动的影响。ANSYS Fluent中流体域的网格变形算法既稳健又灵 活，能允许甚至很大的边界位移。对更极端的边界运动，单个网格拓 扑不足以模拟整个变形，ANSYS Fluent提供模拟中按需自动重新划 分网格的选项。
后处理和数据输出
ANSYS Fluent的后处理工具能产生有意义的图像、动画和报告， 让流体动力学结果的表达更容易。求解数据能输出到ANSYS CFDPost、第三方后处理软件或CAE软件中做进一步的分析。
FLUENT同传统的CFD计算方法相比，具 有以下的优点：
➢ 稳定性好。FLUENT经过大量算例考核，同实 验符合较好；
多相流
许多CFD应用所包含的流体是多相而不仅是一相。ANSYS Fluent 是多相流模型技术的领导者。其各类功能让工程师能洞察那些常常难 以测量的设备内部。对不同类型的多相流 ANSYS Fluent软件提供不同 的模型。
反应流
ANSYS Fluent都提供了丰富的架构来模拟伴随化学反应和燃烧的 流动。ANSYS Fluent中的反应流模型能处理大量的气体、煤和液体 燃料燃烧模拟。同时也包括预测SOx 生成、NOx 生成和分解的特殊 模型。该技术的表面反应功能可以预测气体和表面组分的反应，也能 预测不同组分间的反应，因此，能严格预测沉积和蚀刻。
英国谢菲尔大学开发了Tempest 美国的流体技术服务公司creature推出fluent Fluent Inc.成立 收购最大对手FDI公司（ FIDAP ） 收购Polyflow公司（粘弹性和聚合物流动模拟） 被ANSYS收购
Fluent 发展历程
2006年 2009年 2010年 2011年 2013年 2015年
湍流模型
ANSYS Fluent软件一直重点关注开发领先的湍流模型，精确有 效地捕捉湍流效应。尤其关注的是经广泛测试的剪切应力湍流模型（ SST），因其对非平衡湍流边界层流动和传热的预测有明显的优势。 Fluent也提供了创新的模型来求解层流到湍流的转捩。此外，ANSYS Fluent提供了大量的尺度解析湍流模型。
动网格
ANSYS Fluent的动网格能解决一些挑战性的应用，包括内燃机 流动、阀门、油箱分离。ANSYS Fluent也提供滑移网格和多重参考 坐标系模型，该模型在搅拌器、水泵和涡轮机械中已被验证。
FLUENT软件具有强大的网 格支持能力，支持界面不连续的 网格、混合网格、动/变形网格以 及滑动网格等。值得强调的是， FLUENT软件还拥有多种基于解 的网格的自适应、动态自适应技 术以及动网格与网格动态自适应 相结合的技术；
被ANSYS收购后，命名为6.3版本 12.0版本发布 13.0版本发布 14.0版本发布 15.0版本发布 16.0版本发布
Fluent 基本功能及特点
网格灵活性
ANSYS Fluent软件的网格具有完全的灵活性，包括能相对容易 地对复杂几何生成非结构网格来求解流动问题。所支持的网格类型包 括三角形、四边形、四面体、六面体、棱柱体（楔形）和多面体。
声学
对声学来说，ANSYS Fluent能用几种方法计算非稳态压力脉 动引起的噪声。瞬态LES对表面压力的预测能用内嵌的傅立叶变 换工具（FFT）转化为频谱。Ffowcs–Williams 和 Hawkings声类 比能模拟各种的声传播，从暴露的钝体到旋转风扇叶片。宽频噪 声模型能基于稳态仿真的结果预估声源。
Fluent软件介绍
主要内容
1 Fluent 简要介绍
2 Fluent 发展历程 3 Fluent 基本功能及特点 4 Fluent 软件结构 5 Fluent程序求解问题的步骤 6 Fluent 算例介绍（俞梦玮）
7
Fluent 简要介绍
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 ，包含了广泛的物理模型，能模拟 工业应用中的流动、传热和反应。
材料属性
流动条件会影响材料的详细行为，如压力或温度对CFD结果的精 度有关键的影响。针对大范围的液体、气体和固体，ANSYS Fluent 有丰富的材料属性库。假设仿真中涉及到某个专有材料，或其它材料 库中没有的材料，用户能用ANSYS Fluent环境的灵活性容易地定义 任何新材料，或者定义材料属性和压力、温度、剪切应变速率等流场 参数的关系式。
第3步：定义边界类型 在Gambit中设置边界条件。
名称 inflow outflow
top plate
类型 VELOCITY_INLET PRESSURE_OUTLET
SYMMETRY WALL
第4步：输出网格并保存文件
top inflow
plate
outflow
Fluent算例介绍
第4步：在Fluent中对问题进行设置
Fluent算例介绍
5.定义边界条件
② 设置出流边界 在Zone项选择outflow，如图所示。
Gauge Pressure 为0，表示绝对压强 为操作压强。 出流边界的表压强=绝对压强-操作压 强 ③ 设置平板边界条件 在Zone项选择plate，如图所示。
Fluent算例介绍
第5步：求解 ① 采用二阶离散方法进行计算，如
温度为T0、压强为P0的理想气体以均速V0流过温度为Tp、长为L的无 限宽平板，如下图所示。试对平板绕流的流动过程进行数值模拟计算。
假设流体是可压缩的、设来流为空气，参数如下：
来流流速 V0=20 m/s 导热系数λ=0.0247 W/(m·K) 来流温度 T0=300 K
动力黏度 u=1.89×10-5 Pa·s 定压比热 Cp=1005 J/(kg·K) 来流压强 P0=101325 Pa
Fluent算例介绍
将inflow边界类型改为pressure-inlet。 由可压缩等熵流动计算公式，总压强的 计算公式如下：
p p0

1
k
1 2
Ma2
k /(k 1)

Ma
v0 0.0576 kRT0
p0 101325Pa
p p p0 235.56Pa
这些工业应用涵盖了从飞机机 翼的空气外流到锅炉的燃烧，从 塔内气泡流到钻井平台，从血液 流动到半导体制造，以及从洁净 室设计到污水处理厂。
一些特殊的模型如内燃机 燃烧、气动噪声、旋转机械和多 相流系统也进一步扩大了软件的 应用范围。
Fluent 发展历程
1975年 1983年 1988年 1995年 1997年 2006年
谢 谢！