Fluent介绍及数值模型
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SKE 局限性:
– 对有大的压力梯度、强分离流、强旋流和大曲率流动，模拟精 度不够。
– 难以准备模拟出射流的传播 – 对有大的应变区域（如近分离点），模拟的k 偏大
FLUENT应用培训—张光学
19
RKE/RNG模型
Realizable k–ε (RKE) 模型
– 耗散率 (ε) 方程由旋涡脉动的均方差导出，这是和SKE的根本 不同
FLUENT应用培训—张光学
23
湍流模型选用原则
既要考虑模型的准确度，也要考虑计算工作量、收敛性 等性能。
根据计算目标来选用湍流模型，仔细查阅各模型适用条 件和精度，并根据经验、实验数据等进行选用。
模型越高级，理论上准确度越高，但是计算代价越大， 同时收敛性能可能会变差。
常用策略：首先用较简单的湍流模型（如SKE）获取初 场，然后切换至更高级模型以获取最终解。
FLUENT应用培训—张光学
6
3
Fluent软件构成
FLUENT应该包括以下几个部分： FLUENT解法器 GAMBIT，网格生成 ICEM，网格生成 prePDF，用于模拟PDF燃烧过程
2013/11/17
FLUENT应用培训—张光学
7
Fluent软件构成
GAMBIT 设置几何形状 生成2D或3D网格
2013/11/17
2.2 Fluent介绍及数值模型
张光学 博士、副教授
Tel: 135-7546-4222 zhangguangxue@
2013/11/17
Fluent介绍
FLUENT软件是目前市场上最流行的CFD软件，它在美国 的市场占有率达到60%，在中国也是得到最广泛使用的 CFD软件。
为气动领域设计的，包括封闭腔内流动 – 可以很好计算有反向压力梯度的边界层流动 – 在旋转机械方面应用很广
局限性 – 不可用于所有类型的复杂工程流动 – 不能预测各向同性湍流的耗散
FLUENT应用培训—张光学
17
标准 k–ε 模型
选择 ε 作为第二个模型方程， ε 方程是基于现象提出而非推导得 到的
0.70
0.63
0.56
Standard k–ε
0.49
RNG k–ε
0.42
0.35
0.28
0.21
Realizable k–ε
0.14
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Reynolds Stress
0.07
0.00
FLUENT应用培训—张光学
22
11
2013/11/17
湍流模型总结
模型
S-A 模型
k-ε 模型
标准 重整化 可实现
标准 k-ω 模型
SST k-ω 模型
RSM 模型 LES 模型
特点及适用范围 大网格低成本湍流模型，适用于模拟中等复杂的内流和外 流以及压力梯度下的边界层流动 优缺点明确，适用于初始迭代、设计选型和参数研究 适用于涉及快速应变、中等涡和局部转捩的复杂剪切流动 计算精度高于重整化 k-ε 模型 在模拟近壁面边界层、自由剪切和低雷诺数流动时性能更 好。可以用于模拟转捩和逆压梯度下的边界层分离(空气动 力学中的外流模拟和旋转机械) 与标准 k-ω 模型性能类似，对壁面距离的依赖使得它不适 合于模拟自由剪切流动。 基于雷诺平均的湍流模型，避免各向同性涡粘性假设，需 要较多的 CPU 时间和内存消耗，适用于模拟强漩涡流等复 杂三维流动 适用于模拟瞬态的大尺度涡
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11
湍流模型
瞬时场拆分为平均量和脉动量之和，如 时间平均定义为
对NS方程进行平均，得到雷诺平均的NS方程 (RANS) :
Reynolds stress tensor, Rij
FLUENT应用培训—张光学
12
6
2013/11/17
湍流模型
此时，控制方程组未知数增多，方程组不封闭。要使方 程组封闭，必须做出某些假定，即建立应力的表达式 （或者引入新的湍流方程），通过这此表达式把湍流的 脉动值与时均值等联系起来。
几何形状或 网格
其它软件包， 如CAD，CAE等
2D或3D网格
prePDF PDF查表
PDF程序
FLUENT
网格输入及调整 物理模型 边界条件 流体物性确定 计算 结果后处理
边
界
网
体边
格
网界
格和
（
或
）
第三方网格软件
网格 2D三角网格
3D四面体网格
2D和3D混合网格
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8
4
2013/11/17
2006年 被ANSYS收购
– 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年底发布14.0版本
– 最新：14.5版本
FLUENT应用培训—张光学
3
Fluent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；
Fluent文件类型
FLUENT软件文件类型： .jou文件：日志文档，可以编辑运行。 .dbs文件：Gambit工作文件，若想修改网格， 可以
打开进行再编辑, 可以打开进行再编辑。 .msh文件：Gambit输出的网格文件，不可编辑。 .cas文件：Fluent算例文件，包括网格及各项设置。 .dat文件： FLUENT计算数据结果的数据文件。 .pdf文件：prePDF生成文件，仅用于燃烧反应。
FLUENT是世界领先的CFD软件，在流体建模中广泛的被 应用。由于它一直以来以用户界面友好而著称，所以对初 学者来说非常容易上手，提高生产速度。它基于非结构化 及有限容量的解算器的独立性能在并行处理中的表现堪称 完美。
Fluent的软件设计基于CFD软件群的思想，针对各种复杂 流动的物理现象，FLUENT软件采用不同的离散格式和数 值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度 等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂 流动计算问题。
– 在FLUENT中RSM是最精细制作的模型,在二维流动中加入了 四个方程，而在三维流动中加入了七个方程。
– 要考虑雷诺压力的各向异性时，必须用RSM模型。例如飓风 流动、燃烧室高速旋转流、管道中二次流。
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21
湍流模型对比
Contours of Turbulent Kinetic Energy (m2/s2)
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15/5
湍流模型
一方程模型
Spalart-Allmaras 二方程模型
Standard k–ε
RNG k–ε
RANS based models
Realizable k–ε Standard k–ω
SST k–ω
4-Equation v2f
Reynolds Stress Model
– 对雷诺应力项施加了几个可实现的条件
– 优势: 精确预测平板和圆柱射流的传播
对包括旋转、有大反压力梯度的边界层、分离、回流等现象有更 好的预测结果
RNG k–ε (RNG) 模型:
– k–ε方程中的常数是通过重正规化群理论分析得到，而不是通 过试验得到的，修正了耗散率方程
– 在一些复杂的剪切流、有大应变率、旋涡、分离等流动问题比 SKE 表现更好
时空域的瞬间脉动是随机的（不可预测的），但湍流脉 动的统计平均可量化为输运机理
所有的湍流中都存在大范围的长度尺度（涡尺度） 对初场敏感 “随机”和“脉动”是湍流流场的重要的物理特征。 判断是否湍流的参数：雷诺数（Reynolds number） 工程问题绝大多数属于湍流流动。
壁面函数法：在壁面区不进行求解，直接使用半经验公式将壁面 上的物理量与湍流核心区内求解变量联系起来。是常用的方法。
记住: 目前没有一个适用于所有流动的高级模型。
FLUENT应用培训—张光学
24
12
2013/11/17
壁面函数
无论是标准k-ε模型、RNG k-ε模型，还是Realizable k-ε 模型,都是针对充分发展的湍流才有效的，也就是说， 这些模型均是高Re数的湍流模型。它们只能用于求解 处于湍流核心区的流动。
在流动区域内部，湍流充分发展，可使用湍流模型。但 是在近壁区，湍流发展不充分，可能再现层流，因此无 法用湍流模型描述。
在近壁面处，湍流边界层很薄，因此求解变量的梯度很 大，但精确计算边界层对仿真来说非常重要。
FLUENT应用培训—张光学
25
壁面函数
如何处理近壁面区域流动？
直接求解：使用很密的网格来解析边界层，越靠近壁面，网格越 细。对工程应用来说，代价很大。
FLUENT应用培训—张光学
4
2
2013/11/17
Fluent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。
FLUENT应用培训—张光学
2
1
2013/11/17
Fluent发展历程
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）
FLUENT应用培训—张光学
5
CFD软件构成
前处理
– 构建物理几何体 – 生成网格 – 指定边界类型
求解器
– 选择计算采用的模型（湍流、燃烧、换热、辐射和多相流等） – 设置边界条件(进口压力和温度、出口速度) – 设置求解器(是否耦合？稳态？精度？) – 通过迭代得到数值解。
后处理
– 查看计算结果(速度、压力和温度分布等)
基于某些假定所得出的湍流控制方程，称为湍流模型。 目的是为了求解湍流流动问题。
并不直接求解包含随机运动的瞬间值，而是求解其时间 平均值。
FLUENT应用培训—张光学
13
瞬时速度分布
时间平均的速度分布
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14/5
7
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横风中的射流 • 左图是抓拍的瞬态羽流图，右图是延时的光滑掉细节（涡）的平均图。
最重要的是cas和dat文件。
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9
Fluent中的数值模型
湍流模型（如何考虑粘性项） 多相流/离散相模型（如何考虑颗粒或多相流动） 化学反应/燃烧模型 …
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10
5
2013/11/17
湍流模型
湍流本质是非稳态的、三维的、非周期的漩涡运动（脉 动）的，湍流会加强混合、传热和剪切
Spalart-Allmaras (S-A) 模型
SA模型求解修正涡粘系数的一个输运方程，计算量小 – 修正后，涡粘系数在近壁面处容易求解
主要应用于气动/旋转机械等流动分离很小的领域，如绕过机翼的 超音速/跨音速流动，边界层流动等
是一个相对新的一方程模型，不需求解和局部剪切层厚度相关的 长度尺度
k–kl–ω Transition Model
SST Transition Model
Detached Eddy Simulation
FLUENT应用培训—张光学 Large Eddy Simulation
Increase in Computational
Cost Per Iteration
16
8
2013/11/17
FLUENT应用培训—张光学
20
10
2013/11/17
k-ω及RSM模型
标准 k-ω模型
– 基于Wilcox k-ω模型，它是为考虑低雷诺数、可压缩性和剪 切流传播而修改的。
– Wilcox k-ω模型预测了自由剪切流传播速率，像尾流、混合 流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射。
雷诺压力模型（RSM）
耗散率和 k 以及湍流长度尺度相关:
结合 k 方程, 涡粘系数可以表示为:
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9
2013/11/17
标准 k–ε 模型
模型中的相关系数，主要根据一些特定条件下的试验结 果而确定的。
SKE 是工业应用中最广泛使用的模型 – 模型参数通过试验数据校验过，如管流、平板流等 – 对大多数应用有很好的稳定性和合理的精度 – 包括适用于压缩性、浮力、燃烧等子模型
– 对有大的压力梯度、强分离流、强旋流和大曲率流动，模拟精 度不够。
– 难以准备模拟出射流的传播 – 对有大的应变区域（如近分离点），模拟的k 偏大
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RKE/RNG模型
Realizable k–ε (RKE) 模型
– 耗散率 (ε) 方程由旋涡脉动的均方差导出，这是和SKE的根本 不同
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湍流模型选用原则
既要考虑模型的准确度，也要考虑计算工作量、收敛性 等性能。
根据计算目标来选用湍流模型，仔细查阅各模型适用条 件和精度，并根据经验、实验数据等进行选用。
模型越高级，理论上准确度越高，但是计算代价越大， 同时收敛性能可能会变差。
常用策略：首先用较简单的湍流模型（如SKE）获取初 场，然后切换至更高级模型以获取最终解。
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3
Fluent软件构成
FLUENT应该包括以下几个部分： FLUENT解法器 GAMBIT，网格生成 ICEM，网格生成 prePDF，用于模拟PDF燃烧过程
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7
Fluent软件构成
GAMBIT 设置几何形状 生成2D或3D网格
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2.2 Fluent介绍及数值模型
张光学 博士、副教授
Tel: 135-7546-4222 zhangguangxue@
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Fluent介绍
FLUENT软件是目前市场上最流行的CFD软件，它在美国 的市场占有率达到60%，在中国也是得到最广泛使用的 CFD软件。
为气动领域设计的，包括封闭腔内流动 – 可以很好计算有反向压力梯度的边界层流动 – 在旋转机械方面应用很广
局限性 – 不可用于所有类型的复杂工程流动 – 不能预测各向同性湍流的耗散
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标准 k–ε 模型
选择 ε 作为第二个模型方程， ε 方程是基于现象提出而非推导得 到的
0.70
0.63
0.56
Standard k–ε
0.49
RNG k–ε
0.42
0.35
0.28
0.21
Realizable k–ε
0.14
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Reynolds Stress
0.07
0.00
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湍流模型总结
模型
S-A 模型
k-ε 模型
标准 重整化 可实现
标准 k-ω 模型
SST k-ω 模型
RSM 模型 LES 模型
特点及适用范围 大网格低成本湍流模型，适用于模拟中等复杂的内流和外 流以及压力梯度下的边界层流动 优缺点明确，适用于初始迭代、设计选型和参数研究 适用于涉及快速应变、中等涡和局部转捩的复杂剪切流动 计算精度高于重整化 k-ε 模型 在模拟近壁面边界层、自由剪切和低雷诺数流动时性能更 好。可以用于模拟转捩和逆压梯度下的边界层分离(空气动 力学中的外流模拟和旋转机械) 与标准 k-ω 模型性能类似，对壁面距离的依赖使得它不适 合于模拟自由剪切流动。 基于雷诺平均的湍流模型，避免各向同性涡粘性假设，需 要较多的 CPU 时间和内存消耗，适用于模拟强漩涡流等复 杂三维流动 适用于模拟瞬态的大尺度涡
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湍流模型
瞬时场拆分为平均量和脉动量之和，如 时间平均定义为
对NS方程进行平均，得到雷诺平均的NS方程 (RANS) :
Reynolds stress tensor, Rij
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12
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湍流模型
此时，控制方程组未知数增多，方程组不封闭。要使方 程组封闭，必须做出某些假定，即建立应力的表达式 （或者引入新的湍流方程），通过这此表达式把湍流的 脉动值与时均值等联系起来。
几何形状或 网格
其它软件包， 如CAD，CAE等
2D或3D网格
prePDF PDF查表
PDF程序
FLUENT
网格输入及调整 物理模型 边界条件 流体物性确定 计算 结果后处理
边
界
网
体边
格
网界
格和
（
或
）
第三方网格软件
网格 2D三角网格
3D四面体网格
2D和3D混合网格
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2006年 被ANSYS收购
– 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年底发布14.0版本
– 最新：14.5版本
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Fluent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；
Fluent文件类型
FLUENT软件文件类型： .jou文件：日志文档，可以编辑运行。 .dbs文件：Gambit工作文件，若想修改网格， 可以
打开进行再编辑, 可以打开进行再编辑。 .msh文件：Gambit输出的网格文件，不可编辑。 .cas文件：Fluent算例文件，包括网格及各项设置。 .dat文件： FLUENT计算数据结果的数据文件。 .pdf文件：prePDF生成文件，仅用于燃烧反应。
FLUENT是世界领先的CFD软件，在流体建模中广泛的被 应用。由于它一直以来以用户界面友好而著称，所以对初 学者来说非常容易上手，提高生产速度。它基于非结构化 及有限容量的解算器的独立性能在并行处理中的表现堪称 完美。
Fluent的软件设计基于CFD软件群的思想，针对各种复杂 流动的物理现象，FLUENT软件采用不同的离散格式和数 值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度 等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂 流动计算问题。
– 在FLUENT中RSM是最精细制作的模型,在二维流动中加入了 四个方程，而在三维流动中加入了七个方程。
– 要考虑雷诺压力的各向异性时，必须用RSM模型。例如飓风 流动、燃烧室高速旋转流、管道中二次流。
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湍流模型对比
Contours of Turbulent Kinetic Energy (m2/s2)
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湍流模型
一方程模型
Spalart-Allmaras 二方程模型
Standard k–ε
RNG k–ε
RANS based models
Realizable k–ε Standard k–ω
SST k–ω
4-Equation v2f
Reynolds Stress Model
– 对雷诺应力项施加了几个可实现的条件
– 优势: 精确预测平板和圆柱射流的传播
对包括旋转、有大反压力梯度的边界层、分离、回流等现象有更 好的预测结果
RNG k–ε (RNG) 模型:
– k–ε方程中的常数是通过重正规化群理论分析得到，而不是通 过试验得到的，修正了耗散率方程
– 在一些复杂的剪切流、有大应变率、旋涡、分离等流动问题比 SKE 表现更好
时空域的瞬间脉动是随机的（不可预测的），但湍流脉 动的统计平均可量化为输运机理
所有的湍流中都存在大范围的长度尺度（涡尺度） 对初场敏感 “随机”和“脉动”是湍流流场的重要的物理特征。 判断是否湍流的参数：雷诺数（Reynolds number） 工程问题绝大多数属于湍流流动。
壁面函数法：在壁面区不进行求解，直接使用半经验公式将壁面 上的物理量与湍流核心区内求解变量联系起来。是常用的方法。
记住: 目前没有一个适用于所有流动的高级模型。
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壁面函数
无论是标准k-ε模型、RNG k-ε模型，还是Realizable k-ε 模型,都是针对充分发展的湍流才有效的，也就是说， 这些模型均是高Re数的湍流模型。它们只能用于求解 处于湍流核心区的流动。
在流动区域内部，湍流充分发展，可使用湍流模型。但 是在近壁区，湍流发展不充分，可能再现层流，因此无 法用湍流模型描述。
在近壁面处，湍流边界层很薄，因此求解变量的梯度很 大，但精确计算边界层对仿真来说非常重要。
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壁面函数
如何处理近壁面区域流动？
直接求解：使用很密的网格来解析边界层，越靠近壁面，网格越 细。对工程应用来说，代价很大。
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Fluent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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Fluent发展历程
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）
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5
CFD软件构成
前处理
– 构建物理几何体 – 生成网格 – 指定边界类型
求解器
– 选择计算采用的模型（湍流、燃烧、换热、辐射和多相流等） – 设置边界条件(进口压力和温度、出口速度) – 设置求解器(是否耦合？稳态？精度？) – 通过迭代得到数值解。
后处理
– 查看计算结果(速度、压力和温度分布等)
基于某些假定所得出的湍流控制方程，称为湍流模型。 目的是为了求解湍流流动问题。
并不直接求解包含随机运动的瞬间值，而是求解其时间 平均值。
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瞬时速度分布
时间平均的速度分布
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横风中的射流 • 左图是抓拍的瞬态羽流图，右图是延时的光滑掉细节（涡）的平均图。
最重要的是cas和dat文件。
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Fluent中的数值模型
湍流模型（如何考虑粘性项） 多相流/离散相模型（如何考虑颗粒或多相流动） 化学反应/燃烧模型 …
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湍流模型
湍流本质是非稳态的、三维的、非周期的漩涡运动（脉 动）的，湍流会加强混合、传热和剪切
Spalart-Allmaras (S-A) 模型
SA模型求解修正涡粘系数的一个输运方程，计算量小 – 修正后，涡粘系数在近壁面处容易求解
主要应用于气动/旋转机械等流动分离很小的领域，如绕过机翼的 超音速/跨音速流动，边界层流动等
是一个相对新的一方程模型，不需求解和局部剪切层厚度相关的 长度尺度
k–kl–ω Transition Model
SST Transition Model
Detached Eddy Simulation
FLUENT应用培训—张光学 Large Eddy Simulation
Increase in Computational
Cost Per Iteration
16
8
2013/11/17
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20
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k-ω及RSM模型
标准 k-ω模型
– 基于Wilcox k-ω模型，它是为考虑低雷诺数、可压缩性和剪 切流传播而修改的。
– Wilcox k-ω模型预测了自由剪切流传播速率，像尾流、混合 流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射。
雷诺压力模型（RSM）
耗散率和 k 以及湍流长度尺度相关:
结合 k 方程, 涡粘系数可以表示为:
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标准 k–ε 模型
模型中的相关系数，主要根据一些特定条件下的试验结 果而确定的。
SKE 是工业应用中最广泛使用的模型 – 模型参数通过试验数据校验过，如管流、平板流等 – 对大多数应用有很好的稳定性和合理的精度 – 包括适用于压缩性、浮力、燃烧等子模型