Fluent_入門基礎培訓

1、Fluent 基礎主要內(nèi)容n 發(fā)展歷史n 基本功能n 軟件結(jié)構(gòu)及常用文件類型n 安裝方法（基于6.3版本）n 基本概念n 求解器的選擇n 離散格式n 初始化n 邊界條件的設定n 可用的參考資料發(fā)展歷史n 1975年 謝菲爾德大學（UK）開發(fā)了Tempestn 1983年 美國的流體技術(shù)服務公司creature推出fluent n 1988年 Fluent Inc.成立 n 1995年 收購最大對手FDI公司（ FIDAP ） n 1997年 收購Polyflow公司（粘彈性和聚合物流動模擬） n 2006年 被ANSYS收購 在被ANSYS收購后為6.3版本 2009年6月發(fā)布12.0版本 2

2、010年底發(fā)布13.0版本 2011年底發(fā)布14.0版本基本功能（1）n 可壓縮與不可壓縮流動問題；n 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動問題；n 無粘流、層流及湍流問題；n 牛頓流體及非牛頓流體；n 對流換熱問題（包括自然對流和混合對流）；n 導熱與對流換熱耦合問題；n 輻射換熱；n 慣性坐標系和非慣性坐標系下的流動問題模擬；基本功能（2）n 多運動坐標系下的流動問題；n 化學組分混合與反應；n 可以處理熱量、質(zhì)量、動量和化學組分的源項；n 用Lagrangian 軌道模型模擬稀疏相（顆粒，水滴，氣泡等）；n 多孔介質(zhì)流動；n 一維風扇、熱交換器性能計算；n 兩相流問題；n 復雜表面形狀下的自由面流動。軟件結(jié)構(gòu)

3、及常用文件類型（1）n FLUENT包應該包括以下幾個部分：n FLUENT解法器n prePDF，用于模擬PDF燃燒過程n GAMBIT，網(wǎng)格生成n TGrid，額外的處理器，用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。1. Filters(Translators)，轉(zhuǎn)換其它程序生成的網(wǎng)格，用于FLUENT計算?？梢越涌诘某绦虬ǎ篈NSYS, I-DEAS, NASTRAN, PATRAN等。軟件結(jié)構(gòu)及常用文件類型（2）GAMBIT設置幾何形狀生成2D或3D網(wǎng)格其它軟件包，如CAD，CAE等FLUENT網(wǎng)格輸入及調(diào)整物理模型邊界條件流體物性確定計算結(jié)果后處理TGrid2D三角網(wǎng)格3D四面體網(wǎng)格2D和3

4、D混合網(wǎng)格prePDFPDF查表2D或3D網(wǎng)格幾何形狀或網(wǎng)格PDF程序網(wǎng)格邊界和（或）體網(wǎng)格邊界網(wǎng)格基本程序結(jié)構(gòu)示意圖軟件結(jié)構(gòu)及常用文件類型（3）n FLUENT軟件文件類型： .jou文件：日志文檔，可以編輯運行。 .dbs文件：Gambit工作文件，若想修改網(wǎng)格， 可以打開進行再編輯, 可以打開進行再編輯。 .msh文件：Gambit輸出的網(wǎng)格文件。 .cas文件：.msh文件經(jīng)過Fluent處理后得到的文件。 .dat文件： FLUENT計算數(shù)據(jù)結(jié)果的數(shù)據(jù)文件。安裝方法n Fluent最初只支持UNIX操作系統(tǒng)，面向高端用戶。隨著Windows的普及，F(xiàn)luent也開始支持Windows

5、系統(tǒng)。但其前處理軟件Gambit仍然需要在UNIX系統(tǒng)下運行。所以在安裝Gambit前，要安裝一個模擬UNIX系統(tǒng)的軟件Exceed。n 基于Fluent6.3的軟件安裝及破解方法：1. 安裝之前，時間調(diào)整到2005年；2. 先裝exceed（安裝文件在X:Exceed.v9.0ExceedSET UP），再裝gambit，最后裝fluent；3. 按照提示，復制相應的許可證license到fluent和gambit的目錄里；4. 設置初始環(huán)境；5. 設置完初始環(huán)境之后，把時間調(diào)整過來，重啟電腦！基本概念（1）n 理想與實際流體：根據(jù)是否考慮流體的粘性，可將流體分為理想流體和實際流體。n 可壓

6、縮流體與不可壓縮流體：根據(jù)流體壓縮性的大小，可將流體分為可壓縮流體與不可壓縮流體。密度隨壓強變化大且不可視為常數(shù)的為可壓縮流體，反之，稱為不可壓縮流體。 正常情況下，液體和低速氣體（50m/s）可視為不可壓縮流體。n 牛頓流體和非牛頓流體：根據(jù)流體是否滿足牛頓內(nèi)摩擦定律，可將流體分為牛頓流體和非牛頓流體。符合牛頓內(nèi)摩擦定律，也就是切應力與速度梯度成正比的流體為牛頓流體。 水、酒精等大多數(shù)純液體、輕質(zhì)油、低分子化合物溶液以及低速流動的氣體等均為牛頓流體； 非牛頓流體：油漆、稀潤滑脂、高分子溶液、乳化液、淀粉糊、石灰漿、牛奶、牙膏、血液、泥漿等?；靖拍睿?）n 層流和湍流：層流是流體運動規(guī)則，各

7、部分分層流動互不摻混，質(zhì)點的軌線是光滑的，而且流動穩(wěn)定。湍流的特征則完全相反，流體運動極不規(guī)則，各部分激烈摻混，質(zhì)點的軌線雜亂無章，而且流場極不穩(wěn)定。這兩種截然不同的運動形態(tài)在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。n 可用雷諾數(shù)進行判定。雷諾數(shù)是流體慣性力與黏性力比值的量度，它是一個無量綱量。 雷諾數(shù)較小時，黏滯力對流場的影響大于慣性力，流場中流速的擾動會因黏滯力而衰減，流體流動穩(wěn)定，為層流；反之，若雷諾數(shù)較大時，慣性力對流場的影響大于黏滯力，流體流動較不穩(wěn)定，流速的微小變化容易發(fā)展、增強，形成紊亂、不規(guī)則的紊流流場?；靖拍睿?）n 定常流動和非定常流動：以時間為標準，根據(jù)流體流動的物理量（如速度、壓力、

8、溫度等）是否隨時間變化，將流動分為定常與非定常兩大類。當流動的物理量不隨時間變化，為定常流動；反之稱為非定常流動。 許多流體機械在起動或關(guān)機時的流體流動一般是非定常流動，而正常運轉(zhuǎn)時可看作是定常流動?；靖拍睿?）n 亞音速流動與超音速流動：當氣流速度很大，或者流場壓力變化很大時，流體就受到了壓縮性的影響。n 馬赫數(shù)是流體速度與當?shù)匾羲僦戎担羲僭诓煌叨?、溫度等狀態(tài)下又有不同數(shù)值，因此無法將 Ma的數(shù)值換算為固定的 km/hr 或 mph 等單位。 Ma1時，為亞音速流動； Ma1，超音速流動?；靖拍睿?）n 熱傳導及擴散：當流體中存在溫度差時，溫度高的地方將向溫度低的地方傳送熱量，這

9、種現(xiàn)象稱為熱傳導。同樣地，當流體混合物中存在組元的濃度差時，濃度高的地方將向濃度低的地方輸送該組元的物質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為擴散。 理想流體忽略了粘性，即忽略了分子運動的動量輸運性質(zhì)，因此在理想流體中也不應考慮質(zhì)量和能量輸運性質(zhì)擴散和熱傳導，因為它們具有相同的微觀機制?；靖拍睿?）n 有旋流動和無旋流動：有旋流動是指流場中各處的旋度(流體微團的旋轉(zhuǎn)角速度)不等于零的流動，無旋流動是指流場中各處的旋度都為零的流動。n 流體運動是有旋流動還是無旋流動，取決于流體微團是否有旋轉(zhuǎn)運動，與流體微團的運動軌跡無關(guān)。流體流動中，如果考慮粘性，由于存在摩擦力，這時流動為有旋流動：如果粘性可以忽略，而流體本身又是無

10、旋流，這時流動為無旋流動。 例如，均勻氣流流過平板，在緊靠壁面的附面層內(nèi)，需要考慮粘性影響，因此，附面層內(nèi)為有旋流動，附面層外的流動，就性可以忽略，為無旋流動。求解器選擇（1）n FLUENT求解器： (1)FLUENT 2d二維單精度求解器；(2)FLUENT 3d三維單精度求解器：(3)FLUENT 2ddp二維雙精度求解器；(4)FLUENT 3ddp三維雙精度求解器。求解器選擇（2）nFLUENT中有兩種求解器 壓力基和密度基。n壓力基求解器以動量和壓力為基本變量通過連續(xù)性方程導出壓力和速度的耦合算法只采用隱式方式對控制方程進行線性化n壓力基求解器有兩種算法分離求解器 壓力修正和動量方

11、程順序求解。耦合求解器(PBCS)壓力和動量方程同時求解 用哪種壓力梯度來計算控制方程中的導數(shù)項。求解器選擇（3）n壓力基求解器通過連續(xù)性方程和動量方程導出壓力方程或壓力修正方程n壓力-速度耦合方程求解算法 Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations (SIMPLE) 默認算法，穩(wěn)健性好 SIMPLE-Consistent (SIMPLEC) 對簡單問題，收斂更快，如層流 Pressure-Implicit with Splitting of Operators (PISO) 對非穩(wěn)態(tài)流動或者高扭曲度網(wǎng)格有用 Coupled 壓力基耦合

12、求解器求解器選擇（4）n密度基耦合求解器以矢量方式求解連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和組分方程通過狀態(tài)方程得到壓力其他標量方程按照分離方式求解nDBCS 可以顯式或隱式方式求解隱式: 使用高斯賽德爾方法求解所有變量顯式: 用多步龍格庫塔顯式時間積分法。求解器選擇（5）求解器選擇（6）求解器選擇（7）n壓力基求解器應用范圍覆蓋從低壓不可壓縮流到高速壓縮流需要的內(nèi)存少求解過程靈活n壓力基耦合求解器 (PBCS) 適用于大多數(shù)單相流，比分離求解器性能更好不能用于多相流（歐拉）、周期質(zhì)量流和 NITA比分離求解器多用1.52倍內(nèi)存n密度基耦合求解器 (DBCS)適用于密度、能量、動量、組分間強耦合的現(xiàn)

13、象例如: 伴有燃燒的高速可壓縮流動，超高音速流動、激波干擾n隱式方法一般優(yōu)于顯式，因為其對時間步有嚴格的限制n顯式方法一般用于流動時間尺度和聲學時間尺度相當?shù)那闆r（如高馬赫激波的傳播）離散格式（1）n 在對指定問題進行CFD計算之前，首先要將計算區(qū)域離散化，即對空間上連續(xù)的計算區(qū)域進行劃分，把它劃分成許多個子區(qū)域，并確定每個區(qū)域中的節(jié)點，從而生成網(wǎng)格。然后將控制方程在網(wǎng)格上離散，即將偏微分方程格式的控制方程轉(zhuǎn)化為各個節(jié)點上的代數(shù)方程組，然后求解離散方程組，得到各個節(jié)點上的解。n 節(jié)點之間的近似解，一般認為光滑變化，原則上可以應用插值方法確定，從而得到整個計算域上的近似解。n 這種插值方式被稱為

14、離散格式（discrezitation scheme）離散格式（2）離散格式（3）n對流項的插值方法有: First-Order Upwind 易收斂，一階精度 Power Law 對低雷諾數(shù)流動 ( Recell operating conditions邊界條件的設定（3）表壓表壓operating pressure壓力壓力水平水平operating pressure絕對壓力絕對壓力真空真空如果流動是亞聲速的，則會忽略如果流動是亞聲速的，則會忽略Supersonic/Initial Gauge Pressure，它是它是由指定的駐點值來計算的。由指定的駐點值來計算的。這里給出的表壓強的大小，

15、是入口邊界上的總壓這里給出的表壓強的大小，是入口邊界上的總壓。邊界條件的設定（4）n 質(zhì)量流量進口邊界條件(mass-flow-inlet)：給定入口邊界上的質(zhì)量流量。主要用于可壓縮流動問題，對于不可壓縮問題，由于密度是常數(shù)，可以使用速度入口條件。如果壓力邊界條件和質(zhì)量邊界條件都適合流動時，優(yōu)先選擇用壓力進口條件。n 壓力出口邊界條件(pressure-outlet)：需要給定出口靜壓（表壓）。而且，該壓力只用于亞音速計算。如果局部變成超音速，則根據(jù)前面來流條件外推出口邊界條件。需要特別指出的是，這里的壓力是相對于前面給定的工作壓力。 如果有回流出現(xiàn)，給的表壓將視為總壓，所以不必給出回流壓力。

16、回流流動方向與出口邊界垂直。邊界條件的設定（5）邊界條件的設定（6）n 壓力遠場邊界條件(pressure-far-field): 如果知道來流的靜壓和馬赫數(shù)，F(xiàn)luent提供了的壓力遠場邊界條件來模擬該類問題。 該邊界條件只適合用理想氣體定律計算密度的問題，而不能用于其它問題。為了滿足壓力遠場條件，需要把邊界放到我們關(guān)心區(qū)域足夠遠的地方。 給定邊界靜壓和溫度及馬赫數(shù)。可以是亞音速，跨音速或者超音速，并且需要給定流動方向，如果有需要還必須給定湍流量等參數(shù)。邊界條件的設定（7）邊界條件的設定（8）n 自由流出邊界條件(outflow): 不知道流出口的壓力或者速度，這時候可以選擇流出邊界條件。n 如下列情況，不能用流出邊界條件： 包含壓力進口條件 可壓速流動問題 有密度變化的非穩(wěn)定流動問題（即使