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1、3.1 计算流体力学基础与 FLUENT 软件介绍3.1.1 计算流体力学基础计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称 CFD)是利用数值方法通过计算机求解描述流体运动的数学方程，揭示流体运动的物理规律，研究定常流体运动的空间物理特性和非定常流体运动的时空物理特征的学科ss。其基本思想可以归纳为:把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关十这些离散点上场变量之间的关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值f=l计算流体力学可以看作是在流动基本方程(质量守恒方
2、程、动量守恒方程、能量守恒方程) 控制下对流动的数值仿真。通过这种数值仿真，可以得到流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度和浓度等) 的分布以及这些物理量随时间的变化规律。还可计算出相关的其它物理量，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。此外，与 CAD 联合还可进行结构优化设计等。过去，流体力学的研究主要有实验研究和理论分析两种方法。实验研究主要以实验为研究手段，得到的结果真实可信，是理论分析和数值计算的基础，其重要性不容低估。然fu 实验往往受到模型尺寸、流场扰动和测量精度等的限制，有时可能难以通过实验的方法得到理想的结果。此外，实验往往经费投入较大、人力和物力耗费较大及周期
3、较长;理论分析方法通常是利用简化的流动模型假设，给出所研究问题的解析解或简化方程。然fu 随着时代的发展，这些方法已不能很好地满足复杂非线性流体运动规律的研究。理论分析方法的优点是所得结果具有普遍适用性，各种影响因素清晰可见，是指导试验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。fU 对十非线性情况，只有少数流动才能得到解析结果。计算流体力学方法很好地克服了前面两种方法的弱点，与传统的理论分析方法、实验研究方法一同组成了研究流体流动问题的完整体系。计算流体力学的发展，先后经历2 FLUENT 软件介绍FLUENT 软件是由美国 FLUEN
4、T 公司开发的著名的 CFD 计算分析软件，在航空、航天、透平机械、汽车、船舶、机械、化工、石化、计算机、半导体、能源、医学等领域得到了广泛的应用。能够解决流动、传热、化学反应、燃烧、多相流、旋涡流动等问题。FLUENT 软件研究的流动模型包括了定常和非定常流动，层流( 包括各种非牛顿流模型)，紊流(包括最先进的紊流模型)，不可压缩和可压缩流动，传热和化学反应等。FLUENT 软件设计基于“CFD 计算机软件群的概念” ，针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。不同领域的计算软件组合起来，成为 CFD 软件群，从而高效率地解决各个领域的复
5、杂流动的计算问题，在各软件之间可以方便地进行数值交换，采用统一的前后处理工具，省去了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力用十物理问题本身的探索上。流体有限体积法(Finite Volume Method，简称 FVM)是目前计算流体动力学领域内应用最普遍的一种对偏微分方程组的离散方法。FLUENT 软件就是采用 C 语言编写的基于非结构化网格和有限体积法的通用 CFD 求解器，它推出了多种优化的物理模型，如定常和非定常流动;层流(包括各种非牛顿流模型);紊流(包括最先进的紊流模型);不可压缩和可压缩流动; 传热;化学反应等。对每一种物理问题的流动特
6、点，有适合它的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。在 FLUENT 5.0 之后的版本中，都采用 GAMBIT 的专用前处理软件。GAMBIT 软件是面向 CFD 的专业前处理器软件，它包含全面的几何建模能力，也可以从主流的 CAD/CAE 软件导入几何体和网格，GAMBIT 强大的布尔运算能力为建立复杂的几何模型提供的极大的方便。GAMBIT 功能强大的网格划分工具，可以划分出包含边界层等 CFD 特殊要求的高质量的网格。GAMBIT 中专有的网格划分算法可以保证在较为复杂的几何区域直接划分出高质量的六面体网格。GAMBIT 中的 TGR
7、ID 方法可以在极其复杂的几何区域中划分出与相邻区域网格连续的完全非结构化的网格，GAMBIT 网格划分方法的选择完全是智能化的，在选择一个几何区域后GAMBIT 会自动选择最合适的网格划分算法，使网格划分过程变得极为容易。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，因而 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、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。FLUENT
8、软件具有以下特点： FLUENT 软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法； 定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常模拟功能； FLUENT 软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其局部网格重生式是 FLUENT 所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题； 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、
9、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； FLUENT 软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，是商用软件中最多的； FLUENT 软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras 模型、k- 模型组、 k- 模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和 V2F 模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型； 适用于牛顿流体、非牛顿流体； 含有强制/自然
10、/混合对流的热传导，固体/流体的热传导、辐射； 化学组份的混合/反应； 自由表面流模型，欧拉多相流模型，混合多相流模型，颗粒相模型，空穴两相流模型，湿蒸汽模型； 融化溶化/凝固；蒸发/冷凝相变模型； 离散相的拉格朗日跟踪计算； 非均质渗透性、惯性阻抗、固体热传导，多孔介质模型（考虑多孔介质压力突变） ； 风扇，散热器，以热交换器为对象的集中参数模型； 惯性或非惯性坐标系，复数基准坐标系及滑移网格； 动静翼相互作用模型化后的接续界面； 基于精细流场解算的预测流体噪声的声学模型； 质量、动量、热、化学组份的体积源项； 丰富的物性参数的数据库； 磁流体模块主要模拟电磁场和导电流体之间的相互作用问题；
11、 连续纤维模块主要模拟纤维和气体流动之间的动量、质量以及热的交换问题； 高效率的并行计算功能，提供多种自动/手动分区算法；内置 MPI 并行机制大幅度提高并行效率。另外，FLUENT 特有动态负载平衡功能，确保全局高效并行计算； FLUENT 软件提供了友好的用户界面，并为用户提供了二次开发接口（UDF） ； FLUENT 软件采用 C/C+语言编写，从而大大提高了对计算机内存的利用率。1. Fh lent 软件的结构组成()1 前 处 理 器 :9幽bit科u en t软 件包的前处理器是galllbit，galnbit具有前处理器建模及网格划分的功能，是进行数值模拟计算前处理器的首选。但是
12、，gambit适合于简单模型的建立，对于复杂模型，可以采用Prug等软件进行建模，复杂模型建模完成后，可以导入ganlbit软件再进行网1各划分。网格划分完成后保存dbs文件和愉出msh文件。前处 理 阶 段需耍用户进行如下操作:定义 计 算 域、绘制简化物理模型对计 算 域 进行网格划分定义 域 边 界单元的边界条件定义 流 体 的属性参数(2 )求 解 器 : nuentFLUENT 简介 fluent 是用于计算流体流动和传热问题的程序。它提供的非结构网格生成程序，对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格；三维的四面体 和六面体及混合网格。flue
13、nt 很能够根据计算的结果调整网格，这种网格自适应能力对于精确求解 有较大梯度的流场有很实际的作用。由于网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整个流场，因此可以节约计算时间。 一、程序的结构fluent 程序软件包由以下几个部分组成：（1）GAMBIT用于建立几何结构和网格的生成。（2）FLUENT用于进行流体模拟计算的求解器。（3）prePDF用于模拟 PDF 燃烧过程。（4）TGrid用于从现有的边界网格生成体网格。（5）Filter（Translator ）转换其他程序生成的网格，用于 FLUENT 计算。利用 FLUENT 软件进行流体的流动和传热计算的模拟计算的流程一般
14、是，首先利用 GAMBIT 进行流动区 域几何形状的构建、定义边界类型和生成网格，然后将 GAMBIT 中的网格文件输出用于 FLUENT 求解器计算的格式，在 FLUENT 中读取所输出的文件并设置条件对流动区域进行求解计算，最后对计算的结果进行后处理。二、FLUENT 程序可以求解的问题FLUENT 可以求解计算二维和三维问题，在计算过程中，网格可以自适应调整。 fluent 软件的应用范围非常广泛，主要范围如下：(1)用非结构自适应网格模拟 2D 或者 3D 流场，它所使用的非结构网格主要有三角形/五边形、四边形/ 五边形，或者混合网格，其中混合网格有棱柱形和金字塔形。 （一致网格和悬挂
15、节点网格都可以）(2)不可压或可压流动(3)定常状态或者过渡分析(4)无粘，层流和湍流 (5)牛顿流或者非牛顿流(6)对流热传导，包括自然对流和强迫对流(7)耦合热传导和对流(8)辐射热传导模型 (9)惯性（静止）坐标系非惯性（旋转）坐标系模型(10)多重运动参考框架，包括滑动网格界面和 rotor/stator interaction modeling 的混合界面(11)化学组分混合和反应，包括燃烧子模型和表面沉积反应模型(12)热，质量，动量，湍流和化学组分的控制体源(13)粒子，液滴和气泡的离散相的拉格朗日轨迹的计算，包括了和连续相的耦合(14)多孔流动(15)一维风扇/ 热交换模型(1
16、6)两相流，包括气穴现象(17)复杂外形的自由表面流动三、FLUENT 程序求解问题的步骤利用 FLUENT 求解问题的步骤如下：(1) 确定几何形状生成计算网格（用 GAMBIT，也可以读取其他指定程序生成的网格） 。(2)输入并检查网格。(3)选择求解器（2D 或 3D） (4)选择求解的方程（层流或是湍流、化学组分或化学反应、传热模型等） ，确定其他需要的模型(5)确定流体的材料的物性(6)确定边界的类型及其边界条件（前者在 GAMBIT 中确定，但在 FLUENT 中可以修改，后者在 FLUENT中实现）(7)条件计算的控制参数(8)流场的初始化(9)求解计算(10)判断收敛(11)保存结果并进行后处理四、关于 FLUENT 求解器的说明在打开后会出现如下对话框，对话框中各个项代表的意义是表示求解器的精度。(1)FLUNT2D表示二维单精度求解器; (2)FLUENT3D表示三维单精度求解器；(3)FLUENT2ddp表示二维双精度求
