第一章第一章 开始开始 赵玉新（国防科技大学航天学院）赵玉新（国防科技大学航天学院） 注意：此文只用于流体力学的教学和科学研究，如若涉及到版权问题请于本人联系注意：此文只用于流体力学的教学和科学研究，如若涉及到版权问题请于本人联系 本章对 FLUENT 做了大致的介绍，其中包括：FLUENT 的计算能力，解决问题时的指 导，选择解的形式为了便于理解，我们在本章演示了一个简单的例子，该例子的网格文件 在安装光盘中已准备好 引言 FLUENT 是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序它提供了完 全的网格灵活性，你可以使用非结构网格，例如二维三角形或四边形网格、三维四面体/六 面体/金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动甚至可以用混合型非结构网格它允许你 根据解的具体情况对网格进行修改（细化/粗化） 对于大梯度区域，如自由剪切层和边界层，为了非常准确的预测流动，解适应网格是非 常有用的与结构网格和块结构网格相比，这一特点很明显地减少了产生“好”网格所需要 的时间对于给定精度，解适应精炼方法（solution-adaptive refinement）使网格精炼方法变 得很简单，并且减少了计算量。
其原因在于：网格精炼仅限于那些需要更多网格解的区域 FLUENT 是用 C 语言写的，因此具有很大的灵活性与能力因此，动态内存分配，高 效数据结构，灵活的解控制都是可能的除此之外，为了高效的执行，交互的控制，以及灵 活的适应各种机器与操作系统，FLUENT 使用 client/server 结构，因此它允许同时在用户桌 面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序 在 FLUENT 中，解的计算与显示可以通过交互界面，菜单界面来完成用户界面是通 过 Scheme 语言及 LISP dialect 写就的高级用户可以通过写菜单宏及菜单函数自定义及优 化界面详情请见 support engineer 程序结构 该 FLUENT 光盘包括：FLUENT 解算器；prePDF,模拟 PDF 燃烧的程序；GAMBIT, 几 何图形模拟以及网格生成的预处理程序；TGrid, 可以从已有边界网格中生成体网格的附加 前处理程序； filters (translators)从 CAD/CAE 软件如： ANSYS， I－DEAS， NASTRAN， PATRAN 等的文件中输入面网格或者体网格图一所示为以上各部分的组织结构。
注意：在 Fluent 使用手册中 “grid“ 和 “mesh“是具有相同所指的两个单词 图一：基本程序结构 我们可以用 GAMBIT 产生所需的几何结构以及网格（如想了解得更多可以参考 GAMBIT 的帮助文件，具体的帮助文件在本光盘中有，也可以在互联网上找到） ，也可以在 已知边界网格（由 GAMBIT 或者第三方 CAD/CAE 软件产生的）中用 Tgrid 产生三角网格， 四面体网格或者混合网格，详情请见 Tgrid 用户手册也可能用其他软件产生 FLUENT 所 需要得网格，比如 ANSYS(Swanson Analysis Systems, Inc.)、I-DEAS (SDRC)；或者 MSC/ARIES,MSC/PATRAN 以及 MSC/NASTRAN (都是 MacNeal-Schwendler 公司的软件) 与其他 CAD/CAE 软件的界面可能根据用户的需要酌情发展， 但是大多数 CAD/CAE 软件都 可以产生上述格式的网格 一旦网格被读入 FLUENT，剩下的任务就是使用解算器进行计算了其中包括，边界 条件的设定，流体物性的设定，解的执行，网格的优化，结果的查看与后处理。
PreBFC 和 GeoMesh 是 FLUENT 前处理器的名字， 在使用 GAMBIT 之前将会用到它们 对于那些还在使用这两个软件的人来说，在本手册中，你可以参考 preBFC 和 GeoMesh 的 详细介绍 本程序的能力 FLUENT 解算器有如下模拟能力： 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 悬挂节点网格都可以） 不可压或可压流动 定常状态或者过渡分析 无粘，层流和湍流 牛顿流或者非牛顿流 对流热传导，包括自然对流和强迫对流 耦合热传导和对流 辐射热传导模型 惯性（静止）坐标系非惯性（旋转）坐标系模型 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 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 热，质量，动量，湍流和化学组分的控制体源 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 多孔流动 一维风扇/热交换模型 两相流，包括气穴现象 复杂外形的自由表面流动 上述各功能使得 FLUENT 具有广泛的应用，主要有以下几个方面 Process and process equipment applications 油/气能量的产生和环境应用 航天和涡轮机械的应用 汽车工业的应用 热交换应用 电子/HVAC/应用 材料处理应用 建筑设计和火灾研究 总而言之，对于模拟复杂流场结构的不可压缩/可压缩流动来说，FLUENT 是很理想的 软件。
对于不同的流动领域和模型，FLUENT 公司还提供了其他几种解算器，其中包括 NEKTON,FIDAP、POLYFLOW、IcePak 以及 MixSim FLUENT 使用概述 FLUENT 采用非结构网格以缩短产生网格所需要的时间，简化了几何外形的模拟以及 网格产生过程，和传统的多块结构网格相比，它可以模拟具有更为复杂几何结构的流场，并 且可以使我们使网格适应流场的特点FLUENT 也能够使用 body-fitted, block-structured 网 格(比如：FLUENT 4 和许多其它的 CFD 结算器的网格)FLUENT 可以在 2D 流动中处理三 角形网格和四边形网格，在 3D 流动中可以处理四面体网格，六边形网格，金字塔网格以及 楔形网格（或者上述网格的混合） 这种灵活处理网格的特点使我们在选择网格类型时，可 以确定最适合特定应用的网格拓扑结构 在流场的大梯度区域， 我们可以适应各种类型的网格 但是你必须在解算器之外首先产 生初始网格， 初始网格可以使用 GAMBIT、 Tgrid 或者 one of the CAD systems for which mesh import filters exist。
计划你的 CFD 分析 当你决定使 FLUENT 解决某一问题时，首先要考虑如下几点问题： 定义模型目标：从 CFD 模型中需要得到什么样的结果？从模型中需要得到什么样的精度；选择计算模型：你 将如何隔绝所需要模拟的物理系统， 计算区域的起点和终点是什么？在模型的边界处使用什 么样的边界条件？二维问题还是三维问题？什么样的网格拓扑结构适合解决问题？物理模 型的选取： 无粘， 层流还湍流？定常还是非定常？可压流还是不可压流？是否需要应用其它 的物理模型？确定解的程序： 问题可否简化？是否使用缺省的解的格式与参数值？采用哪中 解格式可以加速收敛？使用多重网格计算机的内存是否够用？得到收敛解需要多久的时 间？在使用 CFD 分析之前详细考虑这些问题，对你的模拟来说是很有意义的当你计划一 个 CFD 工程时，请利用提供给 FLUENT 使用者的技术支持 解决问题的步骤 确定所解决问题的特征之后，你需要以下几个基本的步骤来解决问题： 1．创建网格. 2．运行合适的解算器：2D、3D、2DDP、3DDP 3．输入网格 4．检查网格 5．选择解的格式 6．选择需要解的基本方程：层流还是湍流（无粘） 、化学组分还是化学反应、热传导模型等 7．确定所需要的附加模型：风扇，热交换，多孔介质等。
8．.指定材料物理性质 8．指定边界条件 9．调节解的控制参数 10．初始化流场 11．计算解 12．检查结果 13．保存结果 14．必要的话，细化网格，改变数值和物理模型 第一步需要几何结构的模型以及网格生成 你可以使用 GAMBIT 或者一个分离的 CAD 系统产生几何结构模型及网格也可以用 Tgrid 从已有的面网格中产生体网格你也可以从 相关的 CAD 软件包生成体网格， 然后读入到 Tgrid 或者 FLUENT (详情参阅网格输入一章)至于创建几何图形生成网格的详细信息清查月相关软件使用手册 第二步，启动 FLUENT 解算器 后面将会介绍第三到十四步详细操作，下面的表告诉了我们哪一步需要什么软件 表一： FLUENT 菜单概述 解的步骤 菜单 读入网格 文件菜单 检查网格 网格菜单 选择解法器格式 定义菜单（Define Menu ） 选择基本方程 定义菜单 材料属性 定义菜单 边界条件 定义菜单 调整解的控制 解菜单（Solve Menu ） 初始化流场 解菜单 计算解 解菜单 结果的检查 显示菜单（Display Menu）&绘图菜单（Plot Menu）报告菜单（Report Menu ） 保存结果 文件菜单 网格适应 适应菜单 启动 FLUENT UNIX 和 Windows NT 启动 FLUENT 的方式是不同的， 详细参阅相关介绍。
不同的安装 过程也是为了使 FLUENT 能够正确启动而设定的 单精度和双精度解法器 在所有计算机操作系统上 FLUENT 都包含这两个解法器大多数情况下，单精度解法 器高效准确，但是对于某些问题使用双精度解法器更合适下面举几个例子： 如果几何图形长度尺度相差太多（比如细长管道） ，描述节点坐标时单精度网格计算就 不合适了；如果几何图形是由很多层小直径管道包围而成（比如：汽车的集管）平均压力不 大，但是局部区域压力却可能相当大（因为你只能设定一个全局参考压力位置） ，此时采用 双精度解算器来计算压差就很有必要了 对于包括很大热传导比率和（或）高比率网格的成对问题，如果使用单精度解算器便无 法有效实现边界信息的传递，从而导致收敛性和（或）精度下降 在 UNIX 系统启动 FLUENT 有如下几个启动方法： 在命令行启动适当的版本； 在命令行启动，但是不指定版本，然后在面板上选择适当的版本；在命令行启动， 但是不指定版本，然后读入 case 文件（或者 case 文件和数据文件）来启动适当的 版本 命令行启动适当版本：可以指定维度和精度：fluent 2d 运行二维单精度版本；相应的 fluent 3d；fluent 2ddp；fluent 3ddp 都分别运行相应的版本。
并行版本的启动请参阅相关的并 行版本启动方法在此不予介绍 在解算器的面板中指定版本 Figure 1:启动时的控制台窗口 在版本提示中健入 2d、3d、2ddp 或者 3ddp 启动相应版本 如果实在图形用户界面（GUI）中启动适当的版本，请选择 File/Run...菜单，然后将会 出现如下图所示的菜单，这样你就可以选择合适的版本了(你也可以在这个面板上启动远程 机器上的 FLUENT 或者并行版本，详细的内容请参阅相关主题 Figure 2: FLUENT 可以在选择结算器的面板上启动适当的版本 在面板上启动解算器一般遵循如下方法： 1. 开关 3D 选项指定 3D 还是 2D 解算器 2. 开关双精度选项启动双精度或者单精度解算器 3. 点击 Run 按钮 如果可执行程序不在你的搜索目录下，你可以在点击 Run 之前。