1、第一章 Fluent概述,1 Fluent的工程應(yīng)用背景 2 Fluent軟件包相關(guān)知識(shí) 3 Fluent軟件包的安裝及運(yùn)行 4 Fluent的簡(jiǎn)單實(shí)例,1 Fluent的工程應(yīng)用背景,Fluent是目前國(guó)際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國(guó)的市場(chǎng)占有率為60。 具有豐富的物理模型，先進(jìn)的數(shù)值方法及強(qiáng)大的后處理能力 只要涉及流體、熱傳導(dǎo)及化學(xué)反應(yīng)等的工程問(wèn)題，都可用Fluent進(jìn)行解算。,能夠解決的工程問(wèn)題,采用三角形、四邊形、四面體、六面體及其混合網(wǎng)格計(jì)算二維和三位流動(dòng)問(wèn)題。計(jì)算過(guò)程中，網(wǎng)格可以自適應(yīng)。 可壓縮與不可壓縮流動(dòng)問(wèn)題 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)問(wèn)題 無(wú)粘流，層流及湍流問(wèn)題 牛頓流體及非牛頓

2、流體 對(duì)流換熱問(wèn)題（包括自然對(duì)流和混合對(duì)流） 導(dǎo)熱與對(duì)流換熱耦合問(wèn)題 輻射換熱,能夠解決的工程問(wèn)題,慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的流動(dòng)問(wèn)題模擬 多運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下的流動(dòng)問(wèn)題 化學(xué)組分混合與反應(yīng) 可以處理熱量、質(zhì)量、動(dòng)量和化學(xué)組分的源項(xiàng) 用Lagrangian 軌道模型模擬稀疏相（顆粒，水滴，氣泡等） 多孔介質(zhì)流動(dòng) 一維風(fēng)扇、熱交換器性能計(jì)算 兩相流問(wèn)題 復(fù)雜表面形狀下的自由面流動(dòng),二維網(wǎng)格： 三維網(wǎng)格：,2 Fluent軟件包相關(guān)知識(shí),2.1 組成 2.2 各軟件間的協(xié)同關(guān)系 2.3 軟件功能介紹,2.1 組成,FLUENT解法器 prePDF，用于模擬PDF燃燒過(guò)程 GAMBIT，網(wǎng)格生成 TGr

3、id，額外的處理器，用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。 Filters(Translators)，轉(zhuǎn)換其它程序生成的網(wǎng)格，用于FLUENT計(jì)算?？梢越涌诘某绦虬ǎ篈NSYS, I-DEAS, NASTRAN,PATRAN等。,2.2 各軟件間的協(xié)同關(guān)系,2.3 軟件功能介紹,2.3 軟件功能介紹,GAMBIT 專用的CFD前置處理器(幾何/網(wǎng)格生成) Fluent4.5 基于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通用CFD求解器 Fluent6.0 基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通用CFD求解器 Fidap 基于有限元方法的通用CFD求解器 Polyflow針對(duì)粘彈性流動(dòng)的專用CFD求解器 Mixsim 針對(duì)攪拌混合問(wèn)題的專用CF

4、D軟件 Icepak 專用的熱控分析CFD軟件,3 Fluent軟件包的安裝及運(yùn)行,3.1 軟件的安裝步驟 step 1: 首先安裝exceed軟件，推薦是exceed6.2版本，再裝exceed3d,按提示步驟完成即可，提問(wèn)設(shè)定密碼等，可忽略或隨便填寫。 step 2: 點(diǎn)擊gambit文件夾的setup.exe，按步驟安裝； step 3: FLUENT和GAMBIT需要把相應(yīng)license.dat文件拷貝到FLUENT.INC/license目錄下； step 4：安裝完之后，把x:FLUENT.INCntbinntx86gambit.exe命令符拖到桌面（x為安裝的盤符）； step

5、5: 點(diǎn)擊fluent源文件夾的setup.exe，按步驟安裝； step 6: 從程序里找到fluent應(yīng)用程序，發(fā)到桌面上。,安裝可能出現(xiàn)的幾個(gè)問(wèn)題,1. 出錯(cuò)信息“unable find/open license.dat，第三步?jīng)]執(zhí)行； 2. gambit在使用過(guò)程中出現(xiàn)非正常退出時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生*.lok文件，下次使用不能打開該工作文件時(shí)，進(jìn)入x:FLUENT.INCntbinntx86，把*.lok文件刪除即可； 3. 安裝好FLUENT和GAMBIT最好設(shè)置一下用戶默認(rèn)路徑，推薦設(shè)置辦法，在非系統(tǒng)分區(qū)建一個(gè)目錄，如d:users a） win2k用戶在控制面板用戶和密碼高級(jí)高級(jí)，在使用

6、fluent用戶的配置文件修改本地路徑為d:users，重起到該用戶運(yùn)行命令提示符，檢查用戶路徑是否修改； b） xp用戶，把命令提示符發(fā)送到桌面快捷方式，右鍵單擊命令提示符快捷方式在快捷方式起始位置加入D:users,重起檢查。,幾種主要文件形式,jou文件-日志文檔，可以編輯運(yùn)行； dbs文件-gambit工作文件； msh文件-從gambit輸出得網(wǎng)格文件； cas文件-經(jīng)fluent定義后的文件； dat文件-經(jīng)fluent計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果文件。,3.2 軟件的運(yùn)行,FLUENT解法器的說(shuō)明 FLUENT 2D， 二維單精度解法器 FLUENT 3D，三位單精度解法器 FLUENT 2dd

7、p，二維雙精度解法器 FLUENT 3ddp，三維雙精度解法器,3.2 軟件的運(yùn)行,WINDOEWS NT下，點(diǎn)擊FLUENT6。 在MSDOS下，鍵入命令。 FLUENT 2D/3D/2ddp/3ddp。平行計(jì)算命令為：FLUENT 2D/3D/2ddp/3ddp -t x 。x 是處理器編號(hào)。如，我們用3號(hào)處理器計(jì)算三維雙精度問(wèn)題，命令為： FLUENT 3ddp t3 FLUENT命令的一般形式為： FLUENT version -help options,4 Fluent的簡(jiǎn)單實(shí)例,4.1 用FLUENT程序求解問(wèn)題的步驟 4.2 Fluent的簡(jiǎn)單實(shí)例,4.1 用FLUENT程序求解

8、問(wèn)題的步驟,確定幾何形狀，生成計(jì)算網(wǎng)格（用GAMBIT，也可以讀入其它指定程序生成的網(wǎng)格） 選擇2D或3D來(lái)模擬計(jì)算 輸入網(wǎng)格 檢查網(wǎng)格 選擇解法器 選擇求解的方程：層流或湍流（或無(wú)粘流），化學(xué)組分或化學(xué)反應(yīng)，傳熱模型等。確定其它需要的模型如：風(fēng)扇、熱交換器、多孔介質(zhì)等模型。,4.1 用FLUENT程序求解問(wèn)題的步驟,確定流體物性 指定邊界條件 條件計(jì)算控制參數(shù) 流場(chǎng)初始化 計(jì)算 檢查結(jié)果 保存結(jié)果，后處理等。,第一步 創(chuàng)建網(wǎng)格,需要幾何結(jié)構(gòu)的模型以及網(wǎng)格生成。你可以使用GAMBIT或者一個(gè)分離的CAD系統(tǒng)產(chǎn)生幾何結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格。也可以用Tgrid從已有的面網(wǎng)格中產(chǎn)生體網(wǎng)格。你也可以從相關(guān)的C

9、AD軟件包生成體網(wǎng)格，然后讀入到Tgrid或者FLUENT,第二步，啟動(dòng)FLUENT解算器,啟動(dòng)FLUENT UNIX和Windows NT啟動(dòng)FLUENT的方式是不同的，詳細(xì)參閱相關(guān)介紹。不同的安裝過(guò)程也是為了使FLUENT能夠正確啟動(dòng)而設(shè)定的。 單精度和雙精度解算器 在所有計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)上FLUENT都包含這兩個(gè)解算器。大多數(shù)情況下，單精度解算器高效準(zhǔn)確，但是對(duì)于某些問(wèn)題使用雙精度解算器更合適。,使用雙精度解算器的情況,幾何圖形長(zhǎng)度尺度相差太多（比如細(xì)長(zhǎng)管道） 很大熱傳導(dǎo)比率,第步,4.2 Fluent的簡(jiǎn)單實(shí)例,所要解決的問(wèn)題請(qǐng)看下圖。在該問(wèn)題中, 邊長(zhǎng)0.1米，內(nèi)部為常密度空氣，上部是

10、一個(gè)速度為0.1m/s向右運(yùn)動(dòng)的壁面，雷諾數(shù)大約為500，流動(dòng)是層流。,Figure 1: 驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)的流體流動(dòng),問(wèn)題分析,上述問(wèn)題是一個(gè)簡(jiǎn)單的二維問(wèn)題，流動(dòng)為層流，無(wú)熱傳導(dǎo)，不需考慮特殊的物理模型，除此之外，所有的問(wèn)題，如幾何圖形，網(wǎng)格，邊界位置和類型已經(jīng)在網(wǎng)格生成的時(shí)候定義了。你只需讀入網(wǎng)格文件就可以讀入全部信息了。,模擬步驟,本問(wèn)題模擬的步驟簡(jiǎn)化為：讀入并檢查網(wǎng)格，選擇默認(rèn)的分離解，定義物理模型，指定流體性質(zhì)，指定邊界條件，保存問(wèn)題的設(shè)置，初始化解域，計(jì)算解，保存結(jié)果，檢查結(jié)果。,用GAMBIT創(chuàng)建網(wǎng)格,然后Fluent讀入網(wǎng)格：點(diǎn)擊菜單File/Read/Case.彈出下面的對(duì)話框 在上

11、圖中選擇所需文件，雙擊便可讀入。本例中選擇了cavity.msh文件。FLUENT在讀網(wǎng)格的過(guò)程中會(huì)在控制臺(tái)窗口顯示進(jìn)程。,一般說(shuō)來(lái)，一個(gè)case文件包括網(wǎng)格，邊界條件和解的控制參數(shù)。網(wǎng)格文件是它的子集，本算例中的網(wǎng)格已經(jīng)保存為FLUENT的格式了，所以可以像讀入其它c(diǎn)ase文件一樣來(lái)讀入它。,檢查網(wǎng)格,讀入網(wǎng)格之后要檢查網(wǎng)格：菜單Grid/Check。在檢查過(guò)程中，你可以在控制臺(tái)窗口中看到區(qū)域范圍，體積統(tǒng)計(jì)以及連通性信息。 網(wǎng)格檢查是最容易出的問(wèn)題是網(wǎng)格體積為負(fù)數(shù)。如果最小體積是負(fù)數(shù)你就需要修復(fù)網(wǎng)格以減少解域的非物理離散。你可以在Adapt下拉菜單中選中Iso-Value.來(lái)確定問(wèn)題之所在,

12、顯示網(wǎng)格,顯示網(wǎng)格：菜單為Display/Grid.。 在網(wǎng)格顯示面板（下圖）點(diǎn)擊Display按鈕便會(huì)打開圖形顯示窗口并畫出網(wǎng)格，你將會(huì)看到下面第二個(gè)圖所示的內(nèi)容。,該圖可以用鼠標(biāo)控制放大或縮小，用鼠標(biāo)圈住的內(nèi)容松開鼠標(biāo)之后該內(nèi)容就會(huì)在窗口內(nèi)滿屏顯示。,選擇解算器的具體格式,對(duì)于本問(wèn)題，速度很小，可以假定為不可壓流，所以使用分離解算器很合適。分離解算器是FLUENT默認(rèn)的解算器，不需改變。 如果你要選擇一個(gè)耦合解算器，請(qǐng)參考在Define/Models菜單中的Solver面板。,定義物理模型,FLUENT中默認(rèn)物理模型是層流流動(dòng)，本例是層流，不需修改模型的設(shè)定。如果你需要修改物理模型，則需要

13、Define/Models子菜單中的粘性模型面板以及其它面板。,指定流體物理性質(zhì),選擇菜單：Define/Materials.得到如下對(duì)話框 如果不使用空氣，可以在材料數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇其它氣體，或者創(chuàng)建自己的材料數(shù)據(jù)。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，需要對(duì)空氣的性質(zhì)做一些修改：密度為1.0 kg/m3，粘性為2*10-5 kg/m-s，點(diǎn)擊Change/Create保存然后關(guān)閉面板。,指定邊界條件,設(shè)定邊界條件的數(shù)值與類型，使用菜單Define/Boundary Conditions.得到下圖,設(shè)定邊界條件，首先在區(qū)域列表中選擇，然后在類型列表中修改該區(qū)域的類型，確定完類型之后就可以點(diǎn)擊Set.按鈕(雙擊區(qū)域名字和

14、點(diǎn)擊Set.按鈕具有相同功能) 。,對(duì)于本問(wèn)題，移動(dòng)壁面的邊界條件需要改為x方向速度0.1 m/s。如果你不能確定哪一個(gè)是移動(dòng)壁面，你可以在圖形窗口的上壁面邊界點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵（該圖形窗口仍然顯示圖2所示的網(wǎng)格），區(qū)域信息便會(huì)在FLUENT控制臺(tái)窗口上顯示出來(lái)，而且wall-2會(huì)在邊界面板的區(qū)域列表中自動(dòng)被選上?，F(xiàn)在點(diǎn)擊Set.按鈕便可以彈出下面圖框,選擇momentum選單Moving Wall選項(xiàng)便可以得到下面圖框，從而設(shè)定壁面速度了。速度方向默認(rèn)為X向，所以只需設(shè)定速度大小為0.1(注意：鄰近的流體區(qū)域并沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，如果你模擬的是旋轉(zhuǎn)參考系，你不必?fù)?dān)心相對(duì)運(yùn)動(dòng)和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的設(shè)定，它們是等價(jià)的。,

15、輸入數(shù)值之后，點(diǎn)擊OK保存設(shè)定，關(guān)閉面板。 本問(wèn)題的其它邊界都是空腔的其它三個(gè)邊的壁面邊界條件(wall-5)。本例使用默認(rèn)邊界條件靜止邊界條件。到此為止，邊界條件設(shè)定完畢。,調(diào)整解的控制,在Solve/Controls子菜單中打開的面板里，你可以改變壓松弛因子、多網(wǎng)格參數(shù)以及其它流動(dòng)參數(shù)的默認(rèn)值。在使用解算器一章可以找到它們的詳細(xì)設(shè)定，一般說(shuō)來(lái)這些參數(shù)不需要修改。對(duì)于本問(wèn)題來(lái)說(shuō)默認(rèn)的設(shè)定已經(jīng)足夠,激活殘差圖,激活殘差圖（Residual Plotting）：點(diǎn)擊菜單Solve/Monitors/Residual.，在選項(xiàng)中，打開Plot選項(xiàng)激活殘差圖形，然后點(diǎn)擊OK，從而可以在計(jì)算過(guò)程中查看

16、殘差。,保存Case文件,有關(guān)問(wèn)題定義的輸入保存在case中，為了以后繼續(xù)分析，你必須保存該文件（計(jì)算結(jié)果會(huì)保存在另一個(gè)data文件中）。選擇File/Write/Case.菜單，彈出下面對(duì)話框，保存case文件。,解決問(wèn)題，流場(chǎng)初始化,迭代之前你需要初始化流場(chǎng)提供一個(gè)初始解。你可以從一個(gè)或多個(gè)邊界條件算出初始解，也可以分別輸入流場(chǎng)的數(shù)值，相應(yīng)菜單為Solve/Initialize/Initialize.，點(diǎn)擊得到Figure 1. 雖然流動(dòng)極為可能發(fā)展為強(qiáng)烈的循環(huán)流，所有的初值都為0也是可以的，因此你可以保持默認(rèn)值不變，初始化流動(dòng)，點(diǎn)擊Init按鈕，然后關(guān)閉面板,計(jì)算,現(xiàn)在可以迭代了，選擇S

17、olve/Iterate.菜單，打開下圖 在迭代按鈕處的對(duì)話框中輸入10，表示迭代100步。,迭代開始之后，你應(yīng)該察看圖形窗口中的殘差圖。迭代之后，你的圖形窗口應(yīng)該像下圖一樣。殘差由上向下逐漸減少，這是很好的標(biāo)志。對(duì)于不同的機(jī)器殘差只會(huì)有稍微的不同，所以你的圖形不一定和下圖完全相同。,檢查流場(chǎng),你可能也想檢查流場(chǎng)，看它怎么發(fā)展。打開Display/Velocity Vectors.菜單，彈出下面的速度矢量面板的圖框,此面板內(nèi)的默認(rèn)設(shè)定將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由速度大小標(biāo)記顏色的矢量圖，點(diǎn)擊Display按鈕得到下圖：,即使是10次迭代，旋轉(zhuǎn)的圖像已經(jīng)很清晰了?？磥?lái)該解的過(guò)程是可以接受的，我們可以增加迭代步

18、驟完成該解。迭代100步時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在大約在第60步，迭代解就已經(jīng)收斂到允許的誤差范圍了。在這個(gè)時(shí)候，殘差圖應(yīng)該像下圖一樣，需要注意的是，不同的機(jī)器所需的收斂步是不同的。,保存結(jié)果,前所述，case文件保存之后，問(wèn)題的定義和fluent計(jì)算結(jié)果分別保存在case文件和data文件中。必須保存這兩個(gè)文件以便以后重新啟動(dòng)分析。注意：FLUENT不會(huì)自動(dòng)保存這些文件，雖然在開始計(jì)算之前你已經(jīng)保存了case文件和data文件，但是最好再保存一下。 保存case文件和data文件，選擇File/Write/Case & Data. 菜單，彈出下面的對(duì)話框,在Case/Data 文件窗口輸入文件名，F(xiàn)LUENT會(huì)自動(dòng)添加相應(yīng)的擴(kuò)展名.cas和.dat在上圖中你輸入cavity作為文件名，F(xiàn)LUENT會(huì)自動(dòng)保存case文件為cavity.cas，data文件為cavity.d