FLUENT 15.0流场分析实战指南

FLUENT 15.0流场分析实战指南

朱红钧　编著

人民邮电出版社

北京

图书在版编目（CIP）数据

FLUENT 15.0流场分析实战指南/朱红钧编著.--北京：人民邮电出版社，2015.1

ISBN　978-7-115-37327-4

Ⅰ.①F…　Ⅱ.①朱…　Ⅲ.①流体力学—工程力学—计算机仿真—应用软件—指南　Ⅳ.①TB126-39

中国版本图书馆CIP数据核字（2014）第247657号

定价：69.00元（附光盘）

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内容提要

流动传热问题普遍存在于实际工程和生活中，涉及流体机械设计、航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、半导体设计等诸多工程领域。由于流动传热问题的非线性和复杂多维性，理论流体力学在近几十年来没有显著的突破。另外，有些流动问题开展实验研究的成本高、风险大，也制约了问题的深入探究。随着计算机技术的高速发展，计算流体力学迅速成为国际上一个强有力的研究领域，成为了进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术。作为计算流体力学通用商业软件的杰出代表，FLUENT已经更新至15.0版本。为了帮助读者迅速掌握计算流体力学的分析思路和熟悉FLUENT最新版本的功能，本书介绍FLUENT 15.0各个模型及使用方法，以及与FLUENT 15.0衔接的前后处理方法。全书以“功能讲解+实例演练+视频讲解”的方式，通过大量实例全面介绍FLUENT各功能模型的使用方法与步骤，同时尽可能地展现不同的前后处理工具与FLUENT 15.0的有机配合。

本书可作为海洋、土木、建筑、水利、石油、储运、机械、自动化、过程装备等领域研究人员、教师、研究生和高年级本/专科生的学习指南，也可作为FLUENT 15.0自学者学习几何建模与网格划分的教学参考书，还可作为高等院校教育、培训机构开展CFD数值仿真教育的培训指导书。

序

计算流体力学（CFD）是目前国际上一个强有力的研究领域，是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于管柱设计、流体机械设计、航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、半导体设计等诸多工程领域。计算流体力学在最近20年中得到飞速的发展，除了计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外，还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制，例如由于问题的复杂性，既无法作分析解，也因费用昂贵而无力进行实验确定，而CFD的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。经过一定考核的CFD软件可以拓宽实验研究的范围，减少成本昂贵的实验工作量。在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次数值实验，历史上也曾有过首先由CFD数值模拟发现新现象而后由实验予以证实的例子。CFD软件一般都能推出多种优化的物理模型，如定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应，等等。对每一种物理问题的流动特点，都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。CFD软件之间可以方便地进行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在计算机方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索。

FLUENT软件是通用的CFD软件包，可以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。

本书详细介绍了FLUENT 15.0的各个模型及实际操作设置方法，通过实例和视频演示了FLUENT开展流体分析的思路和流程。全书共分为13章，依次介绍了FLUENT 15.0概述、前后处理及各个模型，包括UDF的使用和多场耦合模拟。本书配套光盘中提供的算例文件及视频教学文件，能够帮助读者较快地学会并熟悉FLUENT的操作流程，用FLUENT的相关模型解决实际工程中的问题。

谨祝本书能够帮助你在FLUENT流体分析领域有深入的拓展！

教授/博导

海洋完井工程专家

2014年10月于成都

前言

FLUENT是国际上流行的通用CFD软件包，可以用于模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。它具有丰富的物理模型、先进的数值算法和强大的前后处理功能，自问世后便拥有了一批忠实的用户，且用户数在全球范围内不断扩大。随着FLUENT加入ANSYS软件群之后，其前处理、多场耦合、后处理模块都得到了长足的发展。FLUENT 15.0作为ANSYS 15.0的有机组成部分，为目前ANSYS公司发布的最新旗舰版本。

本书通过大量实例全面介绍FLUENT 15.0各功能模型的使用方法，同时尽可能地展现不同的前后处理工具与FLUENT 15.0的有机配合。读者可按照书中的步骤一步一步进行操作，在短时间内掌握软件的相应操作，进而完成流场数值仿真分析。

本书可作为海洋、土木、建筑、水利、石油、储运、机械、自动化、过程装备等领域的研究人员、教师、研究生和高年级本/专科生的学习指南，也可作为FLUENT 15.0自学者学习几何建模与网格划分的教学参考书，还可作为高等院校教育、培训机构开展CFD数值仿真教育的培训教材。

本书配套1张多媒体DVD光盘，使用时需要注意的事项如下。

●本书是基于FLUENT 15.0版本进行写作的，读者需要使用不低于上述版本的软件。

●光盘中的文件是只读文件，因此，需要将光盘上的源文件复制到计算机的硬盘上，并取消文件的“只读”属性，导入FLUENT软件后方能进行修改。

●START文件夹用于存放操作实例的起始文件，对应文中的；END文件夹用于存放操作实例的结果文件，对应文中的；AVI文件夹用于存放所有操作实例的操作录像，对应文中的，直接双击需要播放的文件即可观看。

●Ch*文件夹的*号代表某个数字，与本书的章对应。

●播放文件前要安装配套光盘根目录下的“tscc.exe”插件。

全书由西南石油大学朱红钧编著。另外，西南石油大学CNPC“石油管工程”重点实验室的研究生韩青华、马粤、赵洪南、巴彬、冯光、戚兴、邹大鹏、杨晓露、张文丽参与了部分模拟操作和文档整理工作，在此一并致以深深的谢意！同时也非常感谢SimWe仿真科技论坛、工程流体网论坛、流体论坛广大网友的帮助和支持。

限于编者水平，且时间仓促，书中难免有疏漏之处，望广大读者给予指正。读者可通过电子邮件swputicky@126.com与我们交流，不胜感谢！

朱红钧

2014年10月于成都

第1章　概述

FLUENT是国际上流行的通用CFD软件包，可以用于模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。它具有丰富的物理模型，先进的数值算法和强大的前、后处理功能，自问世后便拥有了一批忠实的用户，且用户数在全球范围内不断扩大。随着FLUENT加入ANSYS软件群之后，其前处理、多场耦合、后处理模块都得到了长足的发展。FLUENT 15.0作为ANSYS 15的有机组成部分，是目前ANSYS公司发布的最新旗舰版本。本章重点介绍CFD基础、FLUENT 15.0的界面与模型，通过一个基础实例帮助读者认识FLUENT 15.0并熟悉利用FLUENT求解问题的流程和方法。

本章内容

●CFD的基本方程。

●CFD的数值解法。

●CFD的求解流程。

●CFD的商业软件。

●FLUENT 15.0的特性。

●FLUENT 15.0的操作界面。

●FLUENT 15.0的计算模型。

●FLUENT 15.0的基本操作。

●FLUENT 15.0基础实例演示。

本章案例

●实例：Z形管流动模拟。

1.1　CFD基础

1.1.1　CFD的基本方程

CFD是计算流体力学的英文缩写，即利用数值解算方法求解流体力学的基本控制方程，包括连续性方程、动量方程和能量方程等。

一、流体力学的连续性方程

连续性方程即质量守恒方程，任何流动问题都必须满足质量守恒定律。按照质量守恒定律，单位时间内流出控制体的流体净质量总和应等于同时间间隔控制体内因密度变化而减少的质量，由此可导出流体流动连续性方程的微分形式为

式中，u_x、u_y、u_z分别为x、y、z三个方向的速度分量，m/s；t为时间，s；ρ为密度，kg/m³。

若用哈密顿微分算子表示，可以写成散度的形式

二、流体力学的动量方程

动量方程的本质是满足牛顿第二定律。该定律可描述为：对于一给定的流体微元体，其动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。依据这一定律，可导出x、y和z三个方向的动量方程为

式中，p为流体微元体上的压强，Pa；τ_xx、τ_yy、τ_zz等是因分子黏性作用而产生的作用在微元体表面上的黏性应力τ的分量，Pa；f_x、f_y、f_z为三个方向的单位质量力，m/s²。

动量方程在实际应用中有许多表达形式，其中比较常见的有如下几种。

（1）可压缩黏性流体的动量方程。

（2）常黏性流体的动量方程。

（3）常密度黏性流体的动量守恒方程。

（4）无黏性流体的动量守恒方程。

（5）静力学方程。

实际流体的连续性方程与动量方程组成的方程组就称为纳维-斯托克斯（N-S）方程。

三、流体力学的能量方程

能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律，其本质是热力学第一定律。依据能量守恒定律，微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流通量加上质量力与表面力对微元体所做的功，可得其表达式为

式中，E为流体微团的总能，J/kg，包含内能、动能和势能之和，；h为焓，J/kg；h_j为组分j的焓，J/kg，定义为，其中T_ref=298.15K；k_eff为有效热传导系数，W/(m·K)，，k_t为湍流热传导系数，根据所用的湍流模型来确定；J_j为组分j的扩散通量；S_h为包括了化学反应热及其他用户定义的体积热源项。

1.1.2　CFD的数值解法

有限体积法（FVM）又称有限容积法，是近年来发展迅速的一种离散化方法，其特点是计算效率高。有限体积法在CFD领域得到了广泛的应用，大多数商用CFD软件都采用了这种方法，如FLUENT、STAR-CD和CFX等。

有限体积法将所计算的区域划分成一系列控制体积，每个控制体积都有一个节点作代表，通过将控制方程对控制体积作积分来导出离散方程。在积分的过程中，需要对控制体积界面上的被求函数本身（对流通量）及其一阶导数（扩散通量）的构成做出假定，这就形成了不同的格式。由于扩散项多是采用相当于二阶精度的线性插值，因而格式的区别主要体现在对流通量项上。

用有限体积法导出的离散方程可以保证守恒特性，而且离散方程系数的物理意义明确，是目前流动与传热问题的数值计算中应用最普遍的一种方法。

由于流体控制方程较多，为研究方便，我们将控制方程写成通用变量方程的形式，即

式中的、Γ、的取值见表1-1。

表1-1　通用变量方程中的各参量取值

写成通用变量的形式，是为了下一步离散做准备的，这样只需离散一个通用变量方程即可。通用变量方程的意义为

采用有限体积法对方程进行离散，即将微分方程式（1-10）在控制容积内进行积分，则

利用奥式公式或高斯定律，式（1-12）化为

对于稳态问题，由于时间相关项等于零，式（1-13）变为

对于非稳态问题，还需在时间间隔内积分，则式（1-13）变为

下面以三维对流扩散问题为例，介绍一下有限体积法的离散过程。三维对流扩散问题的控制微分方程为

采用图1-1所示的离散网格系统，对方程式（1-16）在控制容积内积分，有

针对内部节点（P点）研究其控制方程的离散形式，W、E分别为P节点左右侧邻近节点（相当于西、东两侧）；N、S分别为P节点前后侧邻近节点（相当于北、南两侧）；T、B分别为P节点上下侧邻近节点，由图1-1可知，对于结构化网格，控制容积的边界面积，，，于是由奥式公式，方程（1-17）可写成

采用线性插值（中央差分），有

源项也用线性化处理，有

令，，，，，，，，，，，，代入式（1-19）后，代入式（1-18），可得

整理节点变量，有

这时，需要在系数中引入，则式（1-21）变为

设，，，，，，，，那么（1-22）式可化为

式（1-23）就是三维对流扩散问题的离散方程格式，适用于三维问题的计算区域所有内部节点的离散方程构造。

有限体积法除了采用上述中心差分格式离散外，还有多种离散格式，如统一的离散方程为

式（1-24）中，ap取值取决于问题的阶数，对于一阶问题，，对于二阶问题，，其中a_w、a_ww、a_E、a_EE取决于所使用的离散格式，如表1-2所示。

表1-2　不同离散格式下系数a_w、a_ww、a_E、a_EE的计算公式

对于任何一种离散格式，读者都希望其既具有稳定性，又具有较高的精度，同时又能适应于不同的流动形式，但是实际上这种理想的离散格式是不存在的。表1-3所示为常见离散格式的性能粗略对比，方便读者实际计算时选用。

表1-3　常见离散格式的性能对比

流场计算的基本过程是在空间上用有限体积法或其他类似方法将计算区域离散成许多小的体积单元，在每个体积单元上对离散后的控制方程组进行求解。上面已经建立了与控制方程相应的离散方程，即代数方程组。但是，除了已知速度场求温度场这类简单的问题之外，所生成的离散方程不能直接用来求解，还必须对离散方程进行某种调整，并且对各未知量（压力、速度、温度等）的求解顺序及方式进行特殊处理。流场数值计算是针对常规解法存在的主要问题进行改善而形成的一系列方法集，其本质是对离散后的控制方程进行求解，可分为分离式解法和耦合式解法两大类，如图1-2所示。

分离式解法不直接解联立方程组，而是顺序地、逐个地求解各变量代数方程组。

依据是否直接求解原始变量，分离式解法可分为非原始变量法和原始变量法。

涡量-速度法和涡量-流函数法是两种典型的非原始变量法。涡量-速度法不直接求解流场的原始变量p，而是求解旋度和速度u。涡量-流函数法不直接求解原始变量u和p，而是求解旋度和流函数。

常用的原始变量法有压力修正法、解压力泊松方程法和人为压缩法。解压力泊松方程法需要采用对方程取散度等方法将动量方程转变为泊松方程，然后求解泊松方程。人为压缩法主要是受可压气体可以通过联立求解速度分量和密度的方法来求解的启发，引入人为压缩性和人为状态方程，以此对不可压缩流体的连续性方程施加干扰。目前，工程上使用最广泛的流场计算方法是压力修正法，其实质是迭代法。压力修正法有很多实现方式，其中，压力耦合方程组的半隐式方法（SIMPLE算法）应用最为广泛，也是各商用CFD软件普遍采用的方法。

耦合式解法则同时求解离散化的控制方程组，联立求解各变量。耦合式解法可以分为所有变量全场联立求解（隐式解法）、部分变量全场联立求解（显隐式解法）、在局部地区（如一个单元上）对所有变量联立求解（显式解法）。总体而言，耦合式解法计算效率低、内存消耗大。

下面详细介绍几种数值计算常用的流场迭代求解方法。

一、SIMPLE算法

SIMPLE算法基于交错网格，所谓交错网格是指将速度分量和压力在不同的网格系统上离散，如压力、温度和密度等在正常的网格节点上存储和计算；而将速度的分量分别在错位后的网格上存储和计算，错位后网格的中心位于原控制体积的界面上。二维流动计算的交错网格如图1-3所示，有3套不同的网格系统。对于三维问题有4套网格系统，在此不再详述。

SIMPLE算法由Patankar和Spalding于1972年提出，是一种主要用于求解不可压缩流场的数值方法（也可用于求解可压流动）。它的核心是采用“猜测-修正”的过程，在交错网格的基础上来计算压力场，从而达到求解动量方程的目的。其基本思路可描述如下：对于给定的压力场（它可以是假定的值，或是上一次迭代计算所得到的结果），求解离散形式的动量方程，得出速度场；因为压力场是假定的或不精确的，由此得到的速度场一般不满足连续性方程，因此，必须对给定的压力场加以修正；修正的原则是，与修正后的压力场相应的速度场能满足这一迭代层次上的连续性方程。据此原则，我们把由动量方程的离散形式所规定的压力与速度的关系代入连续方程的离散格式，从而得到压力修正方程，由压力修正方程得出压力修正值；接着，根据修正后的压力场，求得新的速度场；然后检查速度场是否收敛；若不收敛，用修正后的压力值作给定的压力场，开始下一层次的计算；如此反复，直到获得收敛的解。

在上述求解过程中，如何获得压力修正值（即如何构造压力修正方程），以及如何根据压力修正值确定“正确”的速度（即如何构造速度修正方程），是SIMPLE算法的两个关键问题。

（1）速度修正方程。

针对直角坐标系下的二维层流稳态问题进行介绍，设有初始的猜测压力场p*，则动量方程的离散方程可借助该压力场得以求解，从而求出相应的速度分量和。

动量方程的离散方程为

式中，A为控制体积的界面面积，对于二维问题，即为△x或△y；b为动量方程的源项。

将猜测压力场代入得

定义修正的压力值p’为正确压力场p与猜测的压力场p*之差，有

同样，定义速度修正值、，有

将正确的压力场p代入动量离散方程，得到正确的速度场。将方程（1-25）减去（12-6），并假定源项b不变，有

引入压力修正值和速度修正值，则式（1-28）化为

由上式，可以通过压力修正值求出速度修正值。式中表明，任一点上速度的修正值由两部分组成，一部分是与该速度在同一方向上的相邻两节点间压力修正值之差，这是产生速度修正值的直接动力；另一部分是由邻点速度的修正值所引起的，这又可以视为四周压力的修正值对所讨论位置上速度改进的间接影响。

为简化式（1-29）的求解过程，可引入如下近似处理，即略去方程中与速度修正值相关的和，该近似是SIMPLE算法的重要特征，于是有

其中

将式（1-30）所示的速度修正值代入式（1-27），有

对于和，存在类似的表达式为

其中

式（1-32）与式（1-33）对比表明，如果已知压力修正值，便可对猜测的速度场作出相应的速度修正，从而得到正确的速度场。

（2）压力修正方程。

在速度修正方程的推导中，只考虑了动量方程，其实，如前所述，速度场还受到连续性方程的约束。这里针对二维稳态问题进行分析，其连续性方程为

对图1-4所示的标量控制体积，连续性方程满足如下离散形式

将正确的速度值代入式（1-36），有

该式可简记为

其中

式（1-38）为连续性方程的离散方程，也是压力修正值的离散方程。方程中的源项是由于不正确的速度场所导致的“连续性”不平衡量。通过求解方程（1-38），可得到空间所有位置的压力修正值。

式（1-39）中的密度是标量控制体积界面上的密度值，需要通过插值得到。无论采用何种插值方法，对于交界面所属的两个控制体积，必须采用同样的密度值。

为了求解式（1-38），还必须对压力修正值的边界条件进行说明。因为压力修正方程是动量方程和连续性方程的派生物，不是基本方程，所以其边界条件也与动量方程的边界条件有关。在一般的流场计算中，动量方程的边界条件有两种：一种是已知边界上的压力；另一种是已知沿边界法向的速度分量。若为第一种边界，已知边界压力，可以令，则压力修正值应为零；若为第二种边界，已知边界上的法向速度，在网格设计时令控制体积的界面与边界一致，这样，控制体积界面上的速度就为已知条件了。

（3）SIMPLE算法的计算流程如图1-5所示。

二、SIMPLEC算法

SIMPLEC是英文SIMPLE Consisent的缩写，意为协调一致的SIMPLE算法。它是SIMPLE的改进算法之一，由Van Doormal和Raithby提出。

在SIMPLE算法中，为求解的方便，略去了速度修正方程中的项，从而把速度的修正完全归结于压差项的直接作用。这一作法虽然并不影响收敛解的值，但加重了修正值的负担，使得整个速度场迭代收敛速度降低。实际上，当我们在略去时，犯了一个“不协调一致”的错误。为了能略去而同时又能使方程基本协调，试在方程（1-29）的等号两端同时减去，有

可以预期，与其邻点的修正值具有相同的数量级，因而略去所产生的影响远比在方程（1-29）中不计所产生的影响要小得多。于是有

其中

同理，有

其中

得出修正后的速度计算公式为

式（1-45）与式（1-32）形式上一致，但系数d的计算公式不一样，这里需要用式（142）和式（1-44）计算。

这就是SIMPLEC算法，它与SIMPLE算法的计算步骤相同，只是速度修正方程中的系数项d的计算公式有所区别。由于SIMPLEC算法没有忽略项，所以得到的压力修正值一般比较合适，因此可不对进行欠松弛处理。SIMPLEC算法的流程图如图1-6所示。

三、PISO算法

PISO算法是Pressure Implicit with Splitting of Operators的缩写，意为压力的隐式算子分割算法，由Issa于1986年提出，起初是针对非稳态可压流动的无迭代计算所建立的一种压力速度计算程序，后来在稳态问题的迭代计算中也较广泛地使用了该方法。

SIMPLE算法和SIMPLEC算法是两步算法，即一步预测和一步修正，而PISO算法增加了一个修正步，在完成了第一步修正后寻求第二次改进值，目的是使它们更好地同时满足动量方程和连续性方程。由于PISO算法使用了预测-修正-再修正三步，从而加快了单个迭代步的收敛速度，其三个步骤介绍如下。

（1）预测步。

利用猜测的压力场p^*，求解动量离散方程，得到速度分量、。

（2）第一修正步。

引入对SIMPLE算法的第一个修正步，给出一个速度场（，），使其满足连续性方程。此处的修正公式与SIMPLE算法中的式（1-30）完全一致，但考虑到PISO算法还有第二个修正步，因此使用不同的记法

这组公式用于定义修正后的速度和

将式（1-47）代入连续性方程（1-36），产生与式（1-38）具有相同系数与源项的压力修正方程。求解该方程，产生第一个压力修正值。一旦压力修正值已知，可通过方程（1-47）获得速度分量和。

（3）第二修正步。

为强化SIMPLE算法的计算，PISO算法要进行第二步修正。和的动量离散方程是

再次求解动量方程，得出两次修正的速度场

注意修正步中的求和项是用速度分量和来计算的。

将式（1-49）减去（1-48），得

其中

将（1-50）式代入连续性方程（1-36），得到二次压力修正方程

其中

求解方程（1-52），就可以得到二次压力修正值，从而得到二次修正的压力场

最后，求解方程（1-50），得到二次修正的速度场。

在瞬态问题的非迭代计算中，压力场与速度场（，）被认为是准确的。对于稳态流动的迭代计算，PISO算法的实施过程如图1-7所示。

PISO算法要两次求解压力修正方程，因此，它需要额外的存储空间来计算二次压力修正方程中的源项。尽管该方法涉及较多的计算，但对比发现，它的计算速度很快，总体效率比较高。FLUENT的用户手册推荐，对于瞬态问题，PISO算法有明显的优势；而对于稳态问题，可能选SIMPLE或SIMPLEC算法更合适。

SIMPLE算法是压力-速度耦合求解系列算法的基础。目前在各种CFD软件中均提供了这种算法。SIMPLE的各种改进算法主要是提高了计算的收敛性，从而缩短计算时间。

在SIMPLE算法中，压力修正值能够很好地满足速度修正的要求，但对压力修正不是很理想。SIMPLEC和PISO算法总体上计算量要高出SIMPLE算法30%左右，收敛速度较SIMPLE算法快30%～50%。但对于不同类型的问题而言，每种算法有各自的优势。一般而言，动量方程与标量方程如果不是耦合在一起的，用PISO算法能够较好地收敛，且体现出较高的计算效率；而在动量方程与标量方程耦合非常密切时，SIMPLEC算法的效果更好些。

1.1.3　CFD的求解流程

CFD的求解流程主要分为3个部分：前处理、解算过程以及后处理。每个部分包括一些具体的操作，如图1-8所示。

1.1.4　CFD商业软件

CFD技术的发展依托于计算机技术与数值计算方法的发展，在高性能计算机硬件平台的支撑下，CFD通用软件包得以出现并迅速商业化，对CFD技术在工程应用中的进一步推广起到了巨大的促进作用。

CFD软件于20世纪70年代诞生于美国，但近10年才真正得到较广泛的应用。为了完成CFD计算，早期需要用户自己编写计算程序，但由于CFD的复杂性及计算机软硬件的多样性，使得用户各自的应用程序往往缺乏通用性，而CFD本身又有其鲜明的系统性与规律性，因此，比较适合于制成通用的商用软件。自1981年以来，出现了如PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDAP、FLUENT等多个商用CFD软件，且随着计算机技术的快速发展，这些商用软件在工程界正发挥着越来越大的作用。

一、PHOENICS

这是世界上第一个投放市场的CFD商业软件，可以算是CFD商用软件的鼻祖。这一软件中所采用的一些基本算法，如SIMPLE方法、混合格式等，正是由该软件创始人D.B.Spalding及其合作者S.V.Patankar等提出的，对以后开发的商业软件有较大的影响。近年来，PHOENICS软件在功能上与方法上做了较大的改进，包括纳入拼片式多网格及细密网格嵌入技术，同位网格及非结构化网格技术；在湍流模型方面开发了通用的零方程、低Reynolds k-ε模型、RNG k-ε模型等。应用这一软件可计算大量的实际工作问题，包括城市污染预测、叶轮中的流动、管道流动等。

二、CFX

该软件采用有限体积法、拼片式块结构化网络，在非正交曲线坐标（适体坐标）系上进行离散，变量的布置采用同位网格方式。对流项的离散格式包括一阶迎风、混合格式、QUICK、CONDIF、MUSCI及高阶迎风格式。压力与速度的耦合关系采用SIMPLE系列算法（SIMPLEC），代数方程求解的方法中包括线迭代、代数多重网格、ICCG、STONE强隐方法及块隐式（BIM）。软件可计算不可压缩及可压缩流动、耦合传热、多相流、化学反应、气体燃烧等问题。

CFX属于ANSYS软件大家庭的一员，一直跟随ANSYS的版本号升级，至今也已经发展到CFX 15.0。

三、STAR-CD

STAR-CD软件名称是英文Simulation of Turbulent Flow in Arbitrary Region的缩写，连字符后的CD是开发商Computational Dynamics Ltd的缩写。这是基于有限容积法的一个通用软件。在网格生成方面，采用非结构化网格，单元的形态可以有六面体、四面体、三角形截面的棱柱体、金字塔形的锥体及六种形状的其他多面体。应用这一软件可以计算稳态与非稳态流动、牛顿流体及非牛顿流体的流动、多孔介质中的流动、亚音速及超音速流动，并且这一软件在汽车工业中的应用十分广泛。

四、FIDAP

FIDAP是英文Fluid Dynamics Analysis Package的缩写，美国Fluid Dynamics International Inc.于1983年推出，是世界上第一个使用有限元法（FEM）的CFD软件。可以接受如I-DEAS、PATRAN、ANSYS和ICEMCFD等著名生成网格的软件所产生的网格。该软件可以计算可压缩及不可压缩流、层流与湍流、单相与两相流、牛顿流体及非牛顿流体的流动问题。

五、FLUENT

FLUENT软件由美国FLUENT公司于1983年推出，是继PHOENICS软件之后第二个投放市场的基于有限体积法的软件。它包含结构化及非结构化网格两个版本。在结构化网格版本中有适体坐标的前处理软件，同时也可以纳入I-DEAS、PATRAN、ANSYS和ICEMCFD等著名软件生成的网格。速度与压力耦合采用同位网格上的SIMPLEC算法。对流项差分格式纳入了一阶迎风、中心差分及QUICK等格式。软件能计算可压缩及不可压缩流动、含有粒子的蒸发、燃烧过程、多组分介质的化学反应过程等问题。

2006年，FLUENT软件被ANSYS公司收购，作为ANSYS旗下的流体分析计算软件之一，FLUENT版本编号沿用ANSYS主软件版本编号，即FLUENT软件从FLUENT 6.3直接跨越为FLUENT 12，至今又经历了FLUENT 13、FLUENT 14、FLUENT 15.0三次版本升级。在ANSYS大家庭下，FLUENT的功能不断完善，且与ANSYS其他软件模块之间建立了数据交换的桥梁，如通过Workbench平台实现流固耦合模拟等。因此，FLUENT逐渐超越了其他流体分析软件，成为当下工程应用领域使用最为广泛的商用CFD软件。

1.2　FLUENT 15.0概述

FLUENT是当前从事流体分析的用户使用最为广泛的CFD软件，早在2006年，FLUENT 6.3就已经占据了商业CFD软件的大壁江山。FLUENT以用户界面友好而著称，所以对初学者来说非常容易上手。FLUENT从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象采用不同的离散格式和数值方法，在特定领域内使计算速度、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。

FLUENT的最新版本是FLUENT 15.0，它又有了一些新的功能创新，本章即介绍FLUENT 15.0的新特性以及它的操作界面、基本操作设置和模型，并通过一个基础实例帮助读者了解FLUENT仿真计算的流程。

1.2.1　FLUENT 15.0的特性

一、GPU支持流体求解器

工程师总是希望找到更加快速的解决方案，ANSYS通过各种技术来帮助他们找到更加理想的方案，FLUENT 15.0支持GPU计算，这一改进将速度提升了2.5倍。

二、更加快速准确的模拟液膜

通常需要高级的模型来对复杂的多相流过程进行仿真模拟，如果物理模型不能够顺利的发展，在仿真模拟阶段会受到很大的阻碍，计算结果也将不精确。因此，FLUENT 15.0在壁面液膜和蒸发冷凝领域的仿真模拟具有重大作用。

欧拉壁面液膜模型得到了扩展，可以兼容移动壁面、移动参考坐标系以及周期性边界条件。除此之外，冷凝与蒸发也可以使用欧拉模型与混合多相流模型进行仿真。

三、面向复杂物理场的快速求解器

在通常情况下，物理场越复杂，每次仿真所需的时间就越长，ANSYS旨在提供最快速的解决方案。通过流体体积（VOF）模型进行不相容流体仿真的速度提高幅度高达36%。

得益于自适应时间步长的支持，瞬态欧拉多相流仿真速度得以提升，动态燃烧机理精简可使仿真速度翻倍（与直接集成相比，大型机理可将仿真速度提升7倍。已经在使用原位自适应建表方法（In-Situ Adaptive Tabulation）的用户也会见证仿真速度的加快过程，但是实际加速会小些）。这对大型机理来说非常有利，尤其是取消了50种组分的限制之后，小火焰模型生成速度更快（某些情况下，增速达到50倍）。

在燃烧领域，有了扩散火焰面生成的流形模型，就能配合此前发布的预混合火焰面生成模型，从而仿真各种不同的燃烧应用。火焰面库的创建现已得到加速，举例来说，100种机制稳定的层流扩散火焰面库在20分钟之内就能计算完成，而不像前版一样需要24个小时。

反应器网格模型根据机械构成面紧密度进行单元集群，从而加速复杂3D燃烧的仿真。这种支持只需对每一批集群单元而不必对每个单元都进行复杂化学计算。

1.2.2　FLUENT 15.0的操作界面

一、FLUENT 15.0的打开

在Windows窗口中运行FLUENT的方法有如下3种。

（1）直接利用桌面快捷方式。双击FLUENT 15.0快捷启动图标，在弹出的Fluent Launcher窗口中选择计算问题的维度、启动后的显示方式、是否并行计算等，设置完成后，单击OK按钮，即启动了FLUENT 15.0，如图1-9所示。

（2）单击开始菜单中的“运行”，在运行对话框中输入“Fluent 15.0”，按回车键，弹出Fluent Launcher窗口，其余同上。

（3）单击开始菜单中的所有程序，选择ANSYS 15.0→Fluent Dynamics→FLUENT 15.0命令，即弹出Fluent Launcher窗口，其余同上。

FLUENT的操作界面有两种：图形用户界面（GUI）和文本用户界面（TUI），控制包括菜单按钮的图形界面和终端仿真程序。

二、FLUENT 15.0图形用户界面

FLUENT 15.0图形用户界面由面板、图形窗口、下拉菜单及对话框组成，如图1-10所示。刚启动FLUENT 15.0时，左侧显示控制树，右侧显示图形窗口。当用户单击左侧控制树的某项命令时，具体的列表会在中间的控制面板展开。当然也可以利用菜单命令，如选择Define命令即可弹出下拉菜单。当用户选择Results命令时，图形窗口会出现相应的结果图像。此外，许多命令在执行过程中还会弹出对话框。

FLUENT 15.0菜单栏包含了11个菜单，如图1-11所示，它们按运行的步骤顺序有层次地组织在一起。FLUENT菜单提供了用于操作的大部分命令，其下拉菜单的使用方法和Windows一样，直接单击即可弹出相应的面板或对话框，如单击Display下拉菜单中的Graphics and Animations命令，则会展开图1-12所示的Graphics and Animations面板。

FLUENT 15.0菜单栏下方还有一个工具栏，如图1-13所示。用户可以利用其打开和保存文件，设置图形显示和视图窗口的形式。

FLUENT 15.0在操作中经常会弹出一类对话框，用于完成简单的输入/输出任务，如警告、错误和询问，如图1-14所示。此类对话框是临时窗口，出现时要对其进行响应。如信息提示框提示我们需要知道的信息，查看后单击OK按钮即可；而警告对话框用于警告某些潜在问题，并询问是否继续当前的操作。

除了需要响应的对话框外，通常弹出的对话框主要用于处理复杂的输入任务，该类对话框是一个独立的窗口，但是使用起来更像是填充一个表格。每一个对话框都是独一无二的，而且使用各种类型的输入控制组成表格。在对话框的控制下输入数据后，需要应用所改变的设置，或者取消所改变的设置。这种对话框有3个按钮：OK是应用设置并关闭对话框，Cancel是关闭对话框而不做任何改变，Help是启用帮助文件，如图1-15所示。

若应用所改变的设置之后仍然不关闭对话框，这时可以做更多的设置。后处理和自适应网格中经常会出现这样的对话框，如图1-16所示。Apply按钮表示应用设置不关闭对话框，这一按钮经常也有其他的名称，比如后处理过程中该按钮的名字是Display，自适应网格中这个按钮的名称是Adapt。所有的对话框都包含Help按钮，用于显示如何使用对话框的信息。对话框中各种类型的输入控制如表1-4所示。

表1-4　对话框中的各种类型的输入控制

FLUENT 15.0的右上角为图形显示窗口，如图1-17所示。后处理中，可通过显示选项对话框来控制图形显示的属性，如图1-18所示。

三、FLUENT 15.0文本窗口

FLUENT 15.0操作界面的右下角为文本窗口。文本窗口中的命令行提示符位于最下面一行，刚启动FLUENT时，显示为“>”。用户可借助文本窗口输入各种命令、数据和表达式。另外，FLUENT 15.0也正是利用该窗口显示文本信息，从而达到用户与FLUENT交互的目的。需要说明的是，文本窗口使用Scheme编程语言对用户输入的命令和表达式进行管理。Scheme是LISP语言的一种，简单易学，尤其是其宏功能非常有用。用户可在提示符下输入各种命令或Scheme表达式，直接按回车键可显示当前菜单层次下的所有命令。如在根目录下直接按回车键，则显示菜单栏相对应的同名命令，如图1-19所示。在命令行提示符下，用户除了可以输入FLUENT命令外，还可以输入由Scheme函数组成的具有复杂功能的Scheme表达式，详细信息可参阅FLUENT用户手册。

1.2.3　FLUENT 15.0的计算模型

在FLUENT 15.0的控制树中，Solution Setup下方的Models子项中涵盖了大部分可调用的模型，如多相流模型、传热模型、湍流模型、组分输运模型、离散相模型等，如图1-20所示。

一、湍流模型

FLUENT 15.0提供的湍流模型如图1-21所示。实际求解中，应根据具体问题的湍流特点来决定，选择的原则是符合物理现象、精度高、省时。

二、传热模型

热传递是一种复杂的物理现象，除了遵循热力学第一定律和第二定律外，还有其特殊的规律。通常，按其物理本质的不同，可以把它分为传导、对流和辐射3种基本方式。在静止的液体中发生的热传递也主要取决于导热，而在流动的液体及流动或静止的气体中热传递主要靠对流或热辐射。激活传热计算模型需要选择控制树中的Solution Setup→Models→Energy-Off命令，选中Energy对话框上的Energy Equation复选框，如图1-22所示。

在FLUENT 15.0中可以用5种模型来计算辐射换热问题，分别为离散换热辐射模型（DTRM）、P1辐射模型、Rosseland辐射模型、表面辐射模型（S2S）和离散坐标辐射模型（DO），如图1-23所示。

除了调用传热模型外，还需设置流动入口、出口和壁面上的热边界条件及流动材料的热物理参数。

三、多相流模型

物质具有气态、液态、固态三相，自然界和工程中的很多问题都涉及多相流动。多相流可以分为气液流动、气固流动、液液流动、液固流动及三相流动。如空气泵、气穴、蒸发的气泡流、喷雾、干燥机、气冷的液滴流、旋风分离器的粒子负载流等都属于多相流动。FLUENT 15.0的欧拉多相流模型主要包括VOF模型、Mixture模型和Eulerian模型，如图1-24所示。

VOF模型是利用在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法，通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的体积分数来模拟两种或三种不能混合的流体。当需要得到一种或多种互不相融流体间的交界面时，可以采用这种模型。典型的应用例子包括分层流、射流破碎、液体中的气泡运动、自由表面流动等。

Mixture模型是一种简化的多相流模型，可用于模拟两相或多相具有不同速度的流动（流体或颗粒）。混合模型通过求解混合相的连续性、动量和能量方程，第二相的体积分数方程，以及相对速度的代数方程来实现。典型的应用包括低质量载荷的粒子负载流、气泡流及旋风分离器等。当然，混合模型也可以用于不考虑离散相滑移速度的均匀多相流。

Eulerian模型可以模拟多相流动及相间的相互作用。相可以是气体、液体、固体的任意组合。每一相都采用Eulerian处理。采用Eulerian模型时，第二相的数量仅仅因为内存要求和收敛行为而受到限制，只要有足够的内存，任意多个第二相都可以模拟。但是，对于复杂的多相流流动，其解会受到收敛性的限制。

四、离散相模型

除了欧拉多相流模型外，FLUENT 15.0还可以在拉氏坐标下模拟流场中的离散相，计算这些离散颗粒的轨道及由颗粒引起的热量和质量传递。应用离散相模型，FLUENT可以模拟各种涉及离散相的问题，如颗粒分离与分级、喷雾干燥、气溶胶扩散过程、液体中气泡搅浑、液体燃料的燃烧及粉煤燃烧等。

FLUENT中的离散相模型假定第二相非常稀薄，因而颗粒与颗粒之间的相互作用，颗粒体积分数对连续相的影响均未加以考虑。这种假定意味着分散相的体积分数必然很低，一般来说要小于90%，但颗粒质量承载率可以大于90%，即用户可以模拟分散相质量流率大于连续相的流动。

在控制树中双击Models→Discrete Phase-Off选项，在弹出的图1-25所示的离散相模型（Discrete Phase Model）对话框中可进行离散相模型的设置。

五、组分输运与化学反应模型

FLUENT 15.0拥有强大的化学反应模拟能力，能够模拟各种复杂的燃烧与化学反应过程，帮助工程师们解决了很多工程实际难题，如NO_x和其他污染形成的气相反应，固体壁面发生的表面反应，粒子表面反应等。在实际工程中，经常遇到有组分输运与化学反应的问题，最常见的化学反应是燃烧。燃烧按照参与反应的流体可以分为单相燃烧和多相燃烧；按照反应前后各组分的分布可以分为预混燃烧、扩散燃烧和部分预混燃烧；按照燃烧的状态可以分为稳态燃烧和非稳态燃烧；按照反应时间和扩散时间的关系可以分为快速反应和有限反应。在湍流燃烧中，反应速率和流动是相互耦合的，燃烧速率除了取决于化学动力学外，还取决于流场。

FLUENT 15.0针对不同的组分输运与化学反应问题具有相应的解算模型，包括通用的有限速率模型、非预混燃烧模型、预混燃烧模型、部分预混燃烧模型及PDF输运方程模型，如图1-26所示。

六、凝固与融化模型

实际生活中经常出现凝固与融化现象，工程实际中也存在着大量的与凝固和融化相关的问题，如冬天水结冰、油库的油凝结等，这类问题涉及相变，FLUENT为此提供了凝固与融化模型，用户只需双击控制树中的Solution Setup→Models→Solidfication & Melting-Off选项即可弹出图1-27所示的Solidfication and Melting对话框，选中Solidfication/Melting复选框即启动了凝固与融化模型。

七、声学模型

FLUENT 15.0可以用来预测空气动力学所产生的声学（Acoustics）特性，如噪声。在Define/Models/Acoustics命令下，有Models & Parameters、Sources、Receivers、Read &Compute Sound四个命令，分别用于设置声学模型和参数、声源、声音接收位置，以及读取和计算声压信号的有关文件。用户只需双击Models→Acoustics-Off选项即可弹出图1-28所示的声学模型（Acoustics Model）对话框，选中Ffowcs-Wiliams & Hawkings选项，即启动了声学模型。

八、动网格模型

对于单一物体运动或旋转，我们可以采用坐标变换的方法来简化问题。然而，当多个物体之间存在相对旋转的时候，简单的转换参考坐标系已不能解决问题，如涡轮发动机、叶轮机械中静子和转子的干扰问题等，无论怎么设置参考坐标系，都会遇到固体边界随时间变化的问题。这类问题可以利用FLUENT中相关的动网格模型来解决。

动网格模型主要用于模拟由于流域边界运动引起流域形状随时间变化的流动情况。流动既可以是明确的运动（如具有明确的线速度或角速度），也可以是未知的运动（其绕物体重心的线速度或角速度是由流域中固体上的受力平衡得出的），下一时间步的运动情况是由当前时间步的计算结果确定的。在计算之前要先定义动网格的初始状态，在边界发生运动或变形后，其流域的网格重新划分是在FLUENT内部自动完成的，而边界的形变和运动过程可以用边界型函数来定义，也可以用UDF函数来定义。动网格模型求解的是非定常问题，需要消耗较大的硬件资源。单击控制树中的Solution Setup→Dynamic Mesh选项，可实现动网格模型的调用，如图1-29所示。

九、UDF的使用

对于一些复杂的初始条件、边界条件、物性参数等，可以自定义相关程序导入FLUENT中使用。这类自定义的函数称为UDF，是用户自编的程序，可以被动态地连接到FLUENT求解器以提高求解器的性能。UDF编写好之后需要通过解释或编译将其加载到FLUENT中。解释和编译的英文分别为interpret和compile，如图1-30所示。UDF解释是最简单的加载方法，优点是不需要安装C编译器，适合简单的UDF程序。

UDF解释的过程很简单，首先将编写好的UDF文件放至工作目录下，然后选择FLUENT菜单中的Define→User-Defined→Functions→Interpreted命令，弹出图1-31所示的UDF解释对话框，在Source File Name文本框中输入编写好的UDF文件名（后缀名为“.c”），或单击Browse按钮查找UDF文件，单击Interpret按钮，即开始了UDF的解释。若选择Display Assembly Listing选项，视图窗口中还会显示解释信息列表。如果程序有错误，FLUENT会提示错误的原因及发生错误的程序行数。

有些UDF函数不支持解释运行，需要对其进行编译。编译的前提是必须正确安装C/C++编译器。

正确安装C/C++编译器之后，选择FLUENT菜单中的Define→User-Defined→Functions→Compiled命令，弹出图1-32所示的UDF编译对话框。

对话框左侧的Source Files列表用于增加和显示UDF程序，右侧的Header Files列表用于增加和显示需要的头文件。单击左侧Source Files列表下的Add按钮，在弹出的Select File对话框中查找需要加载的UDF文件，单击OK按钮关闭Select File对话框。

回到编译对话框中，即可发现Source Files列表中已经出现了加载进来的UDF文件名，此时需要用户在Library Name文本框中输入共享库的名字，并单击Library Name右侧的Build按钮，建立一个共享库，同时编译UDF文件，并把编译好的UDF文件放入该共享库中。若编译正确，则可单击Load按钮把编译好的UDF文件装载到当前工程中来应用。

1.2.4　FLUENT 15.0的基本操作

一、图形控制及鼠标使用

执行Graphics and Animations和Plots的相关命令时可进行图形显示内容的选择和属性方面的设置。通过Graphics and Animations命令可显示压力、速度等物理量的云图（或等值线图）；通过Display→Options可进行图形窗口显示属性的修改，如图1-33所示。通过Color Scheme选项可以改变视图窗口的背景，通过Layout选项可以选择显示图题、坐标轴、标尺等，利用Colormap Alignment下拉列表还可以改变云图标尺的位置。

右键单击图形窗口左上角，弹出3个选项，如图1-34所示。选择Page Setup选项可打开图1-35所示的Page Setup对话框，用于设置图形输出的颜色和质量，Print用于打印图形，Copy to Clipboard则用于将当前视图窗口中的图形复制到剪贴板。要改变图形窗口的背景色或网格颜色，还可以直接在文本界面的命令行中输入display/set/colors命令，然后输入要改变颜色的对象名称以实现颜色的改变。

选择Display→mouse buttons命令，在弹出的对话框中可调整鼠标按键的定义。默认的鼠标按键功能是：按住鼠标左键拖动可移动图形；按住鼠标中键拖动可缩放图形；按住鼠标右键拖动可执行用户预定义的操作，如图1-36所示。

二、网格读入

一般情况下，我们只需将保存的msh文件读入FLUENT中，选择File→Read→Mesh命令可将绘制好的网格导入FLUENT 15.0中，如图1-37所示。

FLUENT 15.0还可以调入其他软件的数据文件，用户只需选择File→Import命令，即弹出可将数据文件导入FLUENT 15.0的其他软件列表，几乎涵盖了现有有限元和有限体积法软件，如图1-38所示。CGNS、Gambit、PLOT3D等软件主要提供网格文件，ABAQUS、CFX、PATRAN等软件可提供其自身计算的算例和结果文件，Tecplot软件则可提供后处理过的结果文件。除了可以导入上述软件的数据文件外，FLUENT 15.0也可将自身的算例和结果文件导出。选择FLUENT 15.0菜单中的File→Export to CFD-Post命令可以将计算结果导出给FLUENT 15.0自带的CFD后处理软件进行处理。用户可根据实际要求选择合适的软件与FLUENT 15.0进行数据交换。

三、模型设置

在准备好网格，并选择了求解器的格式后，就应该设置所需要的基本模型。FLUENT 15.0中提供了很多模型，例如多相流模型、传热模型、湍流模型、组分输运模型等。针对不同的问题，我们需要设置不同的模型。在FLUENT 15.0中设置模型，基本操作步骤是：在左侧的控制树中选择Models，在中间弹出的Models面板中选择模型并进行设置，如图139所示。

四、材料属性设置

FLUENT 15.0在其材料数据库中已经提供了如air和water等一些常用材料，用户可从中复制过来直接使用，或修改后使用。当然，用户还可创建新的材料，以便将材料分配给相应的区域。在FLUENT 15.0中定义材料，其基本操作步骤是：在左侧的控制树中选择Materials，中间弹出Materials面板，如图1-40所示；选择所需定义材料的物性，是流体还是固体，单击按钮打开Creat/Edit Materials对话框，如图1-41所示。用户可以根据实际问题，选择是调用FLUENT 15.0材料数据库中的材料，还是自定义材料性质。所有材料的定义、复制和修改，都是通过Creat/Edit Materials对话框来实现的。

五、计算域材料选择

FLUENT 15.0要求为每个参与计算的区域指定一种材料。在定义好所需要的材料后，就要为每一个区域指定材料。在FLUENT 15.0中为每个参与计算的区域指定材料，其基本操作步骤是：在左侧的控制树中选择Cell Zone Conditions，中间弹出Cell Zone Conditions面板，如图1-42所示；选择所需定义材料的区域，单击按钮打开Fluid对话框，如图1-43所示；所有区域材料的定义，都是通过Fluid对话框来实现的。

六、流体相设置

如果所要计算的区域含有多个相，例如，坝体垮塌时水与空气、敞口旋转容器内水与空气等，这时就需要定义流体相。定义流体相的基本操作步骤是：在左侧的控制树中选择Phases，中间弹出Phases面板，如图1-44所示；选择所需定义的相，单击按钮打开Primary Phase对话框，如图1-45所示。

七、边界条件设置

在FLUENT 15.0中提供了多种边界条件，常用的有压力入口、速度进口、质量进口、压力出口、自由出流和壁面条件等，根据不同的计算要求，我们需要定义不同的边界条件。定义边界条件的基本操作步骤是：在左侧的控制树中选择Boundary Conditions，中间弹出Boundary Conditions面板，如图1-46所示；选择所需设置的边界，单击按钮打开相应的对话框，进行边界条件设置。所有的边界条件设置都是通过对话框进行设置的。

八、参考值设置

在FLUENT 15.0中，设置参考值的基本操作步骤是：在左侧的控制树中选择Reference Values，中间弹出Reference Values面板，如图1-47所示，可以在这里进行参考值的设置。

九、算法设置

FLUENT 15.0为我们提供了多种算法，如SIMPLE算法、SIMPLEC算法、PISO算法以及Coupled算法。设置算法的基本操作步骤是：在左侧的控制树中选择Solution Methods，中间弹出Solution Methods面板，如图1-48所示。在这里，我们可以进行算法的设置与离散化的设置。若要设置求解方程的欠松弛因子，可在左侧的控制树中选择Solution Controls，在中间弹出的Solution Controls面板中进行设置，如图1-49所示。

十、监视参数设置

在求解过程中，通过检查变量的残差、统计值、力、面积分和体积分等，用户可以动态地监视计算的收敛性和当前计算结果、显示或打印升力、阻力、力矩系数、表面积分及各个变量的残差。对于非稳态流动，用户还可监视时间进程。设置监视参数的基本操作步骤是：在左侧的控制树中选择Monitors，中间弹出Monitors面板，如图1-50所示，双击ResidualsPrint，Plot选项或单击按钮，打开Residual Monitors对话框，如图1-51所示。在这里我们可以设置要监视哪些变量的残差、如何监视、每隔多少个迭代步监视一次、如何输出监视结果等。

十一、计算初始化设置

在开始对流场进行求解之前，用户必须向FLUENT提供对流场的解的初始猜测值。该初始值对解的收敛性有重要的影响，与最终的实际解越接近越好。计算初始化的基本操作步骤是：在左侧的控制树中选择Solution Initialization，中间弹出Solution Initialization面板，如图1-52所示。在这里，我们可以设置初始化的方式、获得初始值的方式等。

十二、迭代计算设置

在进行了前面各项设置以后，便可开始流场的迭代计算了。稳态问题与瞬态问题的迭代计算方法有所区别，这里分别进行设置。在左侧的控制树中选择Run Calculation，中间弹出Run Calculation面板，对于稳态问题，只需设置迭代的步数，如图1-53所示；而对于瞬态问题，则需要设置时间步长和迭代次数等，如图1-54所示。

十三、结果查看

为了得到形象直观的图形结果，模拟计算完后还需进行后处理。FLUENT本身具备一定的后处理功能及图形可视化技术，能够显示相关物理参数的云图、等值线图、速度矢量图、流动轨迹图等，同时还能求得力、力矩及对应的力矩系数、流量等，并生成简要的计算报告。在左侧的控制树中选择Graphics and Animations，中间弹出Graphics and Animation面板，如图1-55所示。在这里，可以进行云图、等值线图、速度矢量图、流动轨迹图等后处理操作。

十四、结果保存

最后，需要保存工程和数据文件。选择File→Write→Case&Date命令，将当前定义的全部信息及计算结果保存为案例文件和数据文件，如图1-56所示。

1.2.5　FLUENT 15.0基础实例演示

【案例简介】

本例模拟二维Z形管道中流体的流通情况。图1-57所示为Z形管的几何模型尺寸图，其中管道直径为0.2m，下侧管道长度为1m，竖直段管道长度为0.5m，上侧长度为0.5m。流体介质为水，来流速度为10m/s，从下侧进入，从上侧流出。

【思路分析】

首先在ANSYS自带的ICEM模块中进行几何建模及网格划分，并对模型的各个边界进行命名，导入FLUENT设置求解模型、设置边界条件等，然后进行解算。具体的计算流程如图1-58所示。

——参见附带光盘中的“END\Ch1\1-2.msh、1-2.cas、1-2.dat”文件。

——参见附带光盘中的“AVI\Ch1\1-2.avi”文件。

一、几何建模

1.在Workbench 15.0的工具箱Toolbox→Component Systems中，双击ICEM CFD或将其直接拖入项目视图区Project Schematic，生成项目A；同理，在Workbench 15.0的工具箱Toolbox→Component Systems中，双击Fluent或直接将其拖入项目视图区Project Schematic，生成项目B；单击选中项目A中的Model（A2），拖动至项目B中的Setup（B2），使两项连接，如图1-59所示，双击项目A中的Model，进入ICEM CFD工作界面，如图1-60所示。

2.本例通过点、线、面的方式来创建模型，图1-61所示为点线创建示意图，因为本例为对称问题所以按照如下操作创建模型。首先创建所需要的点，如图1-62所示，单击Geometry选项卡中的点创建按钮，然后选择Create Point面板下的按坐标创建点，依次输入（0，0，0）、（1，0，0）、（0，0.2，0）、（1，0.5，0）、（0.8，0.2，0）、（0.8，0.7，0）、（1.5，0.5，0）、（1.5，0.7，0），共8个点，单击Apply按钮确定。

3.线的创建。如图1-63所示，单击Geometry标签下边的线创建按钮，依次选择点，创建线。这里选择点1和点2，单击Apply按钮确定后生成线1；按照同样的方法，分别创建剩余的线，其中右侧的一条线为对称边界。

4.面的创建。选择Geometry选项卡，单击按钮进入创建面的操作。如图164所示，单击按钮，在Method下拉列表中选择From Curves，单击按钮，选择所有的边。

5.对面进行Part的命名。定义外部面为fluid，命名后单击模型树中Geometry下的Surface按钮，检查是否出现面，如图1-65所示。

6.点、线特征的重新生成。在对线进行命名之前，我们要先删除点、线的几何特征，然后通过修复工具重新生成点、线特征。选择Geometry选项卡，单击按钮，然后单击图1-66所示的按钮，按键盘中的A键（即选择全部点），单击Apply按钮；采用同样的操作，删除线。最后单击Geometry选项卡中的按钮，进入修复几何的操作，如图1-67所示，在弹出的面板中单击按钮，其他保持默认后单击Apply按钮，重新生成Curve和Point特征。

7.对线进行Part的命名。右击模型树中的Parts，单击Create Part按钮，输入IN，如图1-68所示，然后选择下侧进口的边；同理，选择出口的边，命名为OUT；选择其余的边，命名为WALLS。

二、流场网格划分

1.定义全局网格尺寸。如图1-69所示，单击Mesh选项卡中的按钮，然后在Global Mesh Setup面板的Max element中修改为0.005，其余保持默认，单击Apply按钮确定。

2.定义边界层。单击Mesh选项卡中的按钮，弹出Part Mesh Setup对话框，如图1-70所示，选择WALLS后面的prism以及下边的Apply inflation parameters to curves选项，填写图中所示参数，分别表示为第一层高度、增长率以及边界层数，最后单击Apply按钮确定。

3.网格的生成。单击Mesh选项卡中的按钮，弹出图1-71所示的Compute Mesh面板，单击按钮，单击Compute按钮，进行网格的生成。生成的网格如图1-72所示。

4.选择File→Mesh→Save Mesh As命令，保存生成的网格为1.uns。选择Output选项卡，单击按钮，选择求解器，如图1-73所示，单击OK按钮确定。单击Output选项卡中的按钮，在弹出的对话框（见图1-74）中单击NO按钮不保存当前项目文件，在随后的对话框中选择之前保存的1.uns。随后弹出图1-75所示对话框，在Grid dimension栏中选择2D选项，即输出为二维网格；在Output file栏中设置路径和名称，单击Done按钮即可导出文件名为1.msh的网格文件。

三、FLUENT求解设置

1.在Workbench 15.0的项目视图区，选择Project Schematic工程中的B2，双击Setup，出现Fluent Launcher窗口，保持默认，如图1-76所示，单击OK按钮，进入模型计算设置的工作界面。

2.添加重力。在General面板中，选中Gravity复选框，在Y（m/s²）文本框中输入-9.8，其他保持默认，如图1-77所示。

3.进行Model设置。选择左侧控制树中的Models，双击Models下方的ViscousLaminar，选择k-epsilon（2eqn）选项，如图1-78所示，其余保持默认设置。

4.进行流体材料设置。在Materials面板中单击Create/Edit按钮，如图1-79所示，在弹出的Create/Edit Materials对话框中单击Fluent Database按钮（见图1-80），添加所需要的材料water-liquid（h2o<l>），如图1-81所示。

5.设置区域条件。单击左侧模型树中的Cell Zone Conditions选项，选择Zone列表中的fluid选项，单击Edit按钮，在Material Name下拉列表中选择waterliquid选项，如图1-82所示。

6.设置边界条件。在左侧的控制树中选择Boundary Conditions选项，选中in选项，在Type中选择velocity-inlet选项，然后单击Edit按钮，弹出图1-83所示的对话框。将Velocity Magnitude设置为0.01，然后在Specification Method下拉列表中选择Intensity and Hydraulic Diameter选项，系数分别为2.6和0.2，单击OK按钮退出。把out的Type修改为outflow，如图1-84所示。

7.接下来单击Solution控制面板中的Solution Methods，展开Solution Methods面板，选择SIMPLE选项，如图1-85所示，Solution Controls及Monitors的设置保持默认。

8.接下来进行初始化。选择左侧控制树中的Solution Initialization，初始化方法选用Hybrid Initialization，单击Initilize按钮完成设置，如图1-86所示。

9.选择左侧控制树中的Run Calculation选项，在中间的Run Calculation面板中，设置Number of Iterations（迭代步）为1000步，单击Calculate按钮开始解算，如图1-87所示。

四、结果后处理及分析

1.在左侧控制树中选择Graphics and Animations选项，在中间的Graphics and Animations面板中双击Contours选项，弹出图1-88所示的Contours对话框。选择Contours of下拉列表中的Pressure选项，选择Options下方的Filled复选框，单击Display按钮，得到图1-89所示的计算完成后的压力云图；在Contours of下拉列表中选择Velocity选项，显示速度云图，如图1-90所示。

2.选择File→Export→Case & Date命令，如图1-91所示，输出工程文件和数据文件。

1.3　小结

本章主要介绍了FLUENT 15.0软件的基本特性、功能、界面、模型等，并通过基础实例的介绍，帮助读者认识FLUENT 15.0的操作界面，了解FLUENT的求解过程，为后续利用FLUENT解决实际工程问题打下基础。