1、fluent简单算例第一章 开始赵玉新（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。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/
2、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，自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，解适应细化方法使网格细化方法变得很简单，并且减少了计算量。其原因在于：网格细化仅限于那些需要更多网格的解域。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FLU
3、ENT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。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，IDEAS，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
4、 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所需要的网格，比如ANSYS(Swanson Analysis Systems, Inc.)、I-DEAS (SDRC)；或者MSC/ARIES,MSC/PATRAN以及MSC/NASTRAN (都是MacNea
5、l-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
6、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
7、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公司还提供了其它几种解算器，其中包括NEKTON,FIDAP、POLYFLOW、IcePak以及MixSim。FLUENT使
8、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，并且具有使网格适应流场的特点。FLUENT也能够使用适体网格，块结构网格(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
9、生初始网格，初始网格可以使用GAMBIT、 Tgrid或者某一具有网格读入转换器的CAD系统。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？采用哪种解格式可以
10、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
11、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算器格式定义菜单（Define Menu ）
12、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FLUENTUNIX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。单精度和双精度解算器在所有计算机操作系统上FLUENT都包含这两个解算器。大多数情况下，单精度解算器高效准确，但是对于某些问题使用双精度解算器更合适。下面举几个例子： 如果几何
13、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
14、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。如果是在图形用户界面（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
15、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之前指定完全的文件名。读Case文件指定解算器版本：启动时如果未指定版本（在命令行输入fluent），将会出现前面所看到的控制台窗口，在File/Read/Case. 或者File/Read/Case & Data.菜单中择适当的case文件或者data文件，我们就可以启动适当的版本了。（详细内容型参阅“读写case和data文件
16、”部分）。当然也可以在版本的文本菜单中用read-case或者read-case-data命令。File/Read/Case & Data.菜单或者read-case-data命令中读入的case和data文件具有相同的名字，而且扩展名分别为.cas和.dat.。在Windows NT 中启动FLUENT有几种方法，下面做一介绍Windows NT 4.0中有两种方法启动FLUENT: 开始菜单程序菜单Fluent.Inc（安装时可以改名）菜单点击FLUENT 6在MS-DOS命令提示符中键入fluent 2d、fluent 3d、fluent 2ddp或者fluent 3ddp启动相应版本。
17、需要注意的是，进行上述步骤之前你要设定用户环境以便于MS-DOS可以找到fluent。你可以遵照如下做法：选择程序组的Set Environment，该程序会将Fluent.Inc目录加入到你的命令搜索行。在MS-DOS命令提示符中你也可以启动并行FLUENT。在n个处理器上运行并行版本，键入fluent-version-tn（tn在2d, 3d, 2ddp,或者3ddp之后)，n为处理器的个数。比如：fluent 3d -t3表示在3个处理器上运行3D版本)，详细内容请参阅并行处理部分在Windows NT 3.51上运行：有两个方式启动FLUENT鼠标双击FLUENT 5程序图标MS-DO
18、S方式的方法同上启动选项启动解算器之前要想知道版本信息，你可以键入fluent help命令，下面是该命令的选项：格式：fluent version -help optionsoptions： -cl following argument passed to fluent, -cxarg following argument passed to cortex, -cx host:p1:p2 connect to the specified cortex process, -driver gl | opengl | null | pex | sbx | x11 | xgl ,sets the g
19、raphics driver (available drivers vary by platform), -env show environment variables, -g run without gui or graphics, -gu run without gui, -gr run without graphics, -help this listing, -i journal read the specified journal file, -nocheck disable checks for valid license file and server, -post run a
20、post-processing-only executable, -project x write project x start and end times to license log, -r list all releases, -rx specify release x, -v list all versions, -vx specify version x, -n no execute, -hcl following argument passed to fluent host, -loadx start compute nodes from host x, -manspa manu
21、ally spawn compute nodes, -ncl following argument passed to fluent compute node, -px specify parallel communicator x, -pathx specify root path x to Fluent.Inc, -tx specify number of processors x,在Windows NT系统中，只有-driver, -env, -gu(有限制), -help, -i journal, -r, -rx, -v, -vx,和-tx可用。前三个选项是用来指定FLUENT和Cor
22、tex的声明的。Cortex为用户提供界面和FLUENT图形窗口的程序。选项-cx host:p1:p2只用于手动启动解算器的情况。如果你输入fluent driver，你可以指定解算期间的图形驱动器（如：fluent -driver xgl）。输入fluent env将会在FLUENT运行之前列出所有环境变量。命令fluent g将会运行Cortex而没有图形窗口与图形用户界面。如果你不是用X-Windows显示或者你想提交一份批处理任务这一选项十分有用。命令fluent gu将会运行Cortex而没有图形用户界面。命令fluent gr将会运行Cortex而没有图形。(在Windows N
23、T系统中，命令fluent gu会以图标的形式运行FLUENT，如果你去图标化，就会得到图形用户界面。这一选项用于和-i journal选项连接以后台模式处理任务要启动解算器并立即读入日志文件，输入fluent -i journal，journal为所要读入的日志文件名。选项-nocheck加速了启动过程但不检查许可证服务器是否运行。这一功能在你知道许可证服务器已经运行时或者你根本就不想启动许可证服务器时（比如说：你根本就没有权力启动它）是很有用的。命令fluent post将会运行一个解算器的版本，它可以允许你设定问题，或者进行后处理过程，但是不允许你进行计算。选项-project x允许你
24、对每一个工程分别记录CPU的时间。如果通过键入-project x（x是工程的名字）开始一项工作，与CPU事件有关的信息会记录在许可证管理的log文件中。要确定某项工程的CPU时间，将license.log文件中的USER CPU和SYSTEM CPU值加起来即可。输入fluent version r（其中version为版本号），将会列出指定版本的所有版本号。选项fluent rx运行FLUENT的x版本。当然你也可以输入fluent v此时可以列出所有的版本号，然后指定版本。你可以输入fluent n或者在任何其它的连接词中使用-n选项，来查看可执行程序在哪里而不必运行它。 剩下的选项是和
25、并行计算有关的。选项-hcl用于通过FLUENT主机过程的声明，选项-ncl用于通过FLUENT计算节点的声明，选项-loadx用于远程前端机器的并行机器上启动并行计算节点过程，选项-manspa用于取消默认的计算节点过程产生，选项-px指定了并行通信装置x的使用，其中x是运行于多处理器UNIX机器上的任何一个通信装置，选项-pathx指定了Fluent.Inc安装的根目录，选项-tx指定了所使用的x处理器，关于启动并行版本的FLUENT的更多信息，请参阅解算器的并行版本的启动。解算器中用户可以选择的输入选择解的格式FLUENT提供三种不同的解格式：分离解；隐式耦合解；显式耦合解。三种解法都可
26、以在很大流动范围内提供准确的结果，但是它们也各有优缺点。分离解和耦合解方法的区别在于，连续性方程、动量方程、能量方程以及组分方程的解的步骤不同，分离解是按顺序解，耦合解是同时解。两种解法都是最后解附加的标量方程（比如：湍流或辐射)。隐式解法和显式解法的区别在于线化耦合方程的方式不同。详情请参阅相关章节。分离解以前用于FLUENT 4和FLUENT/UNS，耦合显式解以前用于RAMPANT。分离解以前是用于不可压流和一般可压流的。而耦合方法最初是用来解高速可压流的。现在，两种方法都适用于很大范围的流动(从不可压到高速可压)，但是计算高速可压流时耦合格式比分离格式更合适。FLUENT默认使用分离解
27、算器，但是对于高速可压流（如上所述），强体积力导致的强烈耦合流动(比如浮力或者旋转力)，或者在非常精细的网格上的流动，你需要考虑隐式解法。这一解法耦合了流动和能量方程，常常很快便可以收敛。耦合隐式解所需要内存大约是分离解的1.5到2倍，选择时可以通过这一性能来权衡利弊。在需要隐式耦合解的时候，如果计算机的内存不够就可以采用分离解或者耦合显式解。耦合显式解虽然也耦合了流动和能量方程，但是它还是比耦合隐式解需要的内存少，但是它的收敛性相应的也就差一些。注意：分离解中提供的几个物理模型，在耦合解中是没有的：多项流模型；混合组分/PDF燃烧模型/预混合燃烧模型/Pollutant formation
28、models/相变模型/Rosseland辐射模型/指定质量流周期流动模型/周期性热传导模型。用户选择解的格式：点击菜单Define/Models/Solver.弹出下面图框，选择所需要的格式即可。Figure 1:解算器控制面板算例为了演示FLUENT的问题解决和后处理能力，你可以用CD上提供的网格文件解决一个很简单的问题。所要解决的问题请看下图。在该问题中a cavity in the shape of a 60?rhombus, 边长0.1米，内部为常密度空气，上部是一个速度为0.1m/s向右运动的壁面，雷诺数大约为500，流动是层流。Figure 1: 驱动腔内的流体流动程序概要上述问
29、题是一个简单的二维问题，流动为层流，无热传导，不需考虑特殊的物理模型，除此之外，所有的问题，如几何图形，网格，边界位置和类型已经在网格生成的时候定义了。你只需读入网格文件就可以读入全部信息了。本问题模拟的步骤简化为：读入并检查网格，选择默认的分离解，定义物理模型，指定流体性质，指定边界条件，保存问题的设置，初始化解域，计算解，保存结果，检查结果。. 在开始之前把安装CD上的/fluent_inc/fluent5/tut/sample/cavity.msh网格文件复制到工作目录。读入网格：点击菜单File/Read/Case.弹出下面的对话框一般说来，一个case文件包括网格，边界条件和解的控制
30、参数。网格文件是它的子集，本算例中的网格已经保存为FLUENT的格式了，所以可以像读入其它case文件一样来读入它。（如果网格文件是其它格式，请选择菜单File/Import）Figure 1: 读入网格在上图中选择所需文件，双击便可读入。本例中选择了cavity.msh文件。FLUENT在读网格的过程中会在控制台窗口显示进程。检查网格读入网格之后要检查网格：菜单Grid/Check。在检查过程中，你可以在控制台窗口中看到区域范围，体积统计以及连通性信息。具体显示内容如下： Domain Extents: x-coordinate: min (m) = 0.000000e+00, max (m
31、) = 1.500000e-01 y-coordinate: min (m) = 0.000000e+00, max (m) = 8.660000e-02 Volume statistics: minimum volume (m3): 7.156040e-05 maximum volume (m3): 7.157349e-05 total volume (m3): 8.660000e-03 Face area statistics: minimum face area (m2): 9.089851e-03 maximum face area (m2): 9.091221e-03 Checking number of nodes per cell. Checking number of faces per cell. Checking thread pointers. Checking number of cells per face. Checking face cells. Checking face handedness. Checking element type consistency. Checking boundary
