本节书摘来自异步社区《ANSYS FLUENT 16.0超级学习手册》一书中的第2章，第2.1节,作者： 唐家鹏 更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看。

第2章　FLUENT软件介绍

CFD商业软件FLUENT是通用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在转换与湍流、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的应用。

学习目标：

• 学习FLUENT软件的主要特点；
• 了解FLUENT 16.0的新特性和功能模块；
• 了解ANSYS Workbench的基本操作方法；
• 学习FLUENT 16.0的基本操作步骤和方法；
• 通过一个简单的实例学习FLUENT 16.0的操作。

2.1　FLUENT软件特点简介

2006年5月，FLUENT成为全球最大的CAE软件供应商——ANSYS大家庭中的重要成员。所有的FLUENT软件都集成在ANSYS Workbench环境下，共享先进的ANSYS公共CAE技术。

FLUENT是ANSYS CFD的旗舰产品，ANSYS加大了对FLUENT核心CFD技术的投资，确保FLUENT在CFD领域的绝对领先地位。ANSYS公司收购FLUENT以后做了大量高技术含量的开发工作，具体如下。

• 内置六自由度刚体运动模块配合强大的动网格技术。
• 领先的转捩模型精确计算层流到湍流的转捩以及飞行器阻力精确模拟。
• 非平衡壁面函数和增强型壁面函数加压力梯度修正大大提高了边界层回流计算精度。
• 多面体网格技术大大减小了网格量并提高计算精度。
• 密度基算法解决高超音速流动。
• 高阶格式可以精确捕捉激波。
• 噪声模块解决航空领域的气动噪声问题。
• 非平衡火焰模型用于航空发动机燃烧模拟。
• 旋转机械模型加虚拟叶片模型广泛用于螺旋桨旋翼CFD模拟。
• 先进的多相流模型。
• HPC大规模计算高效并行技术。

图2-1为一个FLUENT的计算图例，是FLUENT在航空领域的应用实例，显示了飞机滑行过程中起落架附近的涡流分布。

2.1.1　网格技术
计算网格是任何计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）计算的核心，它通常把计算域划分为几千甚至几百万个单元，在单元上计算并存储求解变量。FLUENT使用非结构化网格技术，这就意味着可以有各种各样的网格单元，具体如下。

• 二维的四边形和三角形单元。
• 三维的四面体核心单元。
• 六面体核心单元。
• 棱柱和多面体单元。

这些网格可以使用FLUENT的前处理软件Gambit自动生成，也可以选择在ICEM CFD工具中生成。

在目前的CFD市场上，FLUENT以其在非结构网格的基础上提供丰富的物理模型而著称，主要有以下特点。

（1）完全非结构化网格。

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。

（2）先进的动/变形网格技术。

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。FLUENT解算器包括NEKTON、FIDAP、POLYFLOW、ICEPAK以及MIXSIM。

网格变形方式有3种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其中，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。

（3）多网格支持功能。

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、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。

2.1.2　数值技术
在FLUENT软件当中，有两种数值方法可以选择：基于压力的求解器和基于密度的求解器。

从传统上讲，基于压力的求解器是针对低速、不可压缩流开发的，基于密度的求解器是针对高速、可压缩流开发的。但近年来这两种方法被不断地扩展和重构，这使得它们突破了传统上的限制，可以求解更为广泛的流体流动问题。

FLUENT软件基于压力的求解器和基于密度的求解器完全在同一界面下，确保FLUENT对于不同的问题都可以得到很好的收敛性、稳定性和精度。

1．基于压力的求解器
基于压力的求解器采用的计算法则属于常规意义上的投影方法。在投影方法中，首先通过动量方程求解速度场，继而通过压力方程的修正使得速度场满足连续性条件。

由于压力方程来源于连续性方程和动量方程，从而保证整个流场的模拟结果同时满足质量守恒和动量守恒。

由于控制方程（动量方程和压力方程）的非线性和相互耦合作用，所以需要一个迭代过程，使得控制方程重复求解直至结果收敛，用这种方法求解压力方程和动量方程。

FLUENT软件中包含以下两种基于压力的求解器。

（1）基于压力的分离求解器。

如图2-2所示，分离求解器顺序地求解每一个变量的控制方程，每一个控制方程在求解时被从其他方程中“解耦”或分离，并且因此而得名。

分离求解器的内存效率非常高，因为离散方程仅仅在一个时刻需要占用内存，收敛速度相对较慢，因为方程是以“解耦”方式求解的。

工程实践表明，分离求解器对于燃烧、多相流问题更加有效，因为它提供了更为灵活的收敛控制机制。

（2）基于压力的耦合求解器。

如图2-2所示，基于压力的耦合求解器以耦合方式求解动量方程和基于压力的连续性方程，它的内存使用量大约是分离求解器的1.5～2倍；由于以耦合方式求解，所以它的收敛速度具有5～10倍的提高。

基于压力的耦合求解器同时还具有传统压力算法物理模型丰富的优点，可以和所有动网格、多相流、燃烧和化学反应模型兼容，同时收敛速度远远高于基于密度的求解器。

2．基于密度的求解器
基于密度的求解器直接求解瞬态N-S方程（瞬态N-S方程在理论上是绝对稳定的），将稳态问题转化为时间推进的瞬态问题，由给定的初场时间推进到收敛的稳态解，这就是通常说的时间推进法（密度基求解方法）。这种方法适用于求解亚音速、高超音速等流场的强可压缩流问题，且易于改为瞬态求解器。

FLUENT软件中基于密度的求解器源于FLUENT和NASA合作开发的RAMPANT软件，因此被广泛应用于航空航天工业。

FLUENT增加了AUSM和Roe-FDS通量格式，AUSM对不连续激波提供了更高精度的分辨率，Roe-FDS通量格式减小了在大涡模拟计算中的耗散，从而进一步提高了FLUENT在高超声速模拟方面的精度。

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2.1.3　物理模型
FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型，具体有以下几种。

1．传热、相变、辐射模型
许多流体流动伴随传热现象，FLUENT提供一系列应用广泛的对流、热传导及辐射模型。对于热辐射，P1和Rossland模型适用于介质光学厚度较大的环境；基于角系数的surface to surface模型适用于介质不参与辐射的情况；DO（Discrete Ordinates）模型适用于包括玻璃在内的任何介质。DRTM模型（Discrete Ray Tracing Module）也同样适用。

太阳辐射模型使用光线追踪算法，包含了一个光照计算器，它允许光照和阴影面积的可视化，这使得气候控制的模拟更加有意义。

其他与传热紧密相关的模型还有汽蚀模型、可压缩流体模型、热交换器模型、壳导热模型、真实气体模型和湿蒸汽模型。

相变模型可以追踪分析流体的融化和凝固。离散相模型（DPM）可用于液滴和湿粒子的蒸发及煤的液化。易懂的附加源项和完备的热边界条件使得FLUENT的传热模型成为满足各种模拟需要的成熟可靠的工具。

2．湍流和噪声模型
FLUENT的湍流模型一直处于商业CFD软件的前沿，它提供的丰富的湍流模型中有经常使用到的湍流模型，包括Spalart-Allmaras模型、k-ω模型组、k-ε模型组。

随着计算机能力的显著提高，FLUENT已经将大涡模拟（LES）纳入其标准模块，并且开发了更加高效的分离涡（DES）模型，FLUENT提供的壁面函数和加强壁面处理的方法可以很好地处理壁面附近的流动问题。

气动声学在很多工业领域中倍受关注，模拟起来却相当困难，如今，使用FLUENT可以有多种方法计算由非稳态压力脉动引起的噪声，瞬态大涡模拟（LES）预测的表面压力可以使用FLUENT内嵌的快速傅里叶变换（FFT）工具转换成频谱。

Ffowcs-Williams & Hawkings声学模型可以用于模拟从非流线型实体到旋转风机叶片等各式各样的噪声源的传播，宽带噪声源模型允许在稳态结果的基础上进行模拟，这是一个快速评估设计是否需要改进的非常实用的工具。

3．化学反应模型
化学反应模型，尤其是湍流状态下的化学反应模型在FLUENT软件中一直占有很重要的地位，多年来，FLUENT强大的化学反应模拟能力帮助工程师完成了对各种复杂燃烧过程的模拟。

涡耗散概念、PDF转换以及有限速率化学模型已经加入FLUENT的主要模型中：涡耗散模型、均衡混合颗粒模型、小火焰模型以及模拟大量气体燃烧、煤燃烧、液体燃料燃烧的预混合模型。预测NOx生成的模型也被广泛地应用与定制。

许多工业应用中涉及发生在固体表面的化学反应，FLUENT表面反应模型可以用来分析气体和表面组分之间的化学反应及不同表面组分之间的化学反应，以确保准确预测表面沉积和蚀刻现象。

对催化转化、气体重整、污染物控制装置及半导体制造等的模拟都受益于这一技术。FLUENT的化学反应模型可以和大涡模拟（LES）及分离涡（DES）湍流模型联合使用，只有将这些非稳态湍流模型耦合到化学反应模型中，才有可能预测火焰稳定性及燃尽特性。

4．多相流模型
多相流混合物广泛应用于工业中，FLUENT软件是多相流建模方面的领导者，其丰富的模拟能力可以帮助工程师洞察设备内那些难以探测的现象，Eulerian多相流模型通过分别求解各相的流动方程的方法分析相互渗透的各种流体或各相流体，对于颗粒相流体，采用特殊的物理模型进行模拟。

很多情况下，占用资源较少的混合模型也用来模拟颗粒相与非颗粒相的混合。FLUENT可用来模拟三相混合流（液、颗粒、气），如泥浆气泡柱和喷淋床的模拟。可以模拟相间传热和相间传质的流动，这使得模拟均相及非均相成为可能。

FLUENT标准模块中还包括许多其他的多相流模型，对于其他的一些多相流流动，如喷雾干燥器、煤粉高炉、液体燃料喷雾，可以使用离散相模型（DPM）。射入的粒子、泡沫及液滴与背景流之间进行发生热、质量及动量的交换。

VOF（Volume of Fluid）模型可以用于对界面预测比较感兴趣的自由表面流动，如海浪。汽蚀模型已被证实可以很好地应用到水翼艇、泵及燃料喷雾器的模拟。沸腾现象可以很容易地通过用户自定义函数实现。

2.1.4　FLUENT的独有特点
FLUENT具有以下特点。

• FLUENT可以方便地设置惯性或非惯性坐标系、复数基准坐标系、滑移网格以及动静翼相互作用模型化后的接续界面。
• FLUENT内部集成丰富的物性参数的数据库，里面有大量的材料可供选用，此外用户可以非常方便地定制自己的材料。
• 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特有的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软件后置处理和数据输出，可对计算结果进行处理，生成可视化的图形及给出相应的曲线、报表等。

上述各项功能和特点使得FLUENT在很多领域得到了广泛的应用，主要有以下几个方面。

• 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。

2.1.5　FLUENT系列软件简介
FLUENT系列软件包括：通用的CFD软件FLUENT、POLYFLOW、FIDAP，工程设计软件FloWizard、FLUENT for CATIAV5，前处理软件Gambit、TGrid、G/Turbo，CFD教学软件FlowLab，面向特定专业应用的ICEPAK、AIRPAK、MIXSIM软件等。

FLUENT软件包含基于压力的分离求解器、基于压力的耦合求解器、基于密度的隐式求解器、基于密度的显式求解器。多求解器技术使FLUENT软件可以用来模拟从不可压缩到高超音速范围内的各种复杂流场。

FLUENT软件包含非常丰富的、经过工程确认的物理模型，可以模拟高超音速流场、转捩、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、材料加工等复杂机理的流动问题。

FLUENT软件的动网格技术处于绝对领先地位，并且包含了专门针对多体分离问题的六自由度模型，以及针对发动机的两维半动网格模型。

POLYFLOW是基于有限元法的CFD软件，专用于模拟黏弹性材料的层流流动。它适用于塑料、树脂等高分子材料的挤出成型、吹塑成型、拉丝、层流混合、涂层过程中的流动及传热和化学反应问题。

FloWizard是高度自动化的流动模拟工具，它允许设计和工艺工程师在产品开发的早期阶段迅速而准确地验证他们的设计。它引导从头至尾地完成模拟过程，使模拟过程变得非常容易。

FLUENT for CATIAV5是专门为CATIA用户定制的CFD软件，将FLUENT完全集成在CATIAV5内部，用户就像使用CATIA其他分析环境一样地使用FLUENT软件。

• Gambit是专业的CFD前处理软件，包括功能强大的几何建模和网格生成能力。
• G/Turbo是专业的叶轮机械网格生成软件。
• AIRPAK是面向HVAC工程师的CFD软件，并依照ISO7730标准提供舒适度、PMV、PPD等衡量室内外空气质量（IAQ）的技术指标。
• MIXSIM是专业的搅拌槽CFD模拟软件。