计算流体动力学(CFD)简介

一、计算流体动力学（CFD）简介二、FLUENT概述计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics，简称CFD）是通过计算机数值模拟计算和图象显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD计算的基本思想：把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场（如速度场，温度场等），用一系列有限个离散点上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代数方程（称为离散方程），求解所建立起来的代数方程以获得所求变量的近似值。根据控制方程离散方式，分为有限差分法（FDM）有限元法（FEM）有限分析法（FAM）有限体积法或者控制体积法（FVM或CVM）。有限体积法导出的离散方程可以保证守恒特性，而且离散方程的系数物理意义明确，是目前计算流体力学中应用最广的一种方法。优势1.可得流动问题满足工程需要的数值解2.可利用计算机进行各种数值试验局限性1.是一种离散近似算法2.需充分了解所求解问题3.程序编制、正确使用等要求较高控制方程数值算法划分网格离散格式初始条件边界条件结果和分析求解控制参数2.1Fluent的工程应用背景Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，只要涉及流体，热传递，及化学反应等的工程问题，都可以用Fluent进行解算。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法及强大的前后处理功能，在航天航空、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。Fluent能够解决的工程问题可以归纳为以下几个方面：1.采用三角形、四边形、四面体、六面体及其混合网格计算二维和三维流动问题。计算过程中，网格可以自适应。2.可压缩与不可压缩流动问题。3.稳态和瞬态流动问题。4.无粘流、层流及湍流问题。5.牛顿流体及非牛顿流体。6.对流换热问题（包括自然对流和混合对流）。二Fluent概述7.导热与对流换热耦合问题。8.辐射换热。9.惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟。10.多运动坐标系下的流动问题。11.化学组分混合与反应。12.可以处理热量、质量、动量和化学组分的源项。13.用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相（颗粒、水滴、气泡等）。14.多孔介质流动。15.一维风扇、热交换器性能计算。16.两相流问题。17.复杂表面形状下的自由面流动。2.2软件包相关知识2.2.1Fluent软件的组成Fluent软件设计基于CFD软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动和物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使设计速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而可以高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，Fluent开发了适用于各个领域的流动模拟软件，用于模拟流体流动，传热传质、化学反应和其他复杂的物理现象，各模拟软件都采用了统一的网格生成技术和共同的图形界面，它们之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。Fluent的软件包有以下几个部分组成。（1）前处理器，Cambit用于网格的生成，它是具有超强组合建构模型能力的专用CFD前置处理器。Fluent系列产品皆采用Fluent公司自行研发的Cambit前处理软件来建立几何形状及生成网格。另外，TGrid和Fluent（Translators）是独立于Fluent的前处理器，其中TGrid用于从现有的边界网格生成体网格，Filters可以转换由其他软件生成的网格从而用于Fluent计算。与Filters接口的程序包括ANSYS、I-DEAS、NASTRAN、PATRAN等。（2）求解器：它是流体计算的核心，根据专业领域的不同，求解器主要分以下几种类型。①Fluent4.5：基于结构化网格的通用CFD求解器。②Fluent6.2.16：基于非结构化网格的通用CFD求解器。③Fidap：基于有限元方法，并且主要用于流固耦合的通用CFD求解器。④Polyflow：针对粘弹性流动的专用CFD求解器。⑤Mixsim：针对搅拌混合问题的专用CFD软件。⑥Icepak:专用的热控分析CFD软件。（3）后处理器：Fluent求解器本身就附带有比较强大的后处理功能。另外，Tecplot也是一款比较专业的后处理器，可以把一些数据可视化，这对于数据处理要求比较高的用户来说是一个理想的选择。在以上介绍的Fluent软件包中，求解器Fluent6.2.16是应用范围最广的，所以在以后的章节中我们会对它进行详细的介绍。这个求解器既可使用结构化网格，也可使用非结构化网格。对于二维问题，可以使用四边形网格和三角形网格；对于三维问题，可以使用六面体、四面体、金字塔形以及契形单元，具体的网格见图3-1。Fluent6.2.16可以接受单块和多块网格，以及二维混合网格和三维混合网格。图3-1Fluent使用的网格的形状1.2.2各软件之间的协同关系如图3-2所示，最基本的流体数值模拟可以通过以上软件的合作而完成：UG/AutoCAD属于CAD，用来生成数值模拟所在区域的几何形状；Tgrid和Gambit是把计算区域离散化，或网格的生成，其中Tgrid可以从已有边界网格中生成体网格，而Gambit自身就可以生成几何图形和划分网格的；Fluent求解器是对离散化且定义了边界条件的区域进行数值模拟；Tecplot可以把从Fluent求解器导出的特定格式的数据进行可视化，形象地描述各种量在计算区域内的分布。图3-2各软件之间的关系图2.3.1Fluent软件包的安装Fluent的安装顺序如下：(1)安装Exceed。推荐安装Exceed6.2版本。(2)安装Gambit。单击Gambit的安装，按照提示就可以完成安装，推荐安装Gambit2.2.30。(3)安装Fluent。单击Fluent安装文件，按照提示就可以完成安装,推荐安装Fluent6.2..016。一般来说，Fluent和Gambit的安装推荐使用默认安装设置。当按照以上的安装步骤安装完毕以后，还要对Fluent和Gambit的环境变量进行设置。“开始”→“程序”→FluentIncProducts→Fluent6.2.16→Setenvironment，单击Setenvironment，就会进入如图3-3所示的对话框。单击“是”按钮就设置好了Fluent的环境变量。图3-3系统提示设置Fluent的环境变量选择“开始”→“程序”→FluentIncProducts→Gambit2.2.30→Setenvironment，单击Setenvironment，进入如图3-4所示的对话框。单击“是”按钮就设置好了Gambit的环境变量。另外，注意以上两种环境变量设置好后需要重启系统，否则仍会提示找不到环境变量。图3-4系统提示设置Gambit的环境变量1.3.2Fluent软件包的运行Fluent的运行：按照路径“开始”→“程序”→FluentIncProducts→Fluent6.2.16，或者利用桌面的快捷方式。Gambit的运行：先运行命令提示符，输入gambit，回车就可以启动Gambit，如图3-5所示。图3-5Gambit的运行2.4Fluent的简单实例2.4.1实例简介下面介绍模拟如图3-6所示管道内速度场的操作过程。其中，管道的宽度远远大于它的高度，所以侧壁对整个速度场的影响比较小，可以对速度场的模拟进行简化。简化以后的数值模拟区域如图3-7所示，这仅仅是原来管道在z=0处的XY截面，它可以看作为槽道，其长度L＝50mm，高度H=1mm。注意长宽比L/H10，这是槽道内流体充分流动的必要条件，设槽道入口处水流速度为0.1m/s。图中的黑色圆点标志几何区域的控制点，利用这些控制点就可以确定计算区域的几何形状，O点为坐标原点。图3-6矩形截面管道示意图图3-7流体计算区域示意图2.4.2实例分析当利用Fluent解决某一工程问题时，要详细考虑以下几个问题：(1)确定计算目标；(2)选择计算模型；(3)确定物理模型；(4)确定解的程序。2.4.3实例操作步骤1.利用Gambit建立计算区域和指定边界条件类型步骤1：文件的创建及其求解器的选择(1)启动Gambit软件Gambit设置好环境变量以后，可以选择“开始”→“运行”打开如图3-8所示的对话框，单击“确定”按钮。接着又会弹出如图3-9所示的对话框，单击Run按钮可以启动Gambit软件，它的窗口布局如图3-10所示。图3-8启动Gambit图3-9GambitStatup对话框图3-10Gambit窗口的布局(2)建立新文件选择File→New打开如图3-11所示的文件创建对话框。在ID文本框输入channel作为Gambit要创建的文件名。Title是对这个文件的描述，可以随意填写。如图3-11建立新文件需要注意的是，要选中Savecurrentsession复选框（呈现红色）才可以创建新文件。然后单击Accept按钮，出现如图3-12所示的关于确认保存文件对话框。单击Yes按钮，创建一个名为channel的新文件。图3-12确认保存文件对话框(3)选择求解器创建玩新文件后，需要选择对应的求解器。求解器选择可以通过单击主菜单中的Solver进行。从图3-13所示的子菜单可以看出，系统有很多种求解器类型。本例的槽道速度场是利用Fluent求解器进行求解的，所以在子菜单中选择FLUENT5/6。步骤2：创建控制点选择Operation→Gemetry→Vertex打开如图3-14的对话框。图3-13求解器类型图3-14点创建对话框在Global选项区域内的x、y和z坐标对应的三个文本框中，依次输入其中一个控制点的坐标（各个控制点的坐标可以参考图3-7得到），然后单击Apply按钮，就可以在Gambit图形窗口中出现这个控制点。若是在创建某一点时，该点没有显示出来，可以单击Gambit右下角的按钮来解决这个问题。重复上述点的创建操作，就可以在图形窗口中绘制出所有的控制点，如图3-15所示。可以按住鼠标右键并且上下拖动来缩放图形。图3-15槽道控制点示意图步骤3：创建边为了了解每个控制点的名称，单击窗口右下角即图3-16中的按钮，从而可以得到如图3-17所示的对话框。图3-16GambitControl图3-17SpecifyDisplayAttributes对话框单击Label选项前面的按钮，Label被选中，并且Label后面的On也要选中，然后单击Apply按钮，就可以看到前面绘制的各个控制点名称（如图3-18所示）。若想消除名称的显示，只要选中Label后面的Off，然后单击Apply按钮即可。图3-18各个控制点的名称的显示选择Operation→Geometry→Edge打开GreateStraightEdge对话框（如图3-19所示）。单击Vertices文本框后面的箭头，可以出现如图3-20所示的对话框。图3-19GreateStraightEdge对话框图3-20VertexList对话框在Available列表中选择vertex.2和vertex.3，然后单击向右的箭头，就会出现如图3-21所示的情形。单击图3-21中的Close按钮，然后单击图3-19中的Apply按钮确认对点的选择，可以看到vertex.2和vertex.3连成直线。对其他的控制点重复这样的操作，就可以得到如图3-22所示的四条直线围成的矩形区域。图3-21选中点后的情形步骤4：创建面按照前面提到的显示几何单元名称的方法，可以显示图形窗口中所有边和点的名称，如图3-23所示。图3-22四个控制点连成的矩形区域图3-23各几何单元名称的显示选择Operation→Geometry→Face打开CreateFaceFromWireframe对话框（如图3-24），它的功能是通过边来创建面。在创建面时，首先选择创建面的对话框中Edges后面的文本框，等它的背景色变为黄色时，就可创建面了。操作时先选中组成矩形面的四条边edge.1、edge.2、edge.3和edge.4（参看图3-