FLUENT软件实际入门操作.docx

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FLUENT软件实际入门操作

求解技术（Solve）

Solve>Controls>Solution…

计算格式的选择

一阶迎风格式：

适用于流动方向与网格方向基本一致，结构化网格。

具有稳定性高，计算速度快的优点。

在网格方向与流动方向不一致时，产生的数值误差比较大。

二阶格式：

计算时间比较长，收敛性差。

合适的计算方式：

在计算开始时先用一阶格式进行计算以获得一个相对粗糙的解，在计算收敛后再用二阶格式完成计算以提高解的精度。

避免二阶格式收敛性差、计算时间长的问题，也避免了一阶格式在复杂流场计算中数值误差大的问题。

QUICK格式：

对于结构网格计算旋转流动问题时，计算精度高，但在其它情况下，QUCIK格式的精度与二阶格式相当。

指数律格式：

与一阶格式精度基本相同。

中心差分：

在LES湍流模型中使用，且应该在网格足够密集、局部Peclet数小于1的情况下使用。

压强插值格式的选择

1在彻体力对流场有很大影响的情况下，应该选择彻体力加权（body-force-weighted）格式。

2在流场中有涡量很大的集中涡、高雷诺数自然对流、高速旋转流、多孔介质，以及流线曲率很大时，应该选择PRESTO!

格式。

3对于可压流，应该使用二阶格式。

4二阶格式不能用于多孔介质计算和多相流计算中的混合物模型及VOF模型。

在其他情况下，为了提高精度可以选用二阶格式。

密度插值格式的选择

在用分离算法计算单相可压流时，有三种密度插值格式可供选择，即一阶迎风格式、二阶格式和QUICK格式。

一阶迎风格式具有良好的稳定性，但是在计算带激波的可压流时，会对激波解产生“抹平”作用，因此应该选用二阶格式或QUICK格式。

在用四边形网格、六面体网格或混合网格计算带激波的流动时，最好使用QUICK格式计算所有变量。

需要注意的是，在计算可压多项流时，只能用一阶迎风格式计算可压缩相的流动。

Solve>Controls>Solution…

Discretization（离散）

定义动量、能量、湍流动能等项目，有一阶迎风格式、二阶迎风格式、指数律格式、QUICK格式和中心差分格式（在LES湍流模式计算中），也可以在使用耦合求解器时，定义湍流动能、湍流耗散率等项目，并为这些项目选择一阶迎风格式、二阶迎风格式。

Pressure-VelocityCoupling（压强——速度关联）

SIMPLE：

FLUENT缺省设定格式。

SIMPLEC：

（1）稳定性较好，可以将亚松弛因子适当放大。

（2）在层流计算中，在没有使用辐射模型等辅助方程时可以大大加速计算收敛速度。

在复杂流动计算中，二者收敛速度相差不多。

PISO：

（1）非定常计算

（2）允许使用较大的时间步长进行计算，可以缩短计算时间（大涡模拟LES这类网格划分较密集，时间步长小的除外）

（3）处理网格畸变较大的问题，如果在PISO格式中使用邻近修正（对动量进行修正）（neighborcorrection），可以将亚松弛因子设为1.0或接近于1.0的值。

而在使用畸变修正（skewnesscorrection）时，则应该将动量和压强的亚松弛因子之和设为1.0，比如将压强的亚松弛因子设为0.3，将动量的亚松弛因子设为0.7。

如果同时采用两种修正形式，则应将所有松弛因子设为1.0或接近于1.0的值。

Under-RelaxationFactors（亚松弛因子）

条件：

复杂流动情况下，缺省设置不能满足稳定性要求，计算过程中可能出现振荡、发散等情况，减小亚松弛因子，以保证计算收敛。

如果实际的残差曲线向上发展，则中断计算，适当调整亚松弛因子。

计算发散时，可以考虑将压强、动量、湍流动能和湍流耗散率的亚松弛因子的缺省值分别降低为0.2、0.5、0.5、0.5。

库朗数

库朗数越大，时间步长就越长，计算收敛速度就越快。

库朗数都应该在允许的范围内尽量取最大值。

Solve>Controls>Limits…设置求解极限

意义：

避免出现非物理解，比如密度或温度变成负值，或者大得远选超过真实值。

Solve>Initialize>Initialize…全局初始化

开始进行计算之前，必须为流场设定一个初始值。

设定初始值的过程被称为“初始化”。

初始化的步骤：

（1）设定初始值

Ø用某个区域上设定的初始值进行全局初始化

ComputeFrom----选择需要定义初始值的区域名----InitialValues

Ø用平均值的办法对流场进行初始化

ComputeFrom----all-zones----InitialValues

（2）对于动网格，通过“Absolute”or“RelativetoCellZone”来决定。

（3）点击Init。

Solve>Initialize>Initialize…初始值进行局部修补

步骤：

（1）在Variable（变量）列表中选择需要修补的变量名。

（2）在ZonesToPatch（需要修补的区域）或RegistersToPatch（需要修补的标记区）中选择需要修补变量所在的区域。

（3）如果需要将变量的值修补为常数，则直接在输入栏中输入变量的值。

如果需要用一个预先设定的函数定义变量，可以在UseFieldFunction（使用场变量函数）中的FieldFunction（场函数）列表中选择合适的场函数。

（4）如果需要修补的变量为速度，则除了定义速度的大小，还要定义速度为绝对速度，还是相对速度。

（5）点击Patch（修补）按钮更新流场数据。

流场求解

Solve>Iterate…定常问题计算

时间相关问题的计算

FLUENT模拟的时间相关问题：

旋涡卷动、可压缩振荡、瞬态热传导、瞬态化学反应与混合流动等问题，比如圆柱后面卡门涡街中旋涡的生成和脱落过程等等。

求解器设置步骤：

（1）求解器面板的启动步骤为：

Define->Models->Solver...

首先选中Unsteady（非定常）选项，然后再在UnsteadyFormulation（非定常算法）中选择所需要的算法。

在选择耦合显式求解器时，可以使用Explicit（显式）格式。

显式格式主要用于激波等波动解的捕捉问题。

在使用分离求解器时，还可以选择UseFrozenFluxFormulation（使用冻结通量格式）选项，但是这个选项只能在用分离求解器计算单相流问题时使用，同时计算中还不能使用动网格技术。

（2）定义相关物理模型和边界条件。

（3）如果选用了分离求解器，则应该在压强－速度关联方法中选择PISO格式。

在用LES湍流模型计算湍流问题时，不应该选择PISO格式，那样会增加系统资源消耗。

（4）如果使用的是显式非定常计算或适应性时间推进法，应该在每步迭代中打开当前时间或当前时间步长的print选项。

这项操作在StatisticMonitors（统计数据监视器）面板中完成，通过下列菜单操作可以进入这个面板：

Solve->Monitors->Statistic...

在Statistics（统计数据）列表中选择time（时间）或delta_time（时间增量），并打开Print选项。

当FLUENT在控制台窗口打印残差信息时，就会出现当前时间或当前时间步长。

（5）可以用ForceMonitors（受力监视器）或SurfaceMonitors（表面监视器）面板监视随时间变化的受力系数的值或平均值、质量平均值、积分或场变量通量，或者任意一个函数在表面上随时间变化的情况。

（6）用SolutionInitialization（求解初始化）面板设定初始条件：

Solve->Initialize->Initialize...

还可以读入一个定常状态的数据文件来设定初始条件：

File->Read->Data...

（7）用自动保存功能定义文件名和在迭代过程中自动保存算例文件和数据文件的频率：

File->Write->Autosave...还可以用ExecuteCommands（执行命令）面板自动执行系统命令。

（8）如果想创建解的动画过程，可以使用SolutionAnimation（求解动画）面板设置动画显示参数。

（9）监视时间数据的步骤如下：

1）在Iterate（迭代）面板中打开DataSamplingforTimeStatistics（时间数据采样）选项：

Solve->Iterate...

打开这个选项可以同时显式平均值和均方根值。

2）初始化流场统计数据：

Solve->Initialize->ResetStatistics

用这个菜单还可以在收集了一些数据后重置流场数据。

比如在将时间采样选项打开的情况下先计算10步，检查计算结果，然后再计算10步，则时间统计数据中将包括前面10步的数据，除非重新对流场统计数据进行初始化。

（10）指定时间相关解的参数并开始计算，对于定常、非定常计算的步骤如下：

1）如果选择一阶或二阶精度隐式计算，步骤如下：

Solve->Iterate...

通常在计算开始时，时间步长取得较小，而在后续的计算中则可以逐步增加时间步长。

在缺省设置中，时间步长是固定的，如果需要让时间步长随计算进程发生变化，可以选择AdaptiveTimeStepping（适应性时间推进）法中的Adaptive（适应性步长）选项。

2）显式非定常计算的步骤如下：

在SolutionControls（求解过程控制）面板中保留SolverParameter（求解器参数）缺省设置：

Solve->Controls->Solution...

Solve->Iterate...进行迭代

监视残差Solve->Monitors->Residual...orPlot->Residuals...

分离算法中的残差是守恒方程两端数值的差值在所有网格点上的和，耦合算法中的残差则是各变量的时间变化率在所有网格点上的均方根。

各按键说明：

Print:

是否在控制台窗口中以文本方式输出残差的数值。

Plot:

是否绘制残差曲线。

Iterations:

选择保存几个迭代步上的残差值。

Normalize:

否对残差进行正则化处理（残差的正则化是将残差值除以最大残差值的变换过程）。

Scale:

是否进行缩尺处理。

Plotting:

残差的窗口显示风格。

Axes:

字体。

Curves:

显示线型。

Iterations:

显示迭代点数。

监视统计数据Solve->Monitors->Statistic...

步骤：

在计算过程中，可以监视周期流动的压强梯度和温度比、非定常流动所用时间、适应性时间推进过程中的时间步长等参数。

1）指定输出类型

2）选择需要监视的变量

力和力矩监视器Solve->Monitors->Force...

步骤：

（1）指定输出类型

（2）如果需要对作用在某个壁面上的力和力矩进行监视，可以打开PerZon（分区）选项。

（3）在Coefficient（系数）列表中选择Drag（阻力）、Lift（升力）或Moment（力矩），以显示相应的系数。

（4）在WallZones（壁面区）列表中选择壁面名称。

（5）如果选择显示阻力或升力，则在ForceVector（力矢量）中输入力矢量的X、Y、Z分量。

如果选择显示力矩，则在MomentCenter（力矩中心）中输入力矩中心的直角坐标值，然后在About（转动轴方向）列表中选择力矩矢量的方向，即X-Axis、Y-Axis或Z-Axis。

（6）点击Apply（应用）按钮完成设置。

如果需要设置其他参数，则重复上述过程。

监视表面积分Solve->Monitors->Surfaces...

在每次迭代结束后，还可以在某个面上对特定的流场变量进行积分，并以文本、图形和文件形式输出积分结果。

比如，在以计算压强为目的的计算中，可以在某个面上监视压强的变化过程。

步骤：

（1）在SurfacesMonitors旁边的输入栏中填入准备开启的监视器数量，也就是需要监视变量的数量。

（2）在Name（名称）下面的栏目中加入各监视器的名称。

在Plot、Print、Write下面选择变量的输出方式，即选择图形方式、文本方式和文件方式。

（3）在Every下面选择显示变量的频率，可以选择每个Iteration（迭代步）、每个TimeStep（时间步）更新一次监视器窗口。

（4）点击Define（定义）按钮进入DefineSurfaceMonitors（定义表面监视器）面板。

（5）在DefineSurfaceMonitors面板中可以顺序定义监视器名称、报告类型、X轴变量、显示窗口编号、变量名、积分表面、输出文件名等等，还可以定义图形显示的字体、曲线线型等等。

体积分监视器Solve->Monitors->Volume...（与分积分监视器相似）

定义动画演示序列Solve->Animate->Define...

AnimationSequences:

创建动画的数量

Active:

激活

Animationsequence:

动画序列

Storagetype:

保存类型

Displaytype:

显示类型

包括：

包括网格（Grid）、等值线（Contours）、矢量（Vector）、XY曲线（XYPlot）和监视器（Monitor）五种形式。

FLUENT保存动画的方式：

Inmemory内存，metafile图元，PPMImage位图三种方式。

如果生成的动画不大，可以选择保存在内存中。

如果需要将动画文件保存在硬盘上，可以选择图元或位图方式。

其中图元格式的动画文件占用硬盘空间比较大，如果硬盘空间不大，最好选择位图方式。

Properties:

进行详细设置

播放动画Solve->Animate->Playback...

StartFrame:

开始帧

EndFrame:

结束帧

Playonce:

播放一次

Autorepeat:

自动重播

Autoreverse:

自动回放

？

？

计算过程中执行命令Solve->ExecuteCommands...

收敛判断

常规方法：

观察残差曲线，曲线下降则意味着计算收敛。

（下降3个数量级可近似认为计算收敛）

另外：

观察流场变量的变动情况，重要的流场变量在经过一段时间的计算不再变化，则意味着计算已经收敛。

判据：

流场变量的变化幅度。

加速收敛

解决办法：

减小亚松弛因子的值。

原因：

计算发散的最常见原因是由方程的非线性引起的，而亚松弛因子是用线性稳定性分析得到的，因此减小亚松弛因子可以让计算回到稳定域中。

其它原因：

初始流场的设置引起，即初始流场给的过分粗糙。

FLUENT的物理模型

衡量流体可压缩性的指标：

马赫数，马赫数<0.3时，气体通常被认为是不可压流体，马赫数>0.3时，气体的压缩性影响逐渐增强，必须考虑压缩性影响。

马赫数：

流场中某点的速度与该点处的声速之比。

空气压缩性的重要参数。

飞行器速度在Ma0.3以下可以认为是低速（可以不考虑空气压缩性影响）；速度在Ma0.8以下的为亚音速；在Ma0.8~1.2上下为的跨音速；Ma1.2~5的为超音速、Ma5.0以上的为高超音速。

可压与不可压区别：

可压在计算过程中引入了粘性加热效应，需要在定义粘性影响和湍流模型的Viscous面板中，打开ViscousHeating选项，同时需要在物质属性设置中打开理想气体选项，即在Material面板的Density旁边打开Ideal-gas选项。

可压缩计算边界条件设定：

（1）在流场入口：

…压强入口条件：

给定入口总温、总压，在超音速入口时，还需设定静压。

…质量流入口：

给定入口质量流和总温。

（2）在流场出口：

…压强出口条件：

给定出口静压。

在计算结束后，可以报告的项目包括总温、总压和马赫数等参数。

无粘流Define>Viscous>Inviscid

湍流模型

湍流模型计算比较：

一方程模型（Spalart-Allmaras模型）计算最快，二方程（ε−k模型、ω−k模型、fv−2模型）模型次之，雷诺应力模型RSM最慢。

近壁流动的处理：

两种方法

（1）用半经验公式将自由流中的湍流与壁面附近的流动连接起来，这种方法被称为壁面函数法。

（2）在壁面附近加密网格，同时调整湍流模型以包含壁面影响的方法，被称为近壁模型法。

多相流模型

VOF模型混合物模型欧拉模型

适用范围

VOF模型：

适合于求解分层流和需要追踪自由表面的问题，比如水面的波动、容器内液体的填充等等。

适用于计算空气和水这样不能互相参混的流体流动，比如射流破裂过程、大型气泡在液体中的运动、大坝溢流以及追踪气液自由表面的问题。

计算中VOF法的限制是必须使用分离求解器，只有一种物相可以是可压缩流体，不能计算流动方向的周期性流动、组元混合与反应流动和无粘流动，不能与大涡模拟（LES）同时进行计算，不能采用二阶隐式时间推进格式，不能使用壁面的薄壳传导模型。

VOF方法通常用于模拟流体的非定常运动过程，但是也可以模拟定常运动问题。

混合物模型：

适合计算体积浓度大于10%的流动问题。

混合物模型是一个简化的多相流模型，可以用于模拟存在相对运动速度的多相流问题，其应用范围包括粒子沉降过程、旋风分离器以及小体积比的气泡流动等问题。

在使用上除了上面VOF法中提到的限制外，混合物模型还不能进行固化和熔化的计算。

欧拉模型：

适合计算体积浓度大于10%的流动问题。

欧拉模型可以模拟的多相流问题中，如果内存足够大的话，可以模拟任意数量物相的流动，但是在非常复杂的多相流问题中，计算的稳定性也是对求解的一个限制。

在欧拉模型计算中，各种物相受到的背景压强是一样的，每种物相的动量方程和连续性方程都是单独求解的。

对于流场中的固体颗粒，每种颗粒的温度都可以用代数方程来计算，而剪切和粘性则用动力学理论求出。

针对不同的物相，可以采用不同的阻力系数计算函数。

计算中可以针对每一种物相，或其混合物，采用ε−k湍流模型进行湍流计算。

欧拉模型在计算上的限制是只能采用ε−k模型进行湍流计算，只能对主要物相进行粒子跟踪，不能模拟流向周期流、可压流、无粘流、熔化和固化过程、组元输运和化学反应流动，计算中不能使用二阶隐式时间推进格式。

混合物模型与欧拉模型的取舍方法

（1）如果弥散相粒子广泛地分布在流场各处，则采用混合物模型；如果弥散相粒子集中在流场的某个区域，则应该采用欧拉模型。

（2）在相间阻力定律适用于所计算的问题时，欧拉模型通常比混合物模型的计算精度更高。

如果不知道相间阻力定律是否适用于所计算的问题，则可以选择使用混合物模型。

（3）混合物模型需要的系统资源较少，计算速度较快。

欧拉模型比混合物模型精度高，但是计算时间长，稳定性也较差。

问题设置和计算流程

Define->Models->Multiphase...

面板上需要输入的内容：

VOF:

物相总数计算格式是否采用隐式彻体力计算

混合物模型：

物相总数是否计算滑移速度是否采用隐式彻体力计算是否考虑空穴效应

欧拉模型：

物相总数是否考虑空穴效应

物相总数最多可以设置为20

注：

在混合模型中可以关闭滑移速度，让所有物相以同一速度运动。

如果在计算中需要考虑某个物相的压缩性，最好将这个物相设为主要物相（primaryphase）。

如果在某个边界上设定了总压（totalpressure）值，则在同一个边界上设定的温度值，对于可压缩物相就等于其总温，而对于不可压物相则等于其静温。

对于质量流入口条件（massflowinlet），需要定义每一个物相的质量流或质量通量。

材料拷贝

Define->Materials...

VOF模型

Interaction…（干扰）：

表面张力以及壁面附着

混合物模型

混合物模型中主要相和次要相的定义过程与VOF模型基本一样，区别是在定义次要相时可以定义颗粒的直径。

欧拉模型

颗粒次要相的设置过程：

（1）在Phase（物相列表中选择phase-2）

（2）点击Set按钮打开SecondaryPhase（次要相）面板

（3）在Name（名称）栏中设定物相名称

（4）在PhaseMaterial（物相材料）列表中选择物相材料

（5）定义材料性质

（6）打开Granular（颗粒）选项

（7）如果要冻结颗粒相的速度场，则打开PackedBed（充填床）选项。

打开这个选项后，在流场的其他区域也要将颗粒相的速度定义为0

（8）在SecondaryPhase（次要相）面板中定义下列参数，即直径、颗粒粘度、体积粘度、摩擦粘度、内摩擦角、颗粒扩散系数、最大体积百分比等参数，这些参数均用于计算相间动量和能量交换过程计算。

（9）点击OK按钮完成设置过程

相间干扰因素的综合考虑：

（1）在PhaseInteraction（相间干扰）面板中，点击Drag（阻力）标签

（2）在使用欧拉模型时，如果流动是湍流，则定义多相流的湍流模型

（3）如果流动中需要考虑彻体力作用，则打开重力选项，并定义重力加速度

（4）在流场边界上定义边界条件

（5）设置求解参数

（6）在初始化流场后，可以为各物相设置初始分布。

在非定常计算中，这个初始场就是初始流场；对于定常流计算，设置初始分布可以增加计算初始阶段的稳定性。

可以在Patch（补丁）面板中，用打补丁的方法为次要相设置初始体积百分比：

Solve->Initialize->Patch...

如果需要打补丁的区域已经被定义为独立的网格区域，可以直接将体积百分比的值定义在这个区域上。

如果没有定义这样的区域，可以在网格中创建标志区域（register），然后再将体积百分比的值定义在上面。

（6）在VOF计算中应该将参考压强点（referencepressurelocation）设在密度最小的地方，如果流场中存在气体区域，则应该将参考压强点设在气体区域中。

压强计算应该采用PRESTO!

格式。

体积百分比计算应该采用二阶格式或QUICK格式。

在非定常计算中，推荐使用PISO格式，并且所有亚松弛因子可以设置为1，而在使用四面体网格或三角形网格时，则建议将亚松弛因子设为0.7到0.8之间。

如果计算中采用的是定常隐式VOF格式，则可以将所有亚松弛因子设在0.2到0.5之间。

热交换模型

（1）首先在Energy面板中激活EnergyEquation选项。

（2）加入粘性加热项。

在流体中剪切力很大的流动问题时，比如在计算高速、可压缩流动时，应该能量方程中加入粘性加热项。

VisousHeating（粘性加热）

（3）在流场的入口、出口和壁面上设置热力学边界条件。

在入口和出口条件中可以设置温度，在壁面上可以设置热流通量、温度、对流换热、外部辐射以及外部辐射与对流的混合边界条件。

（4）定义材料属性。

在定义材料属性时，热容和导热系数是必须定义的。

在定义过程中，也可以根据需要将各种材料属性定义为温度的函数。