Fluent技术基础与应用实例—王瑞金-电子书

目     录

第 1 章   Fluent 概 述 1

1.1     Fluent   的 工 程 应 用 背 景 1

1.2      软 件 包 相 关 知 识 2

1.2.1    Fluent   软件的组成 2

1.2.2    各软件之间的协同关系 3

1.3     Fluent   软件包的安装及其运行 4

1.3.1    Fluent 软件包的安装 4

1.3.2    Fluent 软件包的运行 5

1.4     Fluent    的 简 单 实 例 5

1.4.1    实例简介 6

1.4.2    实例分析 6

1.4.3    实例操作步骤 6

第 2 章 流 体 力 学 基 础 知 识 33

2.1     流体力学基本方程及边界条件 3

2.1.1    流体力学基本方程组 3

2.1.2     初始条件和边界条件 36

2.2      流 体 力 学 基 本 概 念 40

2.2.1    流体运动的分类 40

2.2.2    描写流体运动的两种方法—拉格朗日方法和欧拉方法 40

2.3     粘性不可压缩流体运动 40

2.3.1    基本概念 40

2.3.2    边界层 42

2.3.3    层流 43

2.3.4    湍流 4

2.4      如 何 解 决 力 学 问 题 4

第 3 章 流 体 力 学 数 值 模 拟 基 础 46

3.1      数 值 模 拟 方 法 和 分 类 46

3.2     基 于FVM   的流体力学方程离散方法 47

3.3     FVM   的 求 解 方 法 48

3.4     有限体积法的基本思想 49

第1章  Fluent  概 述

【内容提要】

本章将重点介绍Fluent 软件包的基本组成和工程应用背景。为了更好地了解Fluent,

通过一个简单的算例，介绍了Fluent 操作的基本步骤，进而说明了Fluent  的一些基本功能。

【学习重点】

Fluent 软件学习所需的基础知识和实际的操作步骤。

1.1    Fluent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、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、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。例如，石油天然气工业上的应用就包括燃烧、井下  分析、喷射控制、环境分析、油气消散/聚积、多相流、管道流动等。

Fluent 能够解决的工程问题可以归结为以下几个方面：

●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。

●可压缩与不可压缩流动问题。

●稳态和瞬态流动问题。

●无粘流、层流及湍流问题。

●牛顿流体及非牛顿流体。

●对流换热问题(包括自然对流和混合对流)。

●导热与对流换热耦合问题。

● 辐射换热。

●惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟。

●多运动坐标系下的流动问题。

●化学组分混合与反应。

●可以处理热量、质量、动量和化学组分的源项。

● 用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相(颗粒、水滴、气泡等)。

Fluent技术基础与应用实例           

● 多孔介质流动。

●一维风扇、热交换器性能计算。

● 两相流问题。

●复杂表面形状下的自由面流动。

1.2 软件包相关知识

1.2.1  Fluent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计算速度、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的软件包由以下几个部分组成。

(1)前处理器： Gambit 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Gambit 前处理软件来建立几何 形状及生成网格。另外，TGrid    和 Filters(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。

● Fluent 4.5: 基于结构化网格的通用CFD 求解器。

● Fluent 6.2.16: 基于非结构化网格的通用CFD 求解器。

● Fidap: 基于有限元方法，并且主要用于流固耦合的通用CFD 求解器。

● Polyflow: 针对粘弹性流动的专用CFD 求解器。

● Mixsim: 针对搅拌混合问题的专用CFD 软件。

● Icepak: 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Fluent 6.2.16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，金字塔形以及楔形单元，具体的网格形状见图1-1。Fluent   6.2.16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。

1.2.2  各软件之间的协同关系

如图1-2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/CAE  软件，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。

1.3    Fluent软件包的安装及其运行

由于Fluent 软件包安装的特点，有必要详细地介绍它的具体安装步骤和注意事项。

1.3.1  Fluent软件包的安装

介绍安装步骤之前，先简单介绍一下 Exceed 。Exceed   是 在 Windows  环境下模拟的 UNIX 软 件 ，Gambit  是 Fluent  的前处理软件，用来为Fluent  建立计算区域及其区域内的网 格划分，但是Gambit 必须在UNIX 环境下才可以运行。

Fluent 的安装顺序如下：

(1)安装Exceed 。推荐安装Exceed   6.2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Gambit

2.2.30。

(3)安装Fluent。单 击Fluent 的安装文件，按照提示就可以完成安装，推荐安装Fluent

6.2.16。

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” →Fluent   Inc   Products→Fluent   6.2.16→Set   environment, 单 击 Set   environment,   就会进入如图1-3所示的对话框。单击“是”按钮就设置好了Fluent  的环境 变 量 。

选 择 “ 开 始 ” → “ 程 序 ” →Fluent       Inc       Products→Gambit       2.2.30→Set        environment,  单 击 Set    environment, 进入如图1-4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 。

更多内容见附件

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