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敢问路在何方？浅谈Fluent流体工程师的进阶之路

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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仿真圈

1年前浏览2803

Fluent软件的学习包含基础部分和进阶部分，通常我们学习Fluent软件，都是从一个最简单的三通管开始的。

图1 Fluent的标准初学案例——三通管混合换热

ANSYSFluent官方的基础培训课程表，通常只包括以下几个方面：

●几何与网格的前处理

●基本界面操作

●边界条件及材料设定

●求解设定及收敛条件

●仿真后处理

关于Fluent基础物理模型的培训，也只包含3个最为常用的物理场景：

●基础湍流模型

●基础传热模型

●瞬态问题分析

通常情况下，学完了以上的课程，可以认为我们掌握了基本的Fluent技能，可以解决一般性的、简化后的流体分析问题，具备了初级的流体仿真能力。

图2 基础Fluent培训课表

当然，仅仅具备这些基础的流体仿真技能还是远远不够的，Fluent软件的本质仍旧属于工程，仿真的目的是为了解决实际的工业问题。因此，如果我们使用Fluent进行计算的情形不能应用在产品上，不能为研发、设计提供支持，那么这一切将毫无意义。

随着Fluent软件十几年的发展，目前已经广泛应用于航空、航天、能源、电力、石油、化工、机械、传播、电子、生物等多个行业。对于绝大多数的工业品，也都对应有相对成熟的流体仿真方案。

但是，几乎所有的Fluent行业应用，都不能仅仅依靠基础的流体技术来完成，必须要借助进阶的Fluent模型才能够满足不同产品的特有需求。这也对我们Fluent 工程师提出了更高的要求，只有掌握高级的Fluent模型和适合产品的仿真方法，才能真正的成为一名合格的仿真工程师。

那么，在各个行业中，有哪些Fluent的进阶模型是需要我们学习和掌握的呢？不同的工业品对应的仿真思路和方法又有哪些侧重？接下来就简单的做以介绍。

图3Fluent工程师的进阶之路

★ 进阶之路一：多相流模型

FLUENT中的多相流模型广泛的应用于石油、化工、核工业、能源等行业，涉及到的工业品有鼓泡塔、旋风分离器、流化床、核工业品等。如果我们已经从事或希望在以后的工作中从事这一类产品的仿真工作，那么多相流模型就是必不可少的技能。

多相流可以帮助我们研究难以探测的设备，理解复杂的相间现象。欧拉多相流模型利用流体方程的分离方法，可以有效求解流体或相间的相互渗透；拉格朗日多相流（DPM）模型适用于离散相的仿真计算，如喷雾干燥器、煤炭燃烧、液体燃料注入等；VOF模型可以追踪不相溶相间的界面，但并不过多的增加计算的规模；相变模型（Phase Changes）可以计算蒸发/冷凝、融化/凝固等现象，很多都是当下最为热门的仿真需求。

图3 Fluent中的多相流仿真

★ 进阶之路二：多重参考系和动网格模型

FLUENT的多重参考系和动网格模型是非常强大的，允许我们模拟任意的、复杂的相对运动，如内燃机、阀门、漂浮船只、火箭发射等场景，都可以使用Fluent进行仿真。如果我们希望以后在航空、航天、汽车、能源等行业继续仿真的工作，那么掌握多重参考系和动网格技术，则是一个明智的选择。搅拌器、水泵、离心机、压气机等旋转机械在各个行业的应用都离不开仿真的支持。因此，多重参考系与动网格模型，也是一条实用的Fluent工程师进阶之路。

图4 Fluent中的旋转机械仿真

★ 进阶之路三：声学模型

气动声学对许多工业应用而言，都是一个关注的重点，FLUENT则可以计算由不稳定压力波引起的噪声。如果我们的工程师希望以后在电机、风机等旋转机械领域拓展自我的技术特长，或是工作在汽车、航空、航天等涉及到NVH的行业，那么对于气动声学（噪声）的仿真需求，仍旧是非常巨大的。

Fluent中具备多种声学模型，可以计算气动噪声来源的相关问题，如：瞬态的大涡模拟，可以预测并得到压力分布，随后通过内置的快速傅立叶变换工具，可以将其转换为频率频谱；FW-H模型可以模拟从钝体障碍物到旋转的风扇叶片等气动声源的传播。宽频噪声源模型允许基于稳态进行仿真，是一个快速评估修改设计的实用工具。当然，FLUENT还可以与其他声学软件如ACTRAN，SYSNOISE进行耦合，联合对声场进行精确仿真。因此，掌握Fluent的声学技术，实际上是相当一部分流体工程师稳妥可靠的进阶之路。

图5 Fluent中的声学仿真

★ 进阶之路四：热辐射与高级传热模型

虽然换热模型是Fluent中最为基础的求解设置，但是对于行业内的一些复杂问题，仍旧要求我们工程师掌握更多的进阶技能才能准确完成任务。无论是传统的电子散热行业，还是当下最受欢迎的新能源电池行业，或是相对冷门的室内环境优化（如农学等），对于仿真的需求还是相对较高的。因此，掌握高级的传热模型和热辐射技术，也是Fluent工程师进阶的一条快速道路。

图6 Fluent中的高级传热仿真

★ 进阶之路五：燃烧与化学反应

Fluent中的燃烧与化学反应模型可以仿真绝大多数的气体、煤、液体燃料等进行燃烧的过程，也具备仿真气体和固体表面（给定材料）之间的反应的能力。与此同时，Fluent还能够对NOx、SOx和其它污染物的形成进行准确的预测。这些燃烧与化学反应的仿真方法在多个行业都有广泛的应用，如石油、石化、能源、电力、汽车、航空等。

大量的相关产品在设计之初，也都希望拥有仿真的支持，比如LNG储罐的泄露、锅炉燃烧效率、喷雾器的燃烧、颗粒表面沉降等。当然，这些问题对应的难度也相对较大，往往需要与多相流模型、高级湍流模型、热辐射模型等联合使用。

可以毫不夸张的讲，熟练掌握Fluent燃烧与化学反应技能的工程师，是整个流体仿真行业中最炙手可热、最具技术含量的。

图7 Fluent中的燃烧与化学反应仿真

★ 进阶之路六：多物理场（流固）耦合流固耦合是流体力学与结构力学交叉而生的一门力学学科，主要研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位移对流场的影响。

因此，能够熟练使用流固耦合的工程师必须要同时掌握结构和流体两类完全不同的软件，本质上可以认为也属于Fluent工程师的进阶方向。需要注意的是，我们所熟识的自然界中大部分现象都是流固耦合的结果，而日常单纯的流体仿真计算，则是需要忽略固体的变形才能有效进行下去。

随着仿真技术的发展，越来越多的产品在设计阶段无法忽视多场之间的相互影响，而是希望主动去研究，以得到更加准确的结论。在这样的环境下，多场耦合技术将在不远的未来变成Fluent工程师的“必修课”，因此，学习额外的多物理场耦合仿真知识（结构、电磁等），也是对流体工程师推荐的前进方向。

图8 基于Fluent的流固耦合仿真

虽然“条条大路通罗马”，但“艺多不压身”虽然每条进阶的Fluent之路看似相对独立，但是实际上对于每个流体工程师而言，具备完整全面的仿真能力也是必要的。正所谓“艺多不压身”，下面几条“看家本领”无疑能够广泛应用在所有的工业品设计环节，成为流体工程师的技能支撑。
★ 看家本领一：参数化与优化设计
参数化仿真，其主要的作用是实现多工况的重复执行工作，可以为CAE工程师节省大量的时间成本，将人工的操作交由电脑来完成。因此，掌握参数化技术，可以高效解放工程师的双手，也可以让工程师把更多的精力放在更为复杂的研究分析之中，避免陷入简单重复劳动的低效陷阱。

优化设计也是全行业需求的技能，Fluent可以与Workbench联合使用，进行参数优化；并结合DOE等多种算法，进行响应面的计算，从而获得最优解。同时，Fluent还具备基于伴随求解器（adjoint solver）的拓扑优化技能，可以进行高自由度的流体仿真优化，是强大的设计工具。
★ 看家本领二：用户自定函数
Fluent中的用户自定义函数UDF是灵活、强大的二次开发工具，广泛的应用在几乎所有的流体仿真产品之中。由于Fluent的基本界面功能相对有限，无法实现实际产品的特殊要求（如材料属性随时间变化、发热功率和温度有关等），这就需要我们进行额外的编程来扩展案例的可靠性。

因此，UDF也属于Fluent工程师必备的“武艺”之一，如果我们希望在流体仿真领域具备独立完成任务的能力，那就必须掌握UDF。
★ 看家本领三：湍流技术
湍流是流体区别于固体特性的最主要因素，也是随机性的代名词，可以说，流体的仿真研究其实就是各种湍流的研究，难点也集中在湍流。

Fluent软件中的湍流模型，实际上是汇集了几代流体力学学家的智慧和心血，当然也提供了多种多样的选择。

如果一名Fluent仿真工程师不懂湍流，那恐怕也是对不起自己流体从业者的名头。因此，掌握湍流技术是任何一名流体相关人员的必修课。

对于想要从事流体仿真工程师岗位的高校学生和转行工程师来说，仅仅是掌握了Fluent软件的操作方法，并不等于会做仿真。

仿真是一整套体系，仿真工程师的成长也是一整套体系。

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