1、 Fluent 简明教程1。用 fluent 解决问题：a 定义模型目标从 CFD 模型中需要得到什么样的结果？从模型中需要得到什么样的精度。b 选择计算模型如何隔绝所要的模拟系统，计算区域的起点和终点是什么？在模型的边界处理处使用什么样的边界条件？二维还是三维问题？什么样的网格拓扑结构适合解决问题？c 物理模型的选取：无粘，层流还是湍流？定常还是非定常？可压流还是不可压流？是否否需要应用其它的物理模型？d 确定解得程序：问题是否可以简化？是否可以使用确使用缺省的解得格式与参数值？采用哪种解格式可以加速收敛？使用多重网格计算机的内存是否够用？得到收敛解需要多久的时间?2.解决问题的步骤：a 创
2、建网格b 选择合适的计算器：2D 、3D 、2DDP、3DDPc 输入网格d 检查网格e 选择解得格式f 选择需要解得基本方程：层流还是湍流（无粘） 、化学成分还是化学反应、热传导模型等。g 确定所需要附加的模型：风扇、热交换、多孔介质等。H 指定材料的物理性质I 指定边界条件J 调节解得控制参数K 初始化流场L 计算解M 检查结果N 保存结果O 必要的话，细化网格，改变物理模型。3。非耦合求解方法主要用于不可压缩或压缩性不强的流体流动。耦合求解则可以用在高速可压缩性流动。耦合隐式求解能较快的得到收敛解，但所需内存较大，在内存不顾的情况下可以考虑用耦合显示求解，但收敛时间较长。4。对于所有流动
3、，Fluent 都需要求解质量和动量守恒方程，对于包含传热和可压缩性流动，还需要能量守恒方程。如果是湍流，还要相应的输运方程。5。如果流动和传热不是耦合的，那么我们可以先求解绝热流动场，然后加进能量方程。即：可以先关闭动量或者能量方程中的一个，先求解另外一个。如果流动和温度是耦合的，那么可以先求解流动方程，收敛后在激活能量方程，在一起求解。Coupled solver 总是同时求解流动和能量方程。6。湍流模型：大致分为三类:第一类是湍流输运系数模型。模型的任务是给出计算湍流粘性系数 的方法。根据建立模型所需要的微分方程数目，可分为零方程模型，单方程模型和双方程模型。第二类是抛弃了湍流输运系数的
4、概念，直接建立湍流应力和其它二阶关联量的输运方程。第三类是大涡模拟。7。雷诺平均就是把 N-S 方程中的瞬时变量分解成平均量和脉动量两部分。8。单方程模型：只需求解湍流粘性的输运方程，并不需要求解当地剪切层的厚度。对于求解有壁面流动影响流动及逆压力梯度的边界层问题有很好的模拟效果，在透平机械湍流模拟方面也有比较好的效果。其属于低雷诺数湍流模型，故需要很好的解决边界层的粘性影响区求解问题。其对网格粗糙带来的数值误差不是太敏感。但 Spalart-Allmaras 模型不能预测各向同性湍流的耗散，而且其没有考虑长度尺度的变化，故对一些流动尺度变化较大的流动问题也不适用。9。标准 k- 模型：需要求
5、解湍流动能及其耗散率方程。该模型假设为完全湍流、分子粘性的影响可以忽略，故其只适用于完全湍流的流动过程模拟。10 RNG k- 模型，在 Fluent 中，如果是默认设置，则其实针对高雷诺数的流动问题，如是对低雷诺数问题进行分析，则需进行相应的设置。11、可实现的 k- 模型：该模型适合的流动类型比较广泛，包括有旋均匀剪切流、自有流（射流和混合层） ，腔道流动和边界层流动。对以上流动过程模拟结果都比标准 k- 模型的结果好，特别是可实现 k- 模型对圆口射流和平板射流模拟中，能给出较好的射流扩张角。12. 三个双方程模型的区别在于：1。计算湍流粘性的方法不同 2。控制湍流扩散的湍流Prandt
6、l 数不同 3。 方程中的产生项和 Gk 的关系不同。13。雷诺应力模型 RSM：边界条件，在流场进口，雷诺应力模型需要各个雷诺应力分量和湍流动能耗散率的值。可以直接输入，也可以通过湍流强度和特征长度来计算。在壁面，雷诺应力模型通过壁面函数，给出各个雷诺应力分量和耗散率的值。如果湍流场各向异性很明显，如强旋流动以及应力取得的二次流动等流动中，求解 RSM 模型能得到较好的结果。14。LES 模型：基本假设，1、动量、能量、质量以及其它标量主要由大涡输运。2.流动的几何和边界条件决定了大涡的特性，并且流动特性在大涡中体现。3、小尺度涡旋受几何和边界条件影响较小，并且各向同性 3、大涡模拟过程中，
7、直接求解大涡。15。大涡模拟的变量是过滤后的量，而不是时间平均量，并且湍流应力也不相同。大涡模拟现阶段只能针对不可压流体。16。壁面对湍流有明显影响。在很靠近壁面的地方，粘性阻尼减少了切向速度脉动，壁面也阻止了方向速度脉动。而在离开壁面稍微远点的地方，由于平均速度梯度的增加，湍流动能迅速变大，因而湍流增强。17。近壁区域可以分为三层，最接近壁面的地方被称为粘性底层，流动是层流状态，分子粘性对于动量、热量和质量输运起到决定作用。外区域是完全湍流层，湍流起决定作用。在完全湍流和层流底层之间的区域为混合区域，改区域内分子粘性与湍流都起着相当的作用。18。近壁处理的方法有两类：一是不求解层流底层的混合
8、区，采用半经验公式（壁面函数）来求解层流底层与完全湍流区之间的区域。二是改进湍流模型，粘性影响的近壁区域，包括层流底层都可以求解。对于高雷诺数的流动，采用壁面函数可以节省计算资源，而改变模型由于求解的变量变化梯度较大，会导致计算量的增加。在实际工程问题中，采用壁面函数是很好的选择。但如研究的是低雷诺数的流动问题，则采用壁面函数方法处理近壁面区域就不合适了，其前提假设条件也不满足，此时就需要一个合适的模型。19。在采用雷诺应力模型和 k- 双方程模型时，包括壁面近邻的控制体的湍流动能都要计算，其边界条件为湍动能在壁面法向方向上梯度为零。标准壁面函数包含了定常剪切和局部平衡假设条件，但如果壁面有很
9、强的压力梯度，并且很强的非平衡性，则需要选择非平衡壁面函数。20。SIMPLER 算法中，初始的压力场和速度场是协调的，且由 SIMPLER 算法给出的压力场不必做欠松弛处理，迭代计算时比较容易得到收敛解。但在 SIMPLER 的每一层迭代中，要比 SIMPLE 算法多解一个压力的方程组，一个迭代步内的计算量较大。总体 SIMPLER算法的计算效率要比 SIMPLE 算法高。SIMPLEC 算法得到的压力修正值 p 一般较合适，因此在 SIMPLEC 算法中可不再对压力进行欠松弛处理。不过选取适当的稍小于 1 的松弛因子，对加快迭代过程中解得收敛也是有效果。PISO 算法为一步预测，两步修正，
10、有利于加快单个迭代不中的收敛速度。虽然它需要额外的贮存空间来计算二次压力修正中的源项，当对比发现，其计算速度很快，总体效率比较高。Fluent 用户手册推荐：对于瞬态问题，PISO 算法有明显的优势，而对稳态问题选SIMPLE 或 SIMPLEC 可能相对较好。21。SIMPLEC 算法和 PISO 算法总体上与 SIMPLER 算法具有相同的计算效率。一般来讲，动量方程与标量方程（如温度方程）如果不是耦合在一起，则 PISO 算法在收敛性方面显得很健壮，效率较高。但若两者耦合非常密切时，SIMPLEC 和 SIMPLER 算法可能效果要更好一点。SIMPLE 算法和 SIMPLEC 算法常用
11、于定常流动的计算中， PISO 算法虽可以用来计算定常流动，但更常用于非定常流动的计算或网格偏斜情况比较严重的情况中。22。求解方法：压力基隐式求解、密度基隐式求解、密度基显式求解。压力基求解器是有原来的分离式求解器发展而来，但同时压力基求解器增加了耦合算法，可以自由地在分离求解和耦合求解之间转换。压力基求解器收敛速度快，但需要更多的内存和计算量。密度基求解器是在原来的耦合求解器的基础上发展而来，密度基求解器相比压力基求解器，内存和计算量更大。23。一般而言，S-A 模型适合于翼型、壁面边界层的流动，但不适合射流等自由剪切湍流问题。标准 k- 模型具有较高的稳定性、经济性和计算精度，应用广泛，
12、适合高雷诺数湍流，但不适合旋流等各向异性较强的流动；RNG k- 模型可以计算低雷诺数湍流，其考虑旋转效应，对强旋流动精度有所提高；Realizable k- 叫前面两种 k- 模型的优点是可以保持雷诺应力和真实湍流一致，可以更精确的模拟平面和圆形射流的扩散速度，同时在旋流计算、带方向压强梯度的边界层计算和分离流计算等问题中，计算结果更符合真实情况。但是 Realizable k- 模型在同时存在旋转和静止区的流场计算中，比如多重参考系、旋转滑移网格等计算中，会产生非物理湍流粘性，故在类似的计算中应慎重使用。标准 k- 模型包括低雷诺数的影响、可压缩下影响和剪切流扩散，适用于尾迹流动、混合流、
13、射流、以及受壁面限制的流动附着边界层湍流和自由剪切流计算；SST k- 模型综合了 k-模型在近壁区计算的优点和 k- 模型远场计算的优点，同时增加了横向耗散倒数项，在湍流粘度定义中考虑了湍流剪切应力的输运过程，使用范围更广，可以用于带逆压梯度的流动计算、翼型计算、夸声速带激波计算等。雷诺应力模型没有采用涡粘性各向同性假设，在理论上比前面的湍流模式理论要精确的多，直接求解雷诺应力分量，适用于强旋流动，如龙卷风、旋流燃烧室的流动等。计算速度的快慢与计算量成反比。在湍流模型中，DES 和 LMS 计算量最大，其它又快到慢依次是 S-A，k-，k- ，雷诺应力模型。24。迎风是相当对对于局部速度定义
14、的，即用上游节点的变量值计算本地的变量值。一阶迎风格式和二阶迎风格式可以理解为保留 Taylor 格式的项数不同，从而精度更高。二阶精度更高，但同样收敛速度也较慢一些。QUICK 格式是针对结构化网格才有意义，一般在内场有三阶精度，但在边界只有二阶精度，虽然非结构化网格也能够使用 QUICK，但实际使用的还是二阶迎风格式。在流动方向可以预期的情况下，使用 QUICK 格式可以提高精度，对非结构化网格使用二阶迎风格式就可以了。25.Reorder 网格：顺次点击 Grid-Reorder-Domain，可以理解为对计算域的网格重新编号和排序，这样错的目的就是为了加快计算速度。特别是对为那个歌数量
15、超过 100 万的算例，加速效果比较明显。26。基于节点的高斯格林函数 Green-Gauss Node Based 求梯度的方法比基于控制体中心的精度更高，特别适合非结构化网格。27。大的松弛因子可以加快收敛速度，但是容易导致求解不稳定。对于高阶差分格式推荐较低的松弛因子。28。多重网格法常用在现实时间推进算法中，用于加快收敛。残差光顺（Residual smoothing）理论上可以加快收敛，但会增加计算量，光顺次数愈多，增加的计算量越大，而且 Residual Smoothing 往往和现实时间推进、多重网格、松弛因子配合使用，在最佳搭配下才能起到加快收敛的作用。29。30。 当结构网格
16、和流动方向一致时，QUICKG 格式明显具有较高的精度。虽然 Fluent 容许非结构化网格使用 QUICK 格式，但其精度会降低。31。总而言之，一阶离散一般会比二阶离散的收敛性好，但精度要差，尤其是对三角形或者四面体网格的精度更差。故对于三角形和四面体网格，流动从来就不和网格成一条线，此时选择二阶离散能获得更高的精度，但对于四边形或者六面体网格，如果使用二阶离散格式，尤其是对于复杂流动，可以获得更好的结果。32。在大多数情况下，可以在计算的开始使用二阶格式。但对于有些情况，应该以一阶离散开始计算，在进行了初步迭代之后再转到二阶格式。如解高马赫数流动问题。但若使用二阶格式遇到收敛性问题，则应
17、该尝试使用一阶格式。33。对于涡旋和涡流来说，若是使用的四边形或六面体网格，QUICK 离散格式会比二阶格式产生更为精确的结果。但一般来说二阶格式的精度就已经足够了，QUICK 也不一定能提高多少精度34。定常流计算一般使用 SIMLPLE 或者 SIMPLEC 方法，对于过渡计算推荐使用 PISO 方法，PISO 方法还可以用于高度倾斜网格的定常状态和过渡计算。对于定常状态问题，具有邻近校正的 PISO 算法并不会比具有较好松弛因子的 SIMPLE 或 SIMPLEC 好。35 对于大多数流动，不需要修改默认的亚松弛因子。但是，如果出现不稳定或者发散的情况，就需要修改减少默认的亚松弛因子，其
18、中压力、动量、k、e 的默认值分别是0.2，0.5,0.5,0.5，对于 SIMPLEC 格式一般不需要减少压力的松弛因子。对于其他标量方程，对于默写问题，默认的亚松弛因子可能过大，尤其是对于初始计算，可将松弛因子设置为0.8 是收敛更容易。36。残差的判断标准：根据实际情况判断。37。网格自适应：Conformal 自适应方法只能用在三角形和四面体网格中，但 hanging node 自适应方法能用在所有支持的网格形状。Hanging node 自适应方法比 comformal 自适应在本质上更局部化。初始网格的连通性被限制在 hanging node 自适应方案中，但是在 comforma
19、l 自适应方法将修改细化或粗化网格的连通性。在三维，hanging node 自适应有一个跟保持网格层次和暂时存储边相关的存储空间补偿。但 comformal 自适应除了为增加网格密度而增加的节点，面和单元信息存储之外就没有多余的存储空间了。38。光顺化：在 Fluent 有两种光顺化的方法：Laplace 光顺化和基于偏斜度的光顺化。前者可以用在任何类型的网格，但第二种只能用于三角形或四面体网格。对于三角形和四面体网格建议使用基于偏斜度的光顺方法。而四边形或六面体网格则建议采用 Laplace 法。光顺化可能会产生负体积，故需得保存 case。面交换法：面交换法可以改善三角形和四面体网格的品质。基于偏斜度的光顺化通常应该和面交换交替使用。1。用三维是 0.8，二维是 0.4 的 Minimum Skewness 进行四次光顺化迭代。2。交换直到 Number Swapped 减少到 03。对三维网格，让 Number swapped 减少到 0.6，并重复光顺化和面交换过程。
