第01章 fluent简单算例21

第一章开始赵玉新（国防科技大学航天学院）注意：此文只用于流体力学的教学和科学研究，如若涉及到版权问题请于本人联系。本章对FLUENT做了大致的介绍，其中包括：FLUENT的计算能力，解决问题时的指导，选择解的形式。为了便于理解，我们在本章演示了一个简单的例子，该例子的网格文件在安装光盘中已准备好。引言FLUENT是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。它提供了完全的网格灵活性，你可以使用非结构网格，例如二维三角形或四边形网格、三维四面体/六面体/金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动。甚至可以用混合型非结构网格。它允许你根据解的具体情况对网格进行修改（细化/粗化）。对于大梯度区域，如自由剪切层和边界层，为了非常准确的预测流动，自适应网格是非常有用的。与结构网格和块结构网格相比，这一特点很明显地减少了产生“好”网格所需要的时间。对于给定精度，解适应细化方法使网格细化方法变得很简单，并且减少了计算量。其原因在于：网格细化仅限于那些需要更多网格的解域。FLUENT是用C语言写的，因此具有很大的灵活性与能力。因此，动态内存分配，高效数据结构，灵活的解控制都是可能的。除此之外，为了高效的执行，交互的控制，以及灵活的适应各种机器与操作系统，FLUENT使用client/server结构，因此它允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序。在FLUENT中，解的计算与显示可以通过交互界面，菜单界面来完成。用户界面是通过Scheme语言及LISPdialect写就的。高级用户可以通过写菜单宏及菜单函数自定义及优化界面。程序结构该FLUENT光盘包括：FLUENT解算器；prePDF,模拟PDF燃烧的程序；GAMBIT,几何图形模拟以及网格生成的预处理程序；TGrid,可以从已有边界网格中生成体网格的附加前处理程序；filters(translators)从CAD/CAE软件如：ANSYS，I－DEAS，NASTRAN，PATRAN等的文件中输入面网格或者体网格。图一所示为以上各部分的组织结构。注意：在Fluent使用手册中grid和mesh是具有相同所指的两个单词图一：基本程序结构我们可以用GAMBIT产生所需的几何结构以及网格（如想了解得更多可以参考GAMBIT的帮助文件，具体的帮助文件在本光盘中有，也可以在互联网上找到），也可以在已知边界网格（由GAMBIT或者第三方CAD/CAE软件产生的）中用Tgrid产生三角网格，四面体网格或者混合网格，详情请见Tgrid用户手册。也可能用其他软件产生FLUENT所需要的网格，比如ANSYS(SwansonAnalysisSystems,Inc.)、I-DEAS(SDRC)；或者MSC/ARIES,MSC/PATRAN以及MSC/NASTRAN(都是MacNeal-Schwendler公司的软件)。与其他CAD/CAE软件的界面可能根据用户的需要酌情发展，但是大多数CAD/CAE软件都可以产生上述格式的网格。一旦网格被读入FLUENT，剩下的任务就是使用解算器进行计算了。其中包括，边界条件的设定，流体物性的设定，解的执行，网格的优化，结果的查看与后处理。PreBFC和GeoMesh是FLUENT前处理器的名字，在使用GAMBIT之前将会用到它们。对于那些还在使用这两个软件的人来说，在本手册中，你可以参考preBFC和GeoMesh的详细介绍。本程序的能力FLUENT解算器有如下模拟能力：用非结构自适应网格模拟2D或者3D流场，它所使用的非结构网格主要有三角形/五边形、四边形/五边形，或者混合网格，其中混合网格有棱柱形和金字塔形。（一致网格和悬挂节点网格都可以）不可压或可压流动定常状态或者过渡分析无粘，层流和湍流牛顿流或者非牛顿流对流热传导，包括自然对流和强迫对流耦合热传导和对流辐射热传导模型惯性（静止）坐标系非惯性（旋转）坐标系模型多重运动参考框架，包括滑动网格界面和rotor/statorinteractionmodeling的混合界面化学组分混合和反应，包括燃烧子模型和表面沉积反应模型热，质量，动量，湍流和化学组分的控制体源粒子，液滴和气泡的离散相的拉格朗日轨迹的计算，包括了和连续相的耦合多孔流动一维风扇/热交换模型两相流，包括气穴现象复杂外形的自由表面流动上述各功能使得FLUENT具有广泛的应用，主要有以下几个方面Processandprocessequipmentapplications油/气能量的产生和环境应用航天和涡轮机械的应用汽车工业的应用热交换应用电子/HVAC/应用材料处理应用建筑设计和火灾研究总而言之，对于模拟复杂流场结构的不可压缩/可压缩流动来说，FLUENT是很理想的软件。对于不同的流动领域和模型，FLUENT公司还提供了其它几种解算器，其中包括NEKTON,FIDAP、POLYFLOW、IcePak以及MixSim。FLUENT使用概述FLUENT采用非结构网格以缩短产生网格所需要的时间，简化了几何外形的模拟以及网格产生过程。和传统的多块结构网格相比，它可以模拟具有更为复杂几何结构的流场，并且具有使网格适应流场的特点。FLUENT也能够使用适体网格，块结构网格(比如：FLUENT4和许多其它的CFD结算器的网格)。FLUENT可以在2D流动中处理三角形网格和四边形网格，在3D流动中可以处理四面体网格，六边形网格，金字塔网格以及楔形网格（或者上述网格的混合）。这种灵活处理网格的特点使我们在选择网格类型时，可以确定最适合特定应用的网格拓扑结构。在流场的大梯度区域，我们可以适应各种类型的网格。但是你必须在解算器之外首先产生初始网格，初始网格可以使用GAMBIT、Tgrid或者某一具有网格读入转换器的CAD系统。计划你的CFD分析当你决定使FLUENT解决某一问题时，首先要考虑如下几点问题：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；选择计算模型：你将如何隔绝所需要模拟的物理系统，计算区域的起点和终点是什么？在模型的边界处使用什么样的边界条件？二维问题还是三维问题？什么样的网格拓扑结构适合解决问题？物理模型的选取：无粘，层流还湍流？定常还是非定常？可压流还是不可压流？是否需要应用其它的物理模型？确定解的程序：问题可否简化？是否使用缺省的解的格式与参数值？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？在使用CFD分析之前详细考虑这些问题，对你的模拟来说是很有意义的。当你计划一个CFD工程时，请利用提供给FLUENT使用者的技术支持。.解决问题的步骤确定所解决问题的特征之后，你需要以下几个基本的步骤来解决问题：1．创建网格.2．运行合适的解算器：2D、3D、2DDP、3DDP。3．输入网格4．检查网格5．选择解的格式6．选择需要解的基本方程：层流还是湍流（无粘）、化学组分还是化学反应、热传导模型等7．确定所需要的附加模型：风扇，热交换，多孔介质等。8．.指定材料物理性质8．指定边界条件9．调节解的控制参数10．初始化流场11．计算解12．检查结果13．保存结果14．必要的话，细化网格，改变数值和物理模型。第一步需要几何结构的模型以及网格生成。你可以使用GAMBIT或者一个分离的CAD系统产生几何结构模型及网格。也可以用Tgrid从已有的面网格中产生体网格。你也可以从相关的CAD软件包生成体网格，然后读入到Tgrid或者FLUENT(详情参阅网格输入一章)。至于创建几何图形生成网格的详细信息清查月相关软件使用手册第二步，启动FLUENT解算器后面将会介绍第三到十四步详细操作，下面的表告诉了我们哪一步需要什么软件表一：FLUENT菜单概述解的步骤菜单读入网格文件菜单检查网格网格菜单选择解算器格式定义菜单（DefineMenu）选择基本方程定义菜单材料属性定义菜单边界条件定义菜单调整解的控制解菜单（SolveMenu）初始化流场解菜单计算解解菜单结果的检查显示菜单（DisplayMenu）&绘图菜单（PlotMenu）报告菜单（ReportMenu）保存结果文件菜单网格适应适应菜单启动FLUENTUNIX和WindowsNT启动FLUENT的方式是不同的，详细参阅相关介绍。不同的安装过程也是为了使FLUENT能够正确启动而设定的。单精度和双精度解算器在所有计算机操作系统上FLUENT都包含这两个解算器。大多数情况下，单精度解算器高效准确，但是对于某些问题使用双精度解算器更合适。下面举几个例子：如果几何图形长度尺度相差太多（比如细长管道），描述节点坐标时单精度网格计算就不合适了；如果几何图形是由很多层小直径管道包围而成（比如：汽车的集管）平均压力不大，但是局部区域压力却可能相当大（因为你只能设定一个全局参考压力位置），此时采用双精度解算器来计算压差就很有必要了。对于包括很大热传导比率和（或）高比率网格的成对问题，如果使用单精度解算器便无法有效实现边界信息的传递，从而导致收敛性和（或）精度下降在UNIX系统启动FLUENT有如下几个启动方法：在命令行启动适当的版本；在命令行启动，但是不指定版本，然后在面板上选择适当的版本；在命令行启动，但是不指定版本，然后读入case文件（或者case文件和数据文件）来启动适当的版本。命令行启动适当版本：可以指定维度和精度：fluent2d运行二维单精度版本；相应的fluent3d；fluent2ddp；fluent3ddp都分别运行相应的版本。并行版本的启动请参阅相关的并行版本启动方法在此不予介绍。在解算器的面板中指定版本Figure1:启动时的控制台窗口在版本提示中健入2d、3d、2ddp或者3ddp启动相应版本。如果是在图形用户界面（GUI）中启动适当的版本，请选择File/Run...菜单，然后将会出现如下图所示的菜单，这样你就可以选择合适的版本了(你也可以在这个面板上启动远程机器上的FLUENT或者并行版本，详细的内容请参阅相关主题Figure2:FLUENT可以在选择结算器的面板上启动适当的版本在面板上启动解算器一般遵循如下方法：1.开关3D选项指定3D还是2D解算器2.开关双精度选项启动双精度或者单精度解算器3.点击Run按钮如果可执行程序不在你的搜索目录下，你可以在点击Run之前指定完全的文件名。读Case文件指定解算器版本：启动时如果未指定版本（在命令行输入fluent），将会出现前面所看到的控制台窗口，在File/Read/Case..或者File/Read/Case&Data..菜单中择适当的case文件或者data文件，我们就可以启动适当的版本了。（详细内容型参阅“读写case和data文件”部分）。当然也可以在版本的文本菜单中用read-case或者read-case-data命令。File/Read/Case&Data...菜单或者read-case-data命令中读入的case和data文件具有相同的名字，而且扩展名分别为.cas和.dat.。在WindowsNT中启动FLUENT有几种方法，下面做一介绍WindowsNT4.0中有两种方法启动FLUENT:开始菜单——程序菜单——Fluent.Inc（安装时可以改名）菜单——点击FLUENT6在MS-DOS命令提示符中键入fluent2d、fluent3d、fluent2ddp或者fluent3ddp启动相应版本。需要注意的是，进行上述步骤之前你要设定用户环境以便于MS-DOS可以找到fluent。你可以遵照如下做法：选择程序组的SetEnvironment，该程序会将Fluent.Inc目录加入到你的命令搜索行。在MS-DOS命令提示符中你也可以启动并行FLUENT。在n个处理器上运行并行版本，键入fluent-version-tn（tn在2d,3d,2ddp,或者3ddp之后)，n为处理器的个数。比如：fluent3d-t3表示在3个处理器上运行3D版本)，详细内容请参阅并行处理部分在WindowsNT3