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1、 FLUENT 求解应用求解应用 FluentFluent解决问题的步骤解决问题的步骤 u创建网格创建网格. . u运行合适的解算器：运行合适的解算器：2D2D、3D3D、2DDP2DDP、3DDP3DDP。u输入网格输入网格u检查网格检查网格u选择解的格式选择解的格式u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、热传导模型等反应、热传导模型等u确定所需要的附加模型：风扇，热交换，多孔介质等。确定所需要的附加模型：风扇，热交换，多孔介质等。u指定材料物理性质指定材料物理性质u指定边界条件指定边界条件 u调节解的控
2、制参数调节解的控制参数u初始化流场初始化流场u计算解计算解u检查结果检查结果u保存结果保存结果 u必要的话，细化网格，改变数值和物理模型。必要的话，细化网格，改变数值和物理模型。 建立数值模型建立数值模型u选择合适的求解器选择合适的求解器u对选定的求解器需要设置下面的内容对选定的求解器需要设置下面的内容l选择合适的物理模型选择合适的物理模型l定义材料属性定义材料属性n流体流体n固体固体n混合体混合体l都所有边界指定边界条件都所有边界指定边界条件l建立初场建立初场l设置求解控制选项设置求解控制选项l设置残差监视选项设置残差监视选项 结果显示结果显示u图形的可视化显示图形的可视化显示l显示流场整体
3、的性态。显示流场整体的性态。l是否有分离流。是否有分离流。l什么地方出现激波，边界层流动等。什么地方出现激波，边界层流动等。l主要的流动特征是否己经解出。主要的流动特征是否己经解出。l物理模型和边界条件是否合适。物理模型和边界条件是否合适。u数字报告工具用于给出计算的数字结果。数字报告工具用于给出计算的数字结果。l升力和拉力。升力和拉力。l平均传热系数。平均传热系数。l某一参数的积分值。某一参数的积分值。 FluentFluent的求解流程的求解流程u读入网格文件读入网格文件 file/read/file/read/cascas，读入，读入* *. .mshmshu网格的检查网格的检查 gri
4、d/checkgrid/checku求解器的选择求解器的选择 define/models/solverdefine/models/solveru材料属性的定义材料属性的定义 define/materialsdefine/materialsu紊流模型的选择紊流模型的选择 define/models/viscousdefine/models/viscousu操作压力的定义操作压力的定义 define/operating conditiondefine/operating conditionu边界条件的定义边界条件的定义 define/boundary conditiondefine/boundar
5、y conditionu离散格式、松弛因子的选择离散格式、松弛因子的选择 solve/control/solutionsolve/control/solutionu监控图的选择监控图的选择 solve/monitors/residualsolve/monitors/residual和和 solve/monitors/surface solve/monitors/surfaceu计算的初始化计算的初始化 solve/initialize/initializesolve/initialize/initializeu计算的迭代计算的迭代 solve/iteratesolve/iterateu计算结果
6、的后处理计算结果的后处理 display/contoursdisplay/contours、display/vectorsdisplay/vectors、Plot/XY Plot/XY Plot Plot、report/surface integralsreport/surface integrals 求解器的选择求解器的选择u二者都可用于广泛的流体计算，但一般情况下：二者都可用于广泛的流体计算，但一般情况下：lsegregated segregated ：适用于不可压及微可压流。只使用隐式适用于不可压及微可压流。只使用隐式格式。格式。lcoupled coupled ：适用于高速可压流，有强
7、体积力的耦合流以适用于高速可压流，有强体积力的耦合流以及密网格问题。耦合求解流动和能量方程，可以快速收及密网格问题。耦合求解流动和能量方程，可以快速收敛。敛。lcoupled implicit coupled implicit 格式内存需要量大，如果内存不够格式内存需要量大，如果内存不够可以使用可以使用coupled explicitcoupled explicit，同样也是耦合求解流动和同样也是耦合求解流动和能量方程，但收敛速度较慢。能量方程，但收敛速度较慢。 材料属性的定义材料属性的定义u材料属性可能会包括：材料属性可能会包括： 菜单菜单Define Define MaterialMate
8、riall密度或者分子量密度或者分子量 l粘性粘性l比热容比热容l热传导系数热传导系数l质量扩散系数质量扩散系数l标准状态焓标准状态焓l分子运动论中的各个参数分子运动论中的各个参数u如果数据库中没有你所要使用的材料，可以简单的为如果数据库中没有你所要使用的材料，可以简单的为当前列表创建材料。当前列表创建材料。 操作压力操作压力 操作压力的推荐设定操作压力的推荐设定 菜单：菜单：Define/Operating ConditionsDefine/Operating Conditions 默认的操作压力为默认的操作压力为101325 Pa 101325 Pa 湍流模型湍流模型FLUENT FLUE
9、NT 提供了以下湍流模型：提供了以下湍流模型：uSpalart-Allmaras Spalart-Allmaras 模型模型uk-k-模型模型标准标准k-k-模型模型Renormalization-group (RNG) k-Renormalization-group (RNG) k-模型模型带旋流修正带旋流修正k-k-模型模型uk-k-模型模型标准标准k-k-模型模型压力修正压力修正k-k-模型模型雷诺兹压力模型雷诺兹压力模型大漩涡模拟模型大漩涡模拟模型 u实际上没有一种湍流模型能适合所有的流动情况。对湍实际上没有一种湍流模型能适合所有的流动情况。对湍流模型的选择依赖于流动中包含的物理情况，
10、对特定问流模型的选择依赖于流动中包含的物理情况，对特定问题已有的经验，对精度的要求，计算机的计算能力，能题已有的经验，对精度的要求，计算机的计算能力，能够花费的分析时间等。够花费的分析时间等。u以上模型中以上模型中Spalart-AllmarasSpalart-Allmaras模型由于只有一个方程，模型由于只有一个方程，所以要求计算机资源最少。而标准所以要求计算机资源最少。而标准k-k-模型要求比模型要求比Spalart-AllmarasSpalart-Allmaras模型高，模型高，realizable k-realizable k-模型又比模型又比标准标准k-k-模型要求高一些。而模型要求
11、高一些。而RNG k-RNG k-模型比标准模型比标准k-k-模型多耗模型多耗CPUCPU时间时间101015%15%。由于有更多的雷诺应力输运。由于有更多的雷诺应力输运方程，方程，RSMRSM多耗多耗505060%60%的的CPUCPU时间和时间和151520%20%的内存。的内存。湍流模型湍流模型 离散格式的选择离散格式的选择u在在FLUENTFLUENT中可以选择控制方程中对流项的离散方法。有四种中可以选择控制方程中对流项的离散方法。有四种方法可以选择：方法可以选择：FirstOrderFirstOrder、Second OrderSecond Order、QUICKQUICK、Powe
12、rPowerl当流动方向与网格相一致时当流动方向与网格相一致时( (如：使用四边形或六面体网格的管内层如：使用四边形或六面体网格的管内层流问题流问题) )，一阶迎风格式就可以了，但一阶格式会增加计算中的数值，一阶迎风格式就可以了，但一阶格式会增加计算中的数值扩散错误。扩散错误。l当流动方向不与网格相一致时当流动方向不与网格相一致时( (如：流动方向倾斜的穿过网格线如：流动方向倾斜的穿过网格线) )，或，或使用三角形、四面体网格，应使用二阶格式以获得更高精度的解。在使用三角形、四面体网格，应使用二阶格式以获得更高精度的解。在使用四边形或六面体网格的复杂流场时，也可以使用二阶格式以获得使用四边形或
13、六面体网格的复杂流场时，也可以使用二阶格式以获得更高精度的解。更高精度的解。l当使用四边形或六面体网格，流场有旋转或旋涡时当使用四边形或六面体网格，流场有旋转或旋涡时QUICKQUICK格式可能会格式可能会比二阶格式精度更高。比二阶格式精度更高。lPowerPower格式精度与一阶格式相当格式精度与一阶格式相当 离散格式的选择离散格式的选择u一阶格式：计算单元边界值只用到相邻单元的值。一阶格式：计算单元边界值只用到相邻单元的值。l收敛较快，精度较差。收敛较快，精度较差。u二阶格式：计算单元边界值用的相邻单元和其它邻近二阶格式：计算单元边界值用的相邻单元和其它邻近单元值。单元值。l收敛较慢，精度
14、较高。收敛较慢，精度较高。l特别是对三角形特别是对三角形/ /四面体网格计算的精度较高。四面体网格计算的精度较高。l当流体方向与网格排列方向不一致时，一阶格式会产生较大当流体方向与网格排列方向不一致时，一阶格式会产生较大的离散误差。的离散误差。u通常，应该尽量使用二阶计算的结果通常，应该尽量使用二阶计算的结果单元边界单元边界相邻单元相邻单元 压力的插值方法压力的插值方法(segregated(segregated中使用中使用) )u动量方程中的压力，缺省方法是用插值得到，当压力变动量方程中的压力，缺省方法是用插值得到，当压力变化较平稳时，可得到较好的结果。当在控制体间出现较化较平稳时，可得到较
15、好的结果。当在控制体间出现较大的动量梯度时，这种方法会出现较大的偏差。当流体大的动量梯度时，这种方法会出现较大的偏差。当流体具有大的体积力时，如强旋涡流，高雷诺数的自然对流具有大的体积力时，如强旋涡流，高雷诺数的自然对流，这种方法计算时也会出现困难。此外，这种方法计算时也会出现困难。此外，FLUENTFLUENT默认壁默认壁面法向方向压力梯度为面法向方向压力梯度为0,0,这对边界层是合理的，但对于这对边界层是合理的，但对于存在体积力或壁面有曲率时会出现错误。当标准压力插存在体积力或壁面有曲率时会出现错误。当标准压力插值方法不正确时，可使用以下方法：值方法不正确时，可使用以下方法：l线性插值，用
16、相邻单元的压力平均值作为面压力值。线性插值，用相邻单元的压力平均值作为面压力值。l二次方法，提供了比标准及线性插值更好的方法，但在计算开二次方法，提供了比标准及线性插值更好的方法，但在计算开始时使用或对于质量不好的网格会出现计算困难。始时使用或对于质量不好的网格会出现计算困难。 l体积力分数计算体积力分数计算(body-force-weighted)(body-force-weighted)，此方法计算面压力此方法计算面压力时假设体积力和压力间差值梯度为常数，当体积力在先前的时假设体积力和压力间差值梯度为常数，当体积力在先前的动量方程中可得到时，此方法较好，如浮力和轴对称旋转计动量方程中可得到
17、时，此方法较好，如浮力和轴对称旋转计算。算。lPRESTO(PREssure STaggering Option) PRESTO(PREssure STaggering Option) 法，此方法只用于四法，此方法只用于四变形和六面体网格。变形和六面体网格。u计算中包含将体积力应使用计算中包含将体积力应使用body-force-weightedbody-force-weighted法。法。当有强旋涡流、高雷诺数自然对流、高速旋转流、多当有强旋涡流、高雷诺数自然对流、高速旋转流、多孔渗水流或流体流过大的弯曲的区域时可用孔渗水流或流体流过大的弯曲的区域时可用PRESTOPRESTO法法。对可压流，
18、使用二次方法。当其它方法不适用时可。对可压流，使用二次方法。当其它方法不适用时可考虑用二次方法提高精度，例如当流体流过弯曲边界考虑用二次方法提高精度，例如当流体流过弯曲边界，而又使用的是非四边形，六面体网格时。，而又使用的是非四边形，六面体网格时。压力的插值方法压力的插值方法(segregated(segregated中使用中使用) ) 速度压力耦合方法速度压力耦合方法(segregated(segregated使用使用) )uFLUENTFLUENT提供了提供了3 3种速度压力耦合方法：种速度压力耦合方法：SIMPLESIMPLE，SIMPLEC(SIMPLE-Consistent)SIMP
19、LEC(SIMPLE-Consistent)和和 PISOPISO。lSIMPLE, SIMPLECSIMPLE, SIMPLEC通常用于稳态计算，瞬态计算推荐通常用于稳态计算，瞬态计算推荐使用使用PISOPISO。l当网格比较歪斜时，无论稳态或瞬态计算使用当网格比较歪斜时，无论稳态或瞬态计算使用PISOPISO方方法比较好。法比较好。lFLUENTFLUENT默认使用默认使用SIMPLESIMPLE方法，但当对于较简单的问题方法，但当对于较简单的问题（层流且无其它物理模型）计算的收敛注意受速度（层流且无其它物理模型）计算的收敛注意受速度压力耦合的影响，这时可以使用压力耦合的影响，这时可以使用
20、SIMPLECSIMPLEC方法，将下方法，将下松弛因子设为松弛因子设为1.0,1.0,以加速收敛。但有些时候这会引起以加速收敛。但有些时候这会引起计算不稳定。计算不稳定。 l当需要保守的方法时，可用当需要保守的方法时，可用SIMPLESIMPLE。当流场复杂时（。当流场复杂时（包含湍流或其它物理模型），计算收敛常受其它因素包含湍流或其它物理模型），计算收敛常受其它因素影响，这时使用影响，这时使用SIMPLESIMPLE和和SIMPLECSIMPLEC方法的收敛性都相方法的收敛性都相同。同。l瞬态计算使用瞬态计算使用PISOPISO可以使用较大时间步长，可将所有可以使用较大时间步长，可将所有方
21、程的下松弛因子设为方程的下松弛因子设为1.01.0。而对于歪斜很严重的网。而对于歪斜很严重的网格，应将动量，压力方程的下松弛因子之和为格，应将动量，压力方程的下松弛因子之和为1(1(如：如：压力方程下松弛因子设为压力方程下松弛因子设为0.3,0.3,动量方程设为动量方程设为0.70.7。速度压力耦合方法速度压力耦合方法(segregated(segregated使用使用) ) 亚松弛因子亚松弛因子u对非线性方程使用迭代求解。对非线性方程使用迭代求解。u为了使求解稳定，使用亚松弛因子使变量在两次迭代间为了使求解稳定，使用亚松弛因子使变量在两次迭代间的变化减小。的变化减小。 : : 亚松弛因子。亚
22、松弛因子。l例如，设亚松弛因子为例如，设亚松弛因子为0.20.2，就限制变量，就限制变量 每次迭代只能改变每次迭代只能改变20%20%。u默认的亚松弛因子值对大部分的问题都是适用的，但对默认的亚松弛因子值对大部分的问题都是适用的，但对一些显著的非线性问题一些显著的非线性问题( (如：某些湍流和高雷诺数自然如：某些湍流和高雷诺数自然对流对流) )可考虑适当的减少因子值。可考虑适当的减少因子值。PPPold,P 多重网格多重网格u多重网格在一下方面的计算可以加速收敛：多重网格在一下方面的计算可以加速收敛：l网格单元数很多。网格单元数很多。l网格单元长宽比较大。网格单元长宽比较大。n例如，例如，x/
23、x/y 20 y 20 左右。左右。l热传递率有很大差异。热传递率有很大差异。n例如连接热传递。例如连接热传递。l多重网格与结构和非结构网格概念基本相同，只是多重网格与结构和非结构网格概念基本相同，只是执行计算时有所不同。执行计算时有所不同。 多重网格概念多重网格概念u多重网格使用从细到粗的一系列网格。多重网格使用从细到粗的一系列网格。l选择好网格系列的数目，求解器会自动生成这一系列网格。选择好网格系列的数目，求解器会自动生成这一系列网格。l使用粗网格比使用细网格可以使边界信息的影响更快的传递到使用粗网格比使用细网格可以使边界信息的影响更快的传递到网格内部节点上。网格内部节点上。n在计算域内，
24、粗网格节点间靠得更近，空间中的计算单元更在计算域内，粗网格节点间靠得更近，空间中的计算单元更少有利于信息传播，加速收敛。少有利于信息传播，加速收敛。l但是细网格可以提高精度。但是细网格可以提高精度。original gridcoarse grid level 1coarse grid level 2 u使用粗网格上的计算结果作为细网格计算的起始点。使用粗网格上的计算结果作为细网格计算的起始点。l粗网格计算结果包含了边界条件和远处节点的影响。粗网格计算结果包含了边界条件和远处节点的影响。l以此为细网格计算起始可以加速收敛。以此为细网格计算起始可以加速收敛。l最后可以得到细网格上的解。最后可以得到
25、细网格上的解。n中间过程的粗网格计算仅仅是为了加速收敛，并且不改变最中间过程的粗网格计算仅仅是为了加速收敛，并且不改变最后结果。后结果。细网细网格格 修正修正summed equations (or volume-averaged solution)粗网粗网格格 Coupled SolverCoupled Solver中的克朗数设置中的克朗数设置u计算中时间步长计算中时间步长t t 由克朗数由克朗数CFL (Courant-Friedrichs-CFL (Courant-Friedrichs-Lewy)Lewy)计算得到：计算得到： u通常在通常在coupled/explicit solver
26、coupled/explicit solver中中l由于稳定性限制，克朗数（由于稳定性限制，克朗数（Courant numberCourant number）一般不能大于）一般不能大于2.02.0，默认值为，默认值为1.01.0。l对复杂的物理问题可能还需要进一步减小克朗数。比如，高马赫对复杂的物理问题可能还需要进一步减小克朗数。比如，高马赫数流动。数流动。l对显式非稳态问题，要定义时间步长对显式非稳态问题，要定义时间步长t t 。u在在coupled/implicit solvercoupled/implicit solver中中l克朗数可以设置到克朗数可以设置到10, 10010, 100
27、，甚至更高。甚至更高。l当出现发散时，多重网格求解能够减小克朗数。当出现发散时，多重网格求解能够减小克朗数。uxt)CFL(CFL ：克朗数克朗数其中其中 u ：速度尺度速度尺度 x ：网格间隔网格间隔 增大克朗数加速收敛增大克朗数加速收敛u如果计算中残差出现下列情况如果计算中残差出现下列情况 可以增大克朗数加速收敛。可以增大克朗数加速收敛。l单调减小。单调减小。l轻微振荡，但任减小。轻微振荡，但任减小。u 菜单：菜单：Solve Solve Controls Controls Solution. Solution. 设置合理初场设置合理初场u求解前对所有要求解的变量赋初值。求解前对所有要求解
28、的变量赋初值。 菜单菜单SolveSolve Initialize Initialize InitializeInitializel增强求解稳定性。增强求解稳定性。l某些情况下，必须给出真确的初值。某些情况下，必须给出真确的初值。n例如在喷管计算中就得不到超音速流结果除非给出超音速例如在喷管计算中就得不到超音速流结果除非给出超音速初场。初场。u对单独变量在给定区域内给出补充初场。对单独变量在给定区域内给出补充初场。 菜单菜单Solve Solve Initialize Initialize PatchPatchl对自由喷射流，可以事先给出高速初场。对自由喷射流，可以事先给出高速初场。l燃烧计算
29、，可以给出高温初场。燃烧计算，可以给出高温初场。u从以前的结果开始新的计算。从以前的结果开始新的计算。 从以前的结果开始计算从以前的结果开始计算u但求解问题的某些条件发生改变时，可以把以前的结但求解问题的某些条件发生改变时，可以把以前的结果作为初场条件开始新的计算，有利于计算的收敛。果作为初场条件开始新的计算，有利于计算的收敛。 判断收敛判断收敛u通常收敛残差限为通常收敛残差限为1e101e10-3-3。u例外例外l使用使用segregatedsegregated求解，能量残差应设为求解，能量残差应设为1 1e10e10-6-6。l使用使用segregatedsegregated求解，组分残差
30、也应减小使到达组求解，组分残差也应减小使到达组分平衡。分平衡。u监视其它变量值或平衡情况，以确定是否收敛。监视其它变量值或平衡情况，以确定是否收敛。 残差图残差图u这里的残差图显示这里的残差图显示l左图显示残差值到达指定的容差。左图显示残差值到达指定的容差。l右图显示存在收敛困难。右图显示存在收敛困难。所有方程收敛所有方程收敛连续方程出现收敛困难使得其连续方程出现收敛困难使得其它方程收敛也受影响它方程收敛也受影响 加速收敛加速收敛u使用以下方法加速收敛。使用以下方法加速收敛。l设置更合理的初场。设置更合理的初场。l调整亚松弛因子参数或改变克朗数调整亚松弛因子参数或改变克朗数(coupled (
31、coupled solver) solver) 。l调整多层网格设置。调整多层网格设置。 稳定性稳定性u如果残差增大或不变，应该进行保守的设置。如果残差增大或不变，应该进行保守的设置。l对收敛困难的方程减小亚松弛因子。对收敛困难的方程减小亚松弛因子。(segregated (segregated solvers) solvers) l减小克朗数。减小克朗数。(coupled solver)(coupled solver)l调整多重网格参数。调整多重网格参数。l先使用一次离散精度计算出初值，在进一步用二阶先使用一次离散精度计算出初值，在进一步用二阶精度计算。精度计算。 增强稳定性例子增强稳定性例
32、子u残差图显示减小亚松弛因子后收敛性得到改善。残差图显示减小亚松弛因子后收敛性得到改善。Under-relaxation decreased here 精确性精确性u当得到收敛结果后，需要确定结果的精确性。当得到收敛结果后，需要确定结果的精确性。收敛结果收敛结果如果还没，再使用二阶离散格式继续计算出收敛结果如果还没，再使用二阶离散格式继续计算出收敛结果检查流场中显著的特征和变量值是否合理检查流场中显著的特征和变量值是否合理加密网格继续计算并得出收敛结果加密网格继续计算并得出收敛结果得到的加密网格计算结果得到的加密网格计算结果结果是否有变化结果是否有变化是是否否得到与网格独立得到与网格独立的结果
33、的结果 判断结果是否具有网格独立性判断结果是否具有网格独立性u对比不同网格下的计算结果判断结果是否具有网格独对比不同网格下的计算结果判断结果是否具有网格独立性。立性。l总体的压力下降。（菜单：总体的压力下降。（菜单：Report Report Surface Surface Integrals.)Integrals.)l总体传热系数。（菜单：总体传热系数。（菜单：Report Report Surface Surface Integrals.)Integrals.)l升力、拉力、力矩系数。（菜单：升力、拉力、力矩系数。（菜单：Report Report Forces.) Forces.)l变量
34、在某一点或某一面上的均值。（菜单：变量在某一点或某一面上的均值。（菜单：Report Report Surface Integrals.)Surface Integrals.)n如在特征位置上的平均出口压力、温度等。如在特征位置上的平均出口压力、温度等。l变量沿指定线上的变化情况。（菜单：变量沿指定线上的变化情况。（菜单：Plot Plot XY Plot.) XY Plot.)l流动情况是否与预期的相符。（使用数字和图像报告）流动情况是否与预期的相符。（使用数字和图像报告） u计算域的几何模型及网格显示计算域的几何模型及网格显示 菜单菜单 display/griddisplay/gridu矢
35、量图矢量图( (如速度矢量线如速度矢量线) ) 菜单菜单 display/vectordisplay/vectoru等值线图、填充型的等值线图等值线图、填充型的等值线图( (云图云图) ) 菜单菜单 display/contoursdisplay/contoursuXYXY散点图散点图 菜单菜单 Plot/XY PlotPlot/XY Plotu粒子轨迹图粒子轨迹图 菜单菜单 Display/Path LineDisplay/Path Lineu截面的建立截面的建立 菜单菜单 Surface/Surface/IsoIsosurfacesurface， Surface/Surface/IsoIs
36、oclipclip， Surface/pointSurface/point， Surface/PlaneSurface/Planeu报告的生成报告的生成 菜单菜单report/surface integralsreport/surface integrals计算结果的后处理计算结果的后处理 小节小节usegregated segregated 和和 coupled solverscoupled solvers有相同的求解过程：有相同的求解过程：l计算直到结果收敛。计算直到结果收敛。l二阶方法得到较高精度的结果。（推荐使用）二阶方法得到较高精度的结果。（推荐使用）l加密网格继续计算直到得到的结果与网格无关。加密网格继续计算直到得到的结果与网格无关。u所有的求解器都提供了判断和提高收敛性和稳定性的所有的求解器都提供了判断和提高收敛性和稳定性的工具。工具。u所有的求解器都提供了检查和提高精度的工具。所有的求解器都提供了检查和提高精度的工具。u注意：结果的精度很大程度上取决于物理模型和边界注意：结果的精度很大程度上取决于物理模型和边界条件的选取是否合适。条件的选取是否合适。
