FLUENT软件的结构及特点分析

1.FLUENT软件的结构

FLUENT软件设计基于CFD计算机软件群的概念，针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法以在计算速度、稳定性和精度等方面达到最优。

FLUENT软件的结构由前处理、求解器及后处理三大模块组成。FLUENT软件采用GAMBIT作为专用的前处理软件，使网格可以有多种形状。对二维流动可以生成三角形和矩形网格；对于三维流动可以生成四面体、六面体、三角柱和金字塔等网格；结合具体计算，还可以生成混合网格。其自适应功能，能对网格进行细分或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。

FLUENT软件采用的二阶上风格式是Barth-Jespersen方法创始人T.J.Barth与D.C.Jespersen针对非结构网格提出的多维梯度重构法，后来进一步发展，采用最小二乘法估算梯度，能较好地处理畸变网格的计算。FLUENT软件率先采用非结构网格使其在技术上处于领先。

FLUENT软件的核心部分是N-S方程组的求解模块。用压力校正法作为低速不可压流动的计算方法，包括SIMPLE、SIMPLER、SIMPLEC、PISO等。采用有限体积法离散方程，其计算精度和稳定性都优于传统编程中使用的有限差分法。离散格式为对流项二阶迎风插值格式——QUICK格式（Quadratic Upwind Interpolation for Convection Kinetics scheme），其数值耗散较低，精度高且构造简单。而对可压缩流动采用耦合法，即连续性方程、动量方程、能量方程联立求解。湍流模型是包括FLUENT软件在内的CFD软件的主要组成部分。

FLUENT软件配有各种层次的湍流模型，包括代数模型、一方程模型、二方程模型、湍应力模型、大涡模拟等。应用最广泛的二方程模型是k-ε模型，软件中收录有标准k-ε模型及其几种修正模型。

FLUENT软件的后处理模块具有三维显示功能可展现各种流动特性，并能以动画功能演示非定常过程，从而以直观的形式展示模拟效果，便于进一步分析。该软件的使用步骤如图2-3所示。

图2-3 FLUENT软件使用步骤

FLUENT软件应用程序有如下的模拟能力：

●无粘流、层流、湍流模型。

●适用于牛顿流体、非牛顿流体。

●强制/自然/混合对流的热传导，固体/流体的热传导、辐射。

●化学组分的混合/反应。

●自由表面流模型、欧拉多相流模型、混合多相流模型、颗粒相模型、空穴两相流模型、湿蒸汽模型。

●融化、熔化/凝固。

●蒸发/冷凝相变模型。

●离散相的拉格朗日跟踪计算。

●非均质渗透性、惯性阻抗、固体热传导，多孔介质模型（考虑多孔介质压力突变）。

●风扇和散热器等以热交换器为对象的集中参数模型。(www.xing528.com)

●基于精细流场解算的预测流体噪声的声学模型。

●质量、动量、热、化学组分的体积源项。

●复杂表面形状下的自由面流动。

●磁流体模块主要模拟电磁场和导电流体之间的相互作用问题。

●连续纤维模块主要模拟纤维和气体流动之间的动量、质量以及热的交换问题等。

2.FLUENT软件的特点

●提供了非常灵活的网络特性。例如，三角形、四边形、四面体、六面体、金字塔形网格，如图2-4所示。

●FLUENT软件使用GAMBIT作为前处理软件，来读取多种CAD软件的三维几何模型以及多种CAE软件的网格模型。FLUENT软件可用于二维平面、二维轴对称和三维流动分析，可完成多种参考体系下流场模拟、定常和非定常流动分析、不可压流和可压流计算、层流和湍流模拟、传热和热混合分析、化学组分混合和反应分析、多相流分析、固体与流体耦合传热分析、多孔介质分析等，它的湍流模型包括k-ε模型、Reynolds应力模型、LES模型、标准壁面函数、双层近壁模型等。

图2-4 FLUENT软件的基本控制体形状

●FLUENT软件可以自定义多种边界条件，如流动入口以及出口边界条件、壁面边界条件等，可采用多种局部的笛卡儿和圆柱坐标系的分量输入，所有边界条件均可以随空间和时间变化，包括轴对称和周期变化等。FLUENT软件提供的用户自定义子程序功能，可让用户自行设定连续方程、动量方程、能量方程或组分输运方程中的体积源项，自定义边界条件、初始条件、流动的物性、添加新的标量方程和多孔介质模型等。

●FLUENT软件是用C语言编写的，实现高效的并行数据结构，具有很大的灵活性与很强的处理能力。此外，FLUENT软件使用Client/Server结构，它允许同时在用户桌面工作站和高性能的服务器上并行地运行程序。

●FLUENT软件中解的计算与显示可以通过交互式的用户界面来完成。用户界面是通过Scheme语言编写成的。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，还可以使用基于C语言的用户自定义函数功能对FLUENT软件进行扩展。 此外，FLUENT 6.3还具有其他独有的特点：

●可以方便设置惯性或非惯性坐标系、复数基准坐标系、滑移网格以及动静翼互相作用模型化后的连续界面。

●内部集成丰富的物性参数数据库，含有大量的材料可供选用，用户可以方便地自定义材料。

●具有高效率的并行计算功能，提供多种自动/手动分区算法；内置MPI并行计算机制可大幅度提高并行效率。

●具有友好的用户界面，提供了二次开发接口，即用户自定义函数（UDF）。

●含有后处理和数据输出功能，可以对计算结果进行处理，生成可视化图形以及相应的曲线、报表等。