FLUENT 软件是由美国FLUENT 公司于1983 年推出的CFD (Computational Fluid Dynamics， 计算流体动力学) 软件， 它是一个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。 FLUENT 采用C/C ++语言编写， 从而能大大提高对计算机内存的利用率， 因此， 动态内存分配、 高效数据结构、 灵活地求解控制都是有可能的。 除此之外， 为了高效执行、 交互控制， 以及灵活地适用各种操作系统， 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。 FLUENT 提供了灵活的网格特性， 用户可方便地使用结构网格和非结构网格对各种复杂区域进行网格划分。 对于二维问题， 可生成三角形单元网格和四边形单元网格； 对于三维问题， 提供的网格单元包括四面体、 六面体、 棱锥、 楔形体及杂交网格等。 FLUENT 还允许用户根据求解规模、 精度和效率等因素， 对网格进行整理或局部的细化和粗化。 对于具有较大梯度的流动区域， FLUENT 提供的网格自适应特性可让用户在很高的精度下得到流场的解。 目前FLUENT 已被ANSYS公司收购， 且成为ANSYS 中的一个流体分析模块。
3.1.2.1 FLUENT 的特点及组成
1.软件特点
(1) 完全非结构网格。 FLUENT 软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法， 而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法。
(2) 定常/非定常流动模拟。
(3) 先进的动/变形网格技术。 FLUENT 软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题， 用户只需要指定初始网格和运动壁面的边界条件， 余下的网格变化完全由解算器自动生成。 FLUENT 解算器包括NEKTON、FIDAP、 POLYFLOW、 ICEPAK 以及MIXSIM。 网格变形方式有三种——弹簧压缩式、 动态铺层式以及局部网格重生式， 其局部网格重生式是FLUENT 所独有的， 而且用途广泛， 可用于非结构网格、 解决变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力决定的问题。
(4) 多网格支持功能。 FLUENT 软件具有强大的网格支持能力， 支持界面不连续的网格， 混合网格、 动/ 变形网格以及滑动网格等。 值得强调的是，FLUENT 软件还拥有多种基于解的网格的自适应技术、 动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术。
(5) 多种数值算法。 FLUENT 软件采用有限体积法， 提供了三种数值算法： 非耦合隐式算法、 耦合显式算法、 耦合隐式算法， 分别适用于不可压、亚声速、 超声速乃至高超声速流动。
①非耦合隐式算法(Segregated Solver)： 该算法源于经典的SIMPLE 算法， 其适用范围为不可压缩流动和中等可压缩流动。 这种算法不对N-S 方程联立求解， 而是对动量方程进行压力修正。 该算法是一种很成熟的算法， 在应用上经过了很广泛的验证。 该算法可与多种燃烧、 化学反应、 辐射、 多相流模型与其配合， 适用于低速流动的CFD 模拟。
②耦合显式算法(Coupled Explicit Solver)： 该算法由FLUENT 公司与NASA 公司联合开发， 主要用来求解可压缩流动。 与SIMPLE 算法不同， 该算法对整个N-S 方程组进行联立求解， 空间离散采用通量差分分裂格式， 时间离散采用多步Runge-Kutta 格式， 并采用多重网格加速收敛技术。 对于稳态计算， 该算法还采用了当地时间步长和隐式残差光顺技术。 耦合显式算法的稳定性好， 内存占用小， 应用极为广泛。
③耦合隐式算法(Coupled Implicit Solver)： 该算法是其他所有商用CFD软件都不具备的。 该算法也对N-S 方程组进行联立求解， 由于其采用隐式格式， 因而计算精度与收敛性要优于耦合显式算法， 但占用较多内存。 耦合隐式算法的另一个突出优点是可以求解全速度范围， 即求解范围从低速流动到高速流动。
(6) 先进的物理模型。 FLUENT 软件包括丰富而先进的物理模型， 例如：
①FLUENT 软件能够精确地模拟无粘流、 层流、 湍流。 湍流模型包括Spalart-Allmaras 模型、 κ-ω 模型组、 κ -ε 模型组、 雷诺应力模型(RSM)组、 大涡模拟模型(LES) 组， 以及最新的分离涡模拟(DES) 和V2F 模型等。 另外， 用户还可以定制或添加自己的湍流模型(包含多种湍流模型， 针对不同的问题可以采用更恰当的模型进行模拟)。
②FLUENT 软件适用于牛顿流体或非牛顿流体。
③FLUENT 软件可以完成强制/自然/混合对流的热传导， 固体/流体的热传导、 辐射等计算。
④FLUENT 软件包含多种化学反应及燃烧模型(如有限速率、 PDF、 层流火焰、 湍流火焰等多种模型)， 可以完成化学组分的混合/反应计算。
⑤FLUEN 软件具有离散项的拉格朗日跟踪计算功能。
(7) FLUENT 独有的特点。
①FLUENT 软件可以方便地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相互作用模型化后的接触界面。
②FLUENT 软件内部集成丰富的物性参数的数据库， 里面有大量的材料可以选用， 此外， 用户可以非常方便地定制自己的材料。
③FLUENT 软件具有高效的并行计算功能， 提供各种自动/手动分区算法；内置MPI 并行机制， 大幅度提高并行效率。 另外， FLUENT 软件特有动态负载平衡功能， 能确保全局高效并行计算。
④FLUENT 软件提供了友好的用户界面， 并为用户提供了二次开发接口(UDF)。
⑤FLUENT 软件后置处理和数据输出， 可对计算结构进行处理， 生成可视化的图形， 并给出相应的曲线、 报表等。
2.软件组成
一套基本的FLUENT 软件包含两个部分， 即Gambit 和FLUENT。 Gambit 的主要功能是几何建模和网格划分。 从本质上讲， FLUENT 只是一个求解器，FLUENT 本身提供的主要功能包括导入网格模型、 提供计算的物理模型、 施加边界条件和材料特征、 求解和后处理。 此外， 还有专门针对旋转机械的几何建模和网格划分模块Gambit/Turbo 以及其他专门用途的功能模块。
1) Gambit 创建网格
Gambit 拥有完整的建模手段， 可以生成复杂的几何模型。 此外， Gambit含有CAD/CAE 接口， 可以方便地从其他CAD/CAE 软件中导入建好的几何模型或网格。
2) FLUENT 解算及后置处理
FLUENT 对于不同的问题都具有很好的收敛性、 稳定性和精度。 FLUENT具有强大的后置处理功能， 能够完成CFD 计算所需求的功能， 包括速度矢量图、 等值线图、 等值面图、 流动轨迹图， 并具有积分功能， 可以求得力、 力矩及其对应的力和力矩系数、 流量等。 对于用户关心的参数和计算中的误差，可以随时进行动态跟踪显示。 对于非定常计算， FLUENT 提供了非常强大的动画制作功能， 能在迭代过程中将所模拟非定常现象的整个过程记录成动画文件， 供后续的分析演示。
3) Gambit/Turbo 模块
该模块主要用于旋转机械的叶片造型及网格划分， 由于该模块是根据Gambit 的内核定制出来的， 因此它与Gambit 是直接耦合在一起的， 采用Turbo 模块生成的叶型或网络可以直接用Gambit 的功能进行其他方面的操作，从而可以生成更加复杂的叶型结构。 例如， 对于涡轮叶片， 可以先采用Turbo模块生成光叶片， 然后通过Gambit 的操作直接在叶片上开孔或槽， 也可以通过布尔运算或切割生成复杂的内冷通道等。 因此， Turbo 模块可以极大地提高叶轮机械的建模效率。
4) Pro/E Interface 模块
该模块用于与Pro/E 软件直接传递几何数据、 实体信息， 以提高建模效率。
5) Deforming Mesh 模块
该模块主要用于计算域随时间发生变化情况下的流场模拟， 如飞行器姿态变化过程的流场特性模拟、 飞行器分离过程的模拟、 飞行器轨道的计算等。
6) Flow-induced Noise Prediction 模块
该模块主要用于预测所模拟流动的气动噪声。 在工程应用上， 可用于降噪。 例如， 用于车辆领域或风机等领域， 降低气流噪声。
7) Magneto Hydrodynamics 模块
该模块主要用于模拟磁场、 电场作用时对流体流动的影响， 主要用于冶金及磁流体发电领域。
8) Continuous Fiber Modeling 模块
该模块主要用于纺织工业， 用于纤维的拉制成型过程的模拟。
3.1.2.2 FLUENT 的功能
FLUENT 广泛用于航空、 汽车、 机械、 水利、 电子、 发电、 建筑设计、 材料加工、 加工设备、 环境保护等领域， 其主要模拟能力包括：
(1) 用非结构自适应网格模拟二维或者三维流场， 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。
(2) 不可压或可压流动。
(3) 定常状态或者过渡分析。
(4) 模拟无黏流、 层流和湍流。
(5) 适用于牛顿流或者非牛顿流。
(6) 对流热传导， 包括自然对流和强迫对流。(www.xing528.com)
(7) 耦合热传导和对流。
(8) 模拟辐射热传导模型。
(9) 惯性(静止) 坐标系、 非惯性(旋转) 坐标系模型。
(10) 多重运动参考框架， 包括滑动网格界面和rotor/stator interaction modeling 的混合界面。
(11) 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。
(12) 热、 质量、 动量、 湍流和化学组分的控制体源。
(13) 粒子、 液滴和气泡的离散相的拉格朗日轨迹的计算， 包括和连续相的耦合。
(14) 多孔流动。
(15) 一维风扇/热交换模型。
(16) 两相流， 包括气穴现象。
(17) 复杂外形的自由表面流动。
3.1.2.3 典型FLUENT 分析过程
使用FLUENT 解决某一问题时， 首先要考虑如何根据目标需要选择相应的物理模型； 其次明确所要模拟的物理系统的计算区域及边界条件， 以及确定二维问题还是三维问题。 在确定所解决问题的特征之后， FLUENT 的分析过程基本包括以下步骤：
第1 步， 创建几何结构的模型以及生成网格。
可以使用Gambit 或其他CAD 系统产生几何模型及网格。
第2 步， 运行合适的解算器。
FLUENT 包含两类解算器(单精度2d、 3d， 双精度2d、 3d)， 大多数情况下， 单精度解算器高效准确， 但是对于某些问题如几何图形长度尺寸相差太多的模型， 使用双精度解算器更合适。
第3 步， 导入网格模型。
选择菜单项“File”→“Read”→“Case&Data”， 导入case 文件和data 文件，扩展名分别为.cas 和.dat。 一般来说， 一个case 文件包括网络、 边界条件和解的控制参数。 如果网格文件是其他格式， 则通过选择“File”→“Import” 进行导入。 主要的文件格式有以下几种：
◆jou 文件： 日志文档， 可以编辑运行。
◆dbs 文件： Gambit 工作文件。
◆msh 文件： 从Gambit 输出的网格文件。
◆cas 文件： 经FLUENT 定义后的文件。
◆dat 文件： 经FLUENT 计算的数据结果文件。
第4 步， 检查网格。
在读入网格文件之后， 应检查网格， 相应的选择菜单项为 “Grid”→“Check”。 在检查过程中， 可以在控制台窗口中看到区域范围、 体积统计以及连通性信息。 网格检查最容易出现的问题是网格体积为负数。 如果最小体积是负数， 就需要修复网格， 以减少解域的非物理离散。
第5 步， 选择解的格式。
根据问题的特征来选择解的具体格式， 在FLUENT 中有两种方法可以选择： 基于压力的求解器； 基于密度的求解器。 从传统上讲， 基于压力的求解器是针对低速、 不可压缩流开发的， 基于密度的求解器是针对高速、 可压缩流开发的。 但近年来这两种方法被不断扩展和重构， 使得它们可以突破传统上的限制， 可以求解更为广泛的流体流动问题。 基于压力的求解器有两个，一个是分离算法， 另一个是耦合算法。 基于密度的求解器也有两个， 即基于密度的隐式求解器、 基于密度的显式求解器。
第6 步， 选择需要解的基本模型方程。
例如， 层流、 湍流(无黏)、 化学组分、 化学反应、 热传导模型等。
第7 步， 确定所需要的附加模型。
例如， 风扇、 热交换、 多孔介质等。
第8 步， 指定材料物理性质。
可以在材料数据库中选择气体属性， 或者创建自己的材料数据。
第9 步， 指定边界条件。
选择菜单项“Defin”→“Boundary”→“Conditions”， 设定边界条件的数值与类型。
第10 步， 调节解的控制参。
选择菜单项“Solve”→“Control”， 在打开的面板里可以改变亚松弛因子、多网络参数以及其他流动参数的默认值。 一般在计算过程中需要监控计算收敛及精度的变化情况。 例如， 需要激活残差图(Residual Plotting)， 则选择菜单项“Solve”→“Monitors”→“Residual”， 在选项中， 打开“Plot” 选项， 激活残差图形， 然后单击“OK” 按钮， 就可以在计算过程中查看残差， 残差变化曲线由上到下逐渐减少的趋势表明计算有收敛的可能， 结果可能比较理想。
第11 步， 初始化流场。
迭代之前一般需要初始化流场， 即提供一个初始解。 用户可以从一个或多个边界条件算出初始解， 也可以根据需要设置流场的数值， 相应的选择菜单项为“Solve”→“Initialize”→“Initialize”。
第12 步， 计算解。
迭代计算时， 需要设置迭代步数， 相应的选择菜单项为 “Solve”→“Iterate”。
第13 步， 检查结果。
通过图像窗口中的残差图查看收敛过程， 通过残差图可以了解迭代解是否已经收敛到允许的误差范围； 观察流场分布图， 相应的选择菜单项为“Display”→“Velocity”→“Vectors”。
第14 步， 保存结果。
问题的定义和FLUENT 计算结果分别保存在case 文件和data 文件中， 必须保存这两个文件， 以便以后重新气动分析。 保存case 文件和data 文件相应的选择菜单项为“File”→“Write”→“Case&Data”。
若有必要， 可修改网格和计算模型， 然后重复上述过程重新进行计算。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
