第2章 CFD软件Fluent简介
2.1 Fluent概述
Fluent是目前国际上主流的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%。凡是和热传递、流体、化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、强大的前后处理功能、先进的数值方法。广泛应用于航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面。为了解决边界运动的问题，FLUENT软件中开发了动/变形网格技术，用户只需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。 网格变形方式有三种：动态铺层式、弹簧压缩式以及局部网格重生式。其中局部网格重生式是FLUENT所独有的，而且用途广泛，可用于变形较大问题、非结构网格以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题；FLUENT软件拥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动态自适应技术、自适应技术。
2.2 Fluent软件的基本特性
2.2.1 Fluent软件的网格特性
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。Fluent网格具有非常灵活的特性，可以让用户使用非结构网格，包括三角形、四面体、四边形、六面体、金字塔形网格来解决具有复杂外形的流体流动，甚至可以用混合型非结构网格。根用户可以据解的具体情况对网格进行修改，像简化或者粗化。Gambit作为Fluent前处理软件，能够读入多种CAD软件的三维几何模型和多种CAE软件的网格模型。Fluent可用于二维轴对称、二维平面和三维流动分析，能够完成多种参考系下的流场模拟、不可压流和可压流计算、定常与非定常流动分析、层流和湍流模拟等。它的湍流模型包括k-ε模型、LES模型双层近壁模型Reynolds应力模型等。
2.2.2 Fluent软件定义边界条件特性
Fluent可让用户定义多种边界条件，如流动入口和出口边界条件避免边界条件等，可采用多种局部的笛卡尔和圆柱坐标系的分量流入，所有边界条件均可随时间和空间变化，包括轴对称和周期变化等。
6
2.2.3 Fluent软件的处理特性
Fluent使用C语言写的，可实现动态内存分配及高校数据结构，具有极大的灵活性和很强的处理能力。它还提供了用户自定义子程序功能，可让用户自行定义连续方程、动量方程、能量方程，自定义边界条件初始条件、流体的物性等，这给特殊问题的处理带来了极大的方便。
2.3 Fluent的程序结构
Fluent程序软件包括以下几个部分组成： ⑴ Gambit——用于建立几何结构和网格的生成。 ⑵ Fluent——用于进行流动模拟的求解器。 ⑶ prePDF——用于模拟PDF燃烧过程。 ⑷ TGrid——用于从现有的边界网格生成体网格。 ⑸ Filter——将其他程序生成的网格，用于Fluent计算。
利用Fluent软件进行流体与传热的模拟计算流程如图2-1所示。首先利用Gambit进行流体区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成，并输出用于Fluent求解器计算的格式；然后利用Fluent求解器对流动区域进行求解计算，并进行计算结果的后处理。
图2-1 基本程序机构示意图
7
2.4 Fluent程序可以求解的问题
Fluent软件可以计算二维和三维流动计算问题，在计算过程中，网格可以自适应调整。Fluent软件应用非常广泛，主要范围如下： (1) 可压缩与不可压缩问题。 (2) 稳态和瞬态流动问题。 (3) 无黏流，层流及湍流问题。 (4) 牛顿流体及非牛顿流体。 (5) 对流换热问题。
（6) 导热与对流换热耦合问题。 (7) 辐射换热问题。
(8) 惯性坐标系和非惯性坐标系下流动问题模拟。
(9) 用Lagrangian轨道模型模拟稀流相（颗粒，水滴，气泡等）。 (10) 一维风扇、热交换器性能计算。 (11) 两相流问题。
（12 复杂表面形状下的自由面流动问题。
2.5 用Fluent程序求解问题的步骤
利用FLUENT软件求解问题的具体步骤如下： (1) 确定几何形状，生成计算网格（用GAMBIT）. (2) 选择2D /3D求解器。 (3) 输入并检查网格。 (4) 选择求解的方程。 (5) 确定流体的材料性质。 (6) 两相属性设置。
(7) 确定边界类型及边界条件。 (8) 条件计算控制参数。
(9) 流场初始化。 （10）求解计算。
8
第3章 建立所需模型与计算
3.1 DesignModeler几何建模 DesignModeler中能够实现CAD与CAE互换。创建想要设计的模型是产品研发
的第一步，当然也是最为核心的一部。DesignModeler是CAD与CAE的桥梁，CAD模型通常不会考虑CAE分析的需要。DesignModeler基于Workbench,提供适用于有限元计算的建模功能，包含具体模型创建，CAD模型修复、CAD模型简化，以及概念化模型创建功能。
3.2 圆管几何模型的建立 3.2.1 实例概述
圆管内部流体与管壁的相对运动会产生一定程度的振动而使管道系统动力失稳，严重时会给系统带来灾难性的毁坏。故研究弯管内多相流的速度、压力分布等流动特性，不仅能够为安全输运、流动参数控制等提供参考，还可为管线防腐、节能降耗措施选取等提供依据。管道的几何尺寸如图3-1所示。其中H1=7.5cm,V2=13.6cm。
图3-1 管道草图
3.2.2 模型建立
这个模型很简单，workbench可以建立比较复杂的模型。步骤大概如下：首先得下载ANSYS,它里面包含了几何建模，网格划分，及FLUENT仿真分析。打开Work-Bench双击Toolbox菜单下Component Systems中的Geometry。在树形菜单中选择XY-Plane,
9