1.5 FLUENT的基础操作_精通CFD工程仿真与案例实战：FLUENT GAMBIT ICEM CFD Tecplot（第2版）-QQ阅读男生历史网

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1.5 FLUENT的基础操作

本节将通过一个实际的FLUENT算例来展示FLUENT求解流动过程的基本操作。

本节的算例涉及弯道混合管。管道混合部件在各类工业应用中很常见。实际工业过程通常需要由给定的管道入口处的速度和温度预测管道中的局部流场和温度，这可以通过CFD模拟预测。

通过对这个开篇基础算例的学习，用户将学习到以下几点。

● 建立FLUENT求解的基本印象，对CFD求解过程有感性和理性的基本认识。

● 学习读入并检查网格的步骤、操作界面和基本方法。

● 学习设定模型和物性的步骤和基本方法。

● 学习设定边界条件和求解参数的步骤和基本方法。

● 学习简单的后处理功能显示云图、矢量图和XY点图。

● 了解使用二阶迎风格式提高求解精度的方法，并将其应用于该算例计算。

算例问题描述：

该算例的计算域如图1-7所示。冷流体以26℃的温度进入大直径的管道，在弯道处与初始温度为40℃的热流体混合。管道尺寸单位为英寸，流体物性和边界条件以国际单位为主。主进口处的雷诺数为2.03×105，因此流动为湍流。

图1-7 计算域

图1-7中，Ux为x方向的速度，Uy为y方向的速度，T为温度，I为湍流强度，Density为流体密度，Viscosity为流体的粘度，Conductivity为流体的导热率，Specific Heat为流体的比热容。

1.5.1 启动ANSYS FLUENT求解器

将光盘内的文件夹elbow复制到工作文件夹中。单击ANSYS FLUENT快捷方式图标（）启动FLUENT。这时FLUENT Launcher（见图1-8）将会启动，通过FLUENT Launcher可以选择启动相应的FLUENT求解器。

图1-8 FLUENT Launcher

这时进行以下操作。

（1）在Dimension选项组中选中2D选项。因为本算例的计算域是二维的，因此选择2D求解器。

（2）在Processing Options选项组中选中Serial选项。本算例不采用并行计算。

（3）确保Display Mesh After Reading、Embed Graphics Windows和Workbench Color Scheme复选框都被勾选。

（4）确保没有勾选Double Precision复选框。本算例使用单精度求解器，不需勾选该复选框。

注：通过单击Default按钮，可以恢复默认设置。

单击Show More按钮即可出现如图1-9所示的更多选项。这时应在Working Directory组合框中输入工作目录的路径，或通过单击按钮来选择路径。

图1-9 FLUENT Launcher的展开界面

操作完成后，单击OK按钮，启动ANSYS FLUENT。

1.5.2 读入网格文件

读入名为elbow.msh的网格文件。

操作为File/Read/Mesh。

在工作目录文件夹中找到上一步骤中复制过来的elbow文件夹，读入文件夹内的elbow.msh文件。读入网格文件后，控制台中出现以下提示。

        > Reading "C:\TUTFILES\ELBOW\ELBOW.MSH"...
              383 nodes.
              154 nodes.
            1300 2D interior faces, zone  3.
              100 2D wall faces, zone  4.
                8 2D velocity-inlet faces, zone  5.
                4 2D velocity-inlet faces, zone  6.
                8 2D pressure-outlet faces, zone  7.
              34 2D wall faces, zone  8.
              918 triangular cells, zone  9.

        Building...
              mesh
              materials,
              interface,
              domains,
              zones,
                  fluid-9
                  wall-8
              pressure-outlet-7
              velocity-inlet-6
              velocity-inlet-5
              wall-4
              internal-3
        Done.

1.5.3 网格检查

在导航栏的General一栏进行网格检查操作，操作为General/Check。ANSYS FLUENT将在控制台中报告网格检查的结果。

该提示中，Domain Extents显示的是计算域在x和y方向上的尺寸（单位为m）。应尤其注意，Volume statistics下的minimum volume不能为负值，若出现负值，则说明该网格有负体积，需重新进行网格划分。

        Domain Extents:
            x-coordinate: min (m)=0.000000e+000, max (m)=6.400001e+001
            y-coordinate: min (m)=-4.538534e+000, max (m)=6.400000e+001
          Volume statistics:
            minimum volume (m3): 2.782191e-001
            maximum volume (m3): 3.926230e+000
              total volume (m3): 1.682930e+003
          Face area statistics:
            minimum face area (m2): 8.015718e-001
            maximum face area (m2): 4.118252e+000
          Checking number of nodes per cell.
          Checking number of faces per cell.
          Checking thread pointers.
          Checking number of cells per face.
          Checking face cells.
          Checking cell connectivity.
          Checking bridge faces.
          Checking right-handed cells.
          Checking face handedness.
        Checking face node order.
        Checking closed cells.
        Checking contact points.
        Checking element type consistency.
        Checking boundary types.
        Checking face pairs.
        Checking wall distance.
        Checking node count.
        Checking nosolve cell count.
        Checking nosolve face count.
        Checking face children.
        Checking cell children.
        Checking storage.
      Done.

1.5.4 尺寸检查

进行General/Scale操作后，弹出Scale Mesh对话框，如图1-10所示，然后进行以下操作。

图1-10 计算域缩放设置对话框

（1）确保Scaling选项组中的Convert Units选项被选中。

（2）在Mesh Was Created In下拉列表中选择in，即设定创建网格时的单位为英寸。

（3）单击Scale按钮，进行网格尺寸转换操作。此时应注意只单击一次Scale按钮，若多次单击Scale按钮，网格尺寸可能进行了多次转换。

（4）在View Length Unit In下拉列表中选择in（英寸）作为操作时显示的长度单位。

（5）单击Close按钮关闭Scale Mesh对话框。

此时，计算域网格尺寸被正确设定，且后续操作中遇到的长度单位都设置为英寸。

1.5.5 网格光顺化

在菜单栏中的Mesh下拉菜单中选择Smooth/Swap命令，弹出Smooth/Swap Mesh对话框（见图1-11），然后进行网格光顺化操作。

图1-11 网格光顺化设置对话框

（1）单击Smooth按钮，再单击Swap按钮，并重复该操作，直到控制台中提示Number Swapped的数为0。

（2）单击Close按钮关闭Smooth/Swap Mesh对话框。

1.5.6 显示网格

（1）进行General / Display操作，弹出Mesh Display对话框（见图1-12），保持默认设置，然后单击Display按钮，网格将在窗口中显示，如图1-13所示。

图1-12 网格显示对话框

图1-13 网格显示

（2）用户可以通过鼠标中键（滚轮）画出一个长方形区域，以进行放大或缩小图形显示的操作。以右下方向画出长方形为放大图形显示的操作，以左上方画出长方形为缩小图形显示的操作。

1.5.7 模型参数设置

（1）保持导航栏中General下的默认选项，如图1-14所示。

图1-14 导航栏中General中的选项

（2）在导航栏内进行Models / Viscous / k-epsilon操作，弹出Viscous Model对话框。设置湍流模型为k-ε模型（见图1-15），然后保持Viscous Model对话框内的默认参数设置，单击OK按钮关闭该对话框。

图1-15 湍流模型设置对话框

（3）在导航栏内进行Model / Energy操作，弹出Energy对话框，勾选Energy Equation复选框，如图1-16所示。

图1-16 Energy对话框

1.5.8 物性参数设置

单击导航栏中的Material选项，双击任务页面中的Fluid选项，弹出Create/Edit Materials对话框（见图1-17）。在Name文本框中输入water，在Properties选项组中设置如表1-1所示的物性。

表1-1 物性参数设置

图1-17 材料物性设置

（1）单击Change/Create保存数据。当FLUENT询问是否覆盖air的物性时，单击No按钮。此时，water作为一种物质已经加入到了物性列表中，这样Fluid中便有了两种物质，即water和air。

（2）单击Close按钮关闭对话框。

1.5.9 边界条件参数设置

1．设置计算域流体

进行Define / Cell Zone Conditions操作，弹出Cell Zone Conditions设置面板。

① 在Cell Zone Conditions设置面板内选择fluid-9选项，如图1-18所示。

图1-18 Cell Zone Conditions设置面板

② 单击Edit按钮，弹出Fluid对话框，如图1-19所示。

图1-19 Fluid对话框

③ 在Fluid对话框中的Material Name下拉列表下选择water，然后单击OK按钮。

2．设置冷流体入流的边界条件

进行Define / Boundary Conditions操作，弹出Boundary Conditions设置面板。

（1）在Boundary Conditions设置面板（见图1-20）内选择velocity-inlet-5选项。

图1-20 边界条件设置面板

（2）单击Edit按钮，弹出Velocity Inlet对话框，在Velocity Magnitude(m/s) 文本框中输入0.2，如图1-21所示。

图1-21 速度进口边界条件设置对话框

（3）在Specification Method下拉列表中选择Intensity and Hydraulic Diameter选项。

（4）在Turbulent Intensity (%)文本框中输入5，在Hydraulic Diameter (in)文本框中输入32。

（5）选择Thermal选项卡，在Temperature (k) 文本框中输入293，如图1-22所示。

图1-22 速度进口边界温度设置对话框

（6）单击OK按钮关闭对话框。

提示：如果用户不确定velocity-inlet-5这个边界代表哪一个进口，可以进行Display/ Mesh操作，在弹出的Mesh Display对话框内单独选择该边界显示，这样即可确认该边界代表的位置。

3．设置热流体入流的边界条件

重复velocity-inlet-5边界的设置方法，并且输入如表1-2所示的数据。

表1-2 入流边界条件设置

4．设置pressure-outlet-7的边界条件

按照如图1-23和图1-24所示的参数设置Pressure-outlet-7的边界条件。

图1-23 压力出口设置对话框

图1-24 Thermal选项卡

对于wall-4的壁面，保持如图1-25所示的默认设置即可。

图1-25 壁面边界条件设置对话框

对于wall-8的壁面，也保持默认设置。

1.5.10 求解参数设置

1.Solve / Initialization

（1）在Solution Initialization设置面板内的Compute from下拉列表中选择all-zones选项，如图1-26所示。

图1-26 求解初始化面板

（2）单击Initialize按钮对计算域变量进行初始化。

2.Solve / Monitors

（1）在Monitors设置面板内选择Residuals - Print, Plot。然后单击Edit按钮，如图1-27所示。

图1-27 监视器设置面板

（2）弹出Residual Monitors对话框（见图1-28），保持默认设置即可，然后单击OK按钮。

图1-28 残差监视器设置对话框

注意：默认设置中所有的变量都被监视，并在迭代过程中确认其是否满足收敛条件。收敛将在满足变量的收敛标准后实现。默认的收敛标准是除能量残差的收敛标准为10-6外，其他变量的收敛标准都必须降低到10-3以下。

1.5.11 迭代求解

1.File/Write/Case

保存工况文件，文件名默认为elbow.cas。

2.Solve/Run Calculation

（1）在Run Calculation设置面板内的Number of Iterations数值框内输入500，如图1-29所示。

图1-29 求解运行设置面板

（2）单击Calculate按钮开始迭代。

迭代将在进行约60步后收敛，并且弹出如图1-30所示的迭代提示对话框，单击OK按钮即可。计算过程残差如图1-31所示。

图1-30 迭代提示对话框

图1-31 计算过程残差

3.File / Write / Date

保存数据文件，文件名默认为elbow.dat。

1.5.12 利用高阶离散格式获得精确解

使用一阶离散格式求解的结果可能并不精确，对速度和温度场的预测可能误差较大。采用二阶离散格式可以提高解的精确性。

1.Solution / Methods

在Solution Methods设置面板内（见图1-32），在Spatial Discretization选项组中的Momentum、Turbulent Kinetic Energy、Turbulent Dissipation Rate和Energy下拉列表中选择Second Order Upwind选项，即选择二阶离散格式。

图1-32 求解方法设置面板

2.Solution / Controls

在Solution Controls设置面板内将Energy的欠松弛因子设置为0.8，如图1-33所示。

图1-33 求解控制设置面板

3.Solution / Run Calculation

继续进行500步迭代，如图1-34所示，在Number of Iterations数值框内输入500，单击Calculate按钮。迭代将在继续约60步后收敛，计算过程残差如图1-35所示。

图1-34 求解运行设置面板

图1-35 计算过程残差

注意：当改变了求解模型或参数后，应继续进行迭代，并确保迭代完成后的残差满足收敛要求。

4.File / Write / Case & Data

保存第二次计算的二阶离散格式的工况和数据文件，文件名分别为elbow2.cas和elbow2.dat。此时迭代计算已经完成，下一步可以进行后处理操作。