1.2 Fluent简介

Fluent软件是当今世界CFD仿真领域最为全面的软件包之一，具有广泛的物理模型，能够快速准确地得到CFD分析结果。

Fluent软件拥有模拟流动、湍流、热传递和反应等广泛物理现象的能力，在工业上的应用包括从流过飞机机翼的气流到炉膛内的燃烧，从鼓泡塔到钻井平台，从血液流动到半导体生产，以及从无尘室设计到污水处理装置等。软件中的专用模型可以用于开展缸内燃烧、空气声学、涡轮机械和多相流系统的模拟工作。

现今，全世界范围内数千计的公司将Fluent与产品研发过程中的设计和优化阶段相整合，并从中获益。先进的求解技术可提供快速、准确的CFD结果，灵活的移动和变形网格，以及出众的并行可扩展能力。用户自定义函数可实现全新的用户模型和扩展现有模型。

Fluent中交互式的求解器设置、求解和后处理能力可让用户快速暂停计算过程，利用集成的后处理检查结果改变设置，并用简单的操作继续执行计算。

Fluent是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。它提供了完全的网格灵活性，用户可以使用非结构网格，如二维三角形或四边形网格、三维四面体/六面体/金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动，甚至可以使用混合型非结构网格。软件允许用户根据解的具体情况对网格进行修改（细化/粗化）。

对于大梯度区域，如自由剪切层和边界层，为了非常准确地预测流动，自适应网格是非常有用的。与结构网格和块结构网格相比，这一特点很明显地减少了产生“好”网格所需的时间。对于给定精度，解适应细化方法使网格细化变得很简单，由于网格细化仅限于那些需要更多网格的求解域，所以大大减少了计算量。

Fluent是用C语言写的，因此具有很大的灵活性，动态内存分配、高效数据结构、灵活的解控制都是可能的。除此之外，为了高效地执行、交互地控制，以及灵活地适应各种机器与操作系统，Fluent使用客户端/服务器结构，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。

1.2.1 Fluent启动

Fluent应用程序有直接启动及在Workbench中启动两种方式。以Windows系统为例。

（1）直接启动

只要执行“开始”→“所有程序”→ANSYS 2020 R1→Fluid Dynamics→Fluent 2020 R1命令，便可启动Fluent，进入软件主界面。或者，在DOS窗口中输入“C：\Program Files\Program Files\ANSYS Inc\v201\fluent\ntbin\win64\fluent.exe”命令（根据安装位置），即可启动Fluent。

（2）在Workbench中启动

在Workbench中启动Fluent首先需要运行Workbench程序，然后再导入Fluent计算模块，进入程序。步骤如下。

1）执行“开始”→“所有程序”→ANSYS 2020 R1→Workbench命令，启动ANSYS Workbench 2020 R1，进入图1-2所示的主界面。

2）双击主界面Toolbox（工具箱）中的Component systems→Fluent选项，即可在项目管理区创建分析项目A，如图1-3所示。

3）双击分析项目A中的Setup，将直接进入Fluent软件。Fluent软件启动后，进入Launcher界面，如图1-4所示。

4）通过Launcher界面可以设置计算问题是二维问题（2D）还是三维问题（3D），设置计算的精度（单精度或者双精度），设置计算过程是串行计算还是并行计算，设置项目打开后是否直接显示网格等功能。

Meshing Mode是Fluent 2020 R1自带的网格功能，勾选此选项可以进入Fluent的网格划分模式。

提示：Meshing Mode只有在3D模型下才可选，因为Fluent整合的Meshing功能只能划分三维体网格。

1.2.2 Fluent用户界面

Fluent用户界面用于定义并求解问题，包括导入网格、设置求解条件以及进行求解计算等。

Fluent可以导入的网格类型较多，包括ANSYS Meshing生成的网格、CFX网格工具生成的网格、CFX后处理中包含的网格信息、ICEM CFD生成的网格、Gambit生成的网格等。

Fluent中内置了大量的材料数据库，包括各种常用的流体、固体材料，如水、空气、铁、铝等。用户可以直接使用这些材料定义求解问题，也可以在这些材料的基础上进行修改或创建一种新材料。

Fluent中可以设置的求解条件很多，包括定常/非定常问题、求解域、边界条件和求解参数。

Fluent界面如图1-5所示，大致分为五个区域。

● Ribbon选项卡：Fluent遵循了常规软件的方式，主菜单里包含了软件的全部功能。

● 模型设置区：涉及Fluent计算分析的全部内容，包括网格、求解域、边界条件、后处理、显示等。

● 设置面板：在模型设置区某一功能被单击选中后，设置面板将用来对这一功能进行详细设置。

● 其他：右半部分分为上下两个区域，上面是图形区，以图形方式直观地显示模型；下面是文本信息区。

1.2.3 Fluent计算类型及应用领域

Fluent可以计算的流动类型如下。

1）任意复杂外形的二维/三维流动。

2）可压缩、不可压缩流动。

3）定常、非定常流动。

4）无黏流、层流和湍流。

5）牛顿、非牛顿流体流动。

6）对流传热，包括自然对流和强迫对流。

7）热传导和对流传热相耦合的传热计算。

8）辐射传热计算。

9）惯性（静止）坐标、非惯性（旋转）坐标下中的流场计算。

10）多层次移动参考系问题，包括动网格界面和计算动子/静子相互干扰问题的混合面等。

11）化学组元混合与反应计算，包括燃烧模型和表面凝结反应模型。

12）源项体积任意变化的计算，源项类型包括热源、质量源、动量源、湍流源和化学组分源项等形式。

13）颗粒、水滴和气泡等弥散相的轨迹计算，包括弥散相与连续项相耦合的计算。

14）多孔介质流动计算。

15）用一维模型计算风扇和换热器的性能。

16）两相流，包括带空穴流动计算。

17）复杂表面问题中带自由面流动的计算。

简而言之，Fluent适用于各种复杂外形的可压缩和不可压缩流动计算。

1.2.4 Fluent求解步骤

Fluent是一个CFD求解器，在计算分析之前要在头脑中先勾勒出一个计划，然后再按照计划进行工作。

1.制订分析方案

制订步骤之前，需要了解下列问题。

● 确定工作目标：明确计算的内容、计算结果的精度。

● 选择计算模型：考虑如何划定流场、流场的起止点在哪、如何定义边界条件、是否可以用二维进行计算、网格采用的拓扑结构等。

● 选择物理模型：流动是无黏流、层流还是湍流；流动是可压缩的还是不可压缩的；是否需要考虑传热问题；流场是定常还是非定常的；计算中是否还要考虑其他物理问题。

● 确定求解流程：要计算的问题能否采用系统默认的设置简单地完成，是否可以加快计算的收敛，计算机的内存是否够用，计算需要多长时间。

仔细思考上述问题可以更好地完成计算，否则在计算的过程中就会经常遇到意想不到的问题，造成返工、浪费时间、降低效率。

2.求解步骤

确定所解决问题的特征之后，需要进行以下几个基本的步骤来解决问题。

1）创建网格。

2）运行合适的解算器：2D、3D、2DDP、3DDP。

3）输入网格。

4）检查网格。

5）选择求解格式。

6）选择需要解的基本方程：层流还是湍流（无黏）、化学组分还是化学反应、热传导模型等。

7）确定所需要的附加模型：风扇、热交换、多孔介质等。

8）指定材料的物理性质。

9）指定边界条件。

10）调整求解控制参数。

11）初始化流场。

12）计算求解。

13）检查结果。

14）保存结果。

15）必要的话，细化网格，改变数值和物理模型。

Fluent的计算步骤与Ribbon选项卡的对应项见表1-1。