完整版FLUENT知识点解析良心出品必属精品

PAGE\*MERGEFORMAT#，、基本设置DoublePrecision的选择启动设置如图，这里着重说说DoublePrecision（双精度）复选框，对于大多数情况，单精度求解器已能很好的满足精度要求，且计算量小，这里我们选择单精度。然而对于以下一些特定的问题，使用双精度求解器可能更有利⑴。几何特征包含某些极端的尺度（如非常长且窄的管道），单精度求解器可能不能足够精确地达各尺度方向的节点信息。如果几何模型包含多个通过小直径管道相互连接的体，而某一个区域的压力特别大（因为用户只能设定一个总体的参考压力位置），此时，双精度求解器可能更能体现压差带来的流动（如渐缩渐扩管的无粘与可压缩流动模拟）。对于某些高导热系数比或高宽纵比的网格，使用单精度求解器可能会遇到收敛性不佳或精确度不足不足的问题，此时，使用双精度求解器可能会有所帮助。[1]李鹏飞，徐敏义，王飞飞.精通CFD工程仿真与案例实战：FLUENTGAMBITICEMCFDTecplot[M].北京,人民邮电出版社，2011:114-116ANSYSIFLUENTLauncherDimensiona]2D\3DOptionsDoubleP「总匚isionFLUENTLauncherDisplayOptionsyDi$pl即MeshAherReadingyEmbedGraphicsWindowsJWorkbenchC口ImSchEEEProce^^ingOptions«SerialParallelparcelsShowMoreUpbore网格光顺化用光滑和交换的方式改善网格：通过Mesh下的Smooth/Swap来实现，可用来提高网格质量，一般用于三角形或四边形网格，不过质量提高的效果一般般，影响较小，网格质量的提高主要还是在网格生成软件里面实现，所以这里不再用光滑和交换的方式改善网格，其原理可参考《FLUEN■全攻略》（已）。Pressure-based与Density-based求解器设置如图。下面说一说Pressure-based和Density-based的区别：Pressure-BasedSolver是Fluent的优势，它是基于压力法的求解器，使用的是压力修正算法，求解的控制方程是标量形式的，擅长求解不可压缩流动，对于可压流动也可以求解；Fluent6.3以前的版本求解器，只有SegregatedSolver和CoupledSolver，其实也是Pressure-BasedSolver的两种处理方法；Density-BasedSolver是Fluent6.3新发展出来的，它是基于密度法的求解器，求解的控制方程是矢量形式的，主要离散格式有Roe,AUSM,+该方法的初衷是让Fluent具有比较好的求解可压缩流动能力，但目前格式没有添加任何限制器，因此还不太完善；它只有Coupled的算法；对于低速问题，他们是使用Preconditioning方法来处理，使之也能够计算低速问题。Density-BasedSolver下肯定是没有SIMPLECPISO这些选项的，因为这些都是压力修正算法，不会在这种类型的求解器中出现的；一般还是使用Pressure-BasedSolver解决问题。基于压力的求解器适用于求解不可压缩和中等程度的可压缩流体的流动问题。而基于密度的求解器最初用于高速可压缩流动问题的求解。虽然目前两种求解器都适用于各类流动问题的求解（从不可压缩流动到高度可压缩流动），但对于高速可压缩流动而言，使用基于密度的求解器通常能获得比基于压力的求解器更为精确的结果。TimeaSteadyTransientGravityUnits...GeneralMeshScale...CheckReportQualityDisplay^5okerVelocityForrnubtionQAbsoluteRelativeType»■Pressure-Based■Density^Sased2D9PlanarAxisymmetricAxisymmetricSwirlaxisymmetric禾口axisymmetricswirl从字面的意思很好理解axisymmetric和axisymmetricswirl的差别：axisymmetric:是轴对称的意思，也就是关于一个坐标轴对称，2D的axisymmetric问题仍为2D问题。而axisymmetricswirl:是轴对称旋转的意思，就是一个区域关于一条坐标轴回转所产生的区域，这产生的将是一个回转体，是3D的问题。在Fluent中使用这个,是将一个3D的问题简化为2D问题，减少计算量，需要注意的是，在Fluent中，回转轴必须是x轴。操作工况参数(OperatingConditions)操作压力的介绍关于参考压力的设定，首先需了解有关压力的一些定义。ANSYSFLUENT中有以下几个压力，即StaticPressure（静压）、DynamicPressure（动压）与TotalPressure（总压）；AbsolutePressure（绝对压力）'RelativePressure（参考压力）与OperatingPressure（操作压力）。这些压力间的关系为，TotalPressure（总压）二StaticPressure（静压）+DynamicPressure（动压）；AbsolutePressure（绝对压力）=OperatingPressure（操作压力）+GaugePressure（表压）。其中，静压、动压和总压是流体力学中关于压力的概念。静压是测量到的压力，动压是有关速度动能的压力，是流动速度能量的体现。而绝对压力、操作压力和表压是FLUENT5I入的压力参考量，在ANSYSFLUEN中，所有设定的压力都默认为表压。这是考虑到计算精度的问题。操作压力的设定设定操作压力时需要注意的事项如下：对于不可压缩理想气体的流动，操作压力的设定直接影响流体密度的计算，因为对于理想气体而言，流动的密度由理想气体方程获得，理想气体方程中的压力为操作压力。对于低马赫数的可压缩流动而言，相比绝对静压，总压降是很小的，因此其计算精度很容易受到数值截断误差的影响。需要采取措施来避免此误差的形成，ANSYSFLUEN通过采用表压（由绝对压力减去操作压力）的形式来避免截断误差的形成，操作压力一般等于流场中的平均总压。对于高马赫数可压缩流动的求解而言，因为此时的压力比低马赫可压缩流动的大得多，所以求解过程中的截断误差的影响不大，可以不设定表压。由于ANSYSFLUENT所有需输入的压力都为表压，因此此时可以将操作压力设定为0（这样可以最小化由于压力脉动而引起的误差），使表压与绝对压力相等。如果密度设定为常数或者其值由通过温度变化的函数获得，操作压力并没有在计算密度的过程中被使用。默认的操作压力为101325Pa操作压力的设定主要基于两点考虑，一是流动马赫数的大小，二是密度计算方法。表格1操作压力的推荐设置密度关系式马赫数操作压力理想气体定律大于0.10或约等于流场的平均压力理想气体定律小于0.1约等于流场的平均压力关于温度的函数不可压缩不使用常数不可压缩不使用不可压缩的理想气体不可压缩约等于流场的平均压力关于参考压力位置的设定对于不涉及任何压力边界条件的不可压缩流动，ANSYSFLUENT每次迭代后要调整表压值。这个过程通过使用参考压力位置处（或该位置附近）节点的压力完成。因此，参考压力位置处的表压应一直为0。如果使用了压力边界条件，则不会使用到上述关系，因此参考压力位置不被使用。参考压力位置默认为等于或接近（0,0,0）的节点中心位置。实际计算中可能需要设置参考压力位置到绝对静压已知的位置处。在OperatingConditions对话框中的RefereneePressureLocation选项组中设置新的参考压力位置的x,y,z的坐标即可。如果要考虑某一方向的加速度，如重力，可以勾选Gravity复选框。对于VOF计算，应当选择SpecifiedOperatingDensity，并且在OperatingDensity下为最轻相设置密度。这样做排除了水力静压的积累，提高了round-off精度为动量平衡。同样需要打开ImplicitBodyForce，部分平衡压力梯度和动量方程中体积力，提高解的收敛性。RefereneePressureLocation（参考压强位置）应是位于流体永远是100%勺某一相（空气）的区域，光滑和快速收敛是其基本条件。OperatingConditionsGwityPressure[V]GravityGravitationalAccelerationY(m/sZ)X(m/s2)Z(m/s2)BoussinesqParametersOperatingTemperatureQO233.16Variable-DensityParameters|_SpecifiedOperatingDensityCancelP二、求解模型的设定1.流动模型的设置无粘模型理想流体是一种设想的没有粘性的流体，在流动时各层之间没有相互作用的切应力，即没有内摩擦力。十分明显，理想流体对于切向变形没有任何抗拒能力。应该强调指出，真正的理想流体在客观实际中是不存在的，它只是实际流体在某些条件下的一种近似模型。在Inviscid流动模型应用方面，无粘流动忽略了粘性对流动的影响，这对高雷诺数的流动是合适的，因为高雷诺数流动惯性力的作用远大于粘性力的作用，粘性力可以忽略，所以可以将其考虑成无粘流动。无粘流动的求解更快，其激波在某些值上预测的偏高。无粘流动能对流动状态和激波位置进行快速预测。马赫数与激波马赫数的定义是它表示流体的流动速度与当地声速之比，是一个无量纲的参量对应于M：：1，M=1和M1这三种情况的流动分别称为亚声速流、声速流和超声速流。当马赫数很小时，速度的相对变化只能引起很小的密度相对变化，但当马赫数很大时，则将引起较大的密度相对变化，这也说明了马赫数是流体压缩性的一个表征。当飞机、炮弹和火箭以超音速飞行时，或者发生强爆炸、强爆震时，气流受到急剧的压缩，压强和密度突然显著增加，这时所产生的压强扰度将比声速大得多的速度传播，波阵面所到之处气流的各种参数都将发生显著变化，参数突跃。这样一个强间断面叫做激波阵面。渐缩渐扩管的流动是计算流体力学模拟的经典问题之一。在这类流动中，激波的出现是流动中可压缩效应的体现。精确的激波模拟是CFD研究的热点之一。为了更好捕捉压力梯度，需要采用较细的网格并结合合适的数值模拟和格式。很多实际模拟中，局部网格的自适应会很有帮助。层流模型流动有层流和湍流之分，判断湍流的标准可以参考[2],这里写出内流的判断标准:Re2300对于内流而言，一般大多数流动都是湍流，一般不使用湍流模型。而对一些外流而言（如外掠平板或是外掠障碍物），则很有可能是层流运动。湍流模型的评价与选择a.k—；湍流模型这里我们使用的湍流模型是Standard模型，这种模型应用较多，计算量适中，有较多数据积累和比较高的精度，对于曲率较大和压力梯度较强等复杂流动模拟效果欠佳。一般工程计算都使用该模型，其收敛性和计算精度能满足一般的工程计算要求，但模拟旋流和绕流时有缺陷。壁面函数的选择对于有壁面的流动，当主流为充分发展湍流时，根据离壁面法线距离不同，可将流动划分为壁面区（或称内区、近壁区）和核心区（或称外区）。核心区是完全湍流区，为充分发展的湍流。在壁面区，由于有壁面的影响，流动与核心区不同。壁面区可分为3个子层：粘性底层、过渡层和对数率层。[2]李鹏飞，徐敏义，王飞飞.精通CFD工程仿真与案例实战：FLUENTGAMBITICEMCFDTecplot[M].北京,人民邮电出版社,2011:122粘性底层是一个紧贴壁面的极薄层，在动量、热量和质量的交换过程中粘性力起主要作用，而湍流切应力可以忽略，因此流动几乎可以看成层流流动，且在平行于壁面方向上的速度呈线性分布。过渡层处于粘性底层之外，在此层中，粘性力和湍流切应力的作用相当，流动状况较为复杂，很难用公式或定律表述。实际工程计算中由于过渡层厚度极小，可不考虑此层，直接以对数率层的方法处理。对数率层处于近壁区的最外层，粘性力的影响不明显，湍流切应力占主要地位，流动处于充分发展的湍流状态，流速分布接近对数律。壁面区内不同子层的高度和速度可以沿壁面法向的无量纲高度和无量纲速度表达。其中，U是流体的时均速度,U.是壁面摩擦速度,壁面切应力，y是壁面的垂直距离在y、5时，区域为粘性底层，此时速度沿壁面法线方向呈线性分布，即U；=y'。在60：：：y::300时，流动处于对数率层，此时速度沿壁面法线方向呈对数率分布，即u'2.51ny5.5。壁面函数法的本质是，对于湍流核心区的流动使用k-；模型求解,而在壁面区并不进行求解，直接使用半经验公式得出该区域的速度等物理量。FLUENTI供了多种壁面函数处理方式，如标准壁面函数法、非平衡壁面函数法和增强壁面处理。标准壁面函数法利用对数校正法提供了必需的壁面边界条件（对于平衡湍流边界层）。而非平衡壁面函数法用来改善高压力梯度、分离、再附和滞止等情况下的结果。标准壁面函数法和非平衡壁面函数法都允许在近避免区域上使用较粗的网格。对于大多数高雷诺数情况使用标准的或者非平衡的壁面函数（Re106）。增强壁面处理选项把混合边界模型和两层边界模型结合起来，对低雷诺数流动或者复杂近壁面现象很适合，湍流模型在内层上得到了修正。表格2几种壁面处理方法的比较优点缺点标准壁面函数法应用较多，计算量小，有较高的精度适合高雷诺数流动，对低雷诺数流动问题，有压力梯度、咼度蒸腾和大的体积力、低雷诺数和咼速二维流动问题不适合非平衡壁面函数法考虑了压力梯度，可以计算分离，在附着以及撞击问题对低雷诺数流动问题，有较强压力梯度、强体积力及强三维性问题不适合增强壁面处理不依赖壁面法则，对于复杂流动，特别是要求网格密，因而要求计算机处理时间长，内存大£2!VJscousModelModelInvisodLaminarSpatart-Allmaras(1eqn)«k-epsilon(2eqn)k-cxTiEga(2eqn)Tr^nsibonk-W-omega(3eqn)TransitionSST(4eqn)ReynoldsStress(5eqn)Scale-AdaptiveSimdaton(SAS)k'EpsilonModelQStandardRNGRealizableNearAA；3llTreatmentoStandardWallFunctions.ScalableWallFunctjonsNon-EquilibriumWallFunctionsEnhancedWallTreatmentUser-Defin^cl'JailFunctionsOptionsViscousHeabngCurvatureCorrectionModelConstantsUser-DefinedFurKtionsnone*TUrbuleint鬆osityTKEPrandtiNumberA|none▼TDRPrandtlNumber=noneEnergyPrandtiNumbernoneJrandtJNumbers「ICancel2.多相流模型①VOF模型该模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的容积比来模拟两种或三种不能混合的流体。典型的应用包括流体喷射、流体中大泡运动、流体在大坝坝口的流动、气液界面的稳态和瞬态处低雷诺数流动很适合理等。一般而言VOF主要适用于非稳态的多相流模型，仅对某些特定问题的多相流模型的稳态问题能够适用。VOF方法适用于计算空气和水这样不能互相掺混的流体流动，对于分层流和活塞流，最方便的就是选择VOF模型。需要注意的是，对于湍流模型的设置，VOF不能用于无粘流，也不能用大涡模拟［3］。Geo-Reconstruct格式Geo-Reconstruct格式（在SolutionMethods中设置）是一种较为精确的追踪自由表面的计算格式，广泛地应用于瞬变流的VOF问题中，但必须注意的要使用该格式VOFF莫型必须使用显示离散格式（在VOF模型设置选项设置）。BodyForceFormulation为提高解的收敛性，对于涉及到表面张力的计算，建议在BodyForceFormulation中勾选ImplicitBodyForce。这样做由于压力梯度和动量方程中表面张力的部分平衡，从而提高解的收敛性。［3］李进良，李承曦，胡仁喜.精通FLUENT.6.3流场分析［M］.北京，化学工业出版社,2009:231-236MultiphaseModelElModelQoff•-VolumeofFluidC'Mixture\.'EulerianIWetSteamCoupledlevelSet+VOFIILevdSetVolumeFractionParametersScherne•ExplicitOImplicitVohrreFractionCuto幵le-06CourantNumber卜25|DefaultBodyForceFormulaton□implicitBodyForceOptions匚OpenChannelFlow匚OpenChannelWaveBCL_ZonalDiscretizatjoriOKCancelHelp②Mixture模型这是一种简化的多相流模型，用于模拟各种有不同速度的多相流，但是假定了在短空间尺度上局部的平衡。相之间的耦合应当是很强的。它也用于模拟有强烈耦合的各向同性多相流和各向以相同速度运动的多相流。典型的应用包括沉降(sedimentation)、气旋分离器、低载荷作业下的多粒子流动、气相容积率很低的泡状流。MixtureParameters一般需要勾选MixtureParameters中的SlipVelocity复选框，以此来求解滑移速度模型，因为在多相流中各种组分的速度有很大不同。对于求解一个均匀的多相流问题可以选择不做滑移速度的计算,可以在mixtureparameters选项下将slipvelocity关掉。③Eulerian模型该模型可以模拟多相分离流及相互作用的相，相可以是液体、气体、固体。与在离散相模型中Eulerian-Lagrangian只用于离散相不同，在多相流模型中Eulerian方案用于模型中的每一项。3.固化与熔化模型FLUENT采用“焓—多孔度(enthalpy-porosity)”技术模拟流体的固化和熔化(Solidification/Melting)过程。在流体的固化和熔化问题中，流场可以分成流体区域、固体区域和两者之间的糊状区域。“焓—多孔度”技术采用的计算策略是将流体在网格单元内占有的体积百分比定义为多孔度（porosity）,并将流体和固体并存的糊状区域看作多孔介质区进行处理。在流体的固化过程中，多孔度从1降低到0;反之，在熔化过程中，多孔度则从0升至1。“焓—多孔度”技术通过在动量方程中添加汇项（即负的源项）模拟因固体材料存在而出现的压强降。“焓-多孔度”技术可以模拟的问题包括纯金属或二元合金中的固化、熔化问题、连续铸造加工过程等。计算中可以计算固体材料与壁面之间因空气的存在而产生的热阻，固化、熔化过程中组元的输运等等。需要注意的是，在求解固化、熔化问题的过程中，只能采用分离算法，只能与VOF模型配合使用，不能计算可压缩流，不能单独设定固体材料和流体材料的性质，同时在模拟带反应的组元输运过程时，无法将反应区限制在流体区域，而是在全流场进行反应计算。Parameters定义在Parameters下面定义MushyZoneConstant（糊状区域常数）。这个常数的取值范围一般在104到107之间，取值越大沉降曲线就越陡峭，固化过程的计算速度就越快，但是取值过大容易引起计算振荡，因此需要在计算中通过试算获得最佳数值。Materials设置在Materials（材料）面板上，定义MeltingHeat（熔化热）、SolidusTemperature（固相点温度）禾口LiquidusTemperature（液相点温度）。如果计算中涉及组元输运过程，则必须同时定义溶剂的融解温度（MeltingTemperature）,同时需要定义熔化物的液相线相对于浓度的斜率(SlopeofLiquidusLine)、分配系数(PartitionCoefficient)和固体中的扩散速率(DiffusioninSolid)等参数。③设置边界条件除了常规的边界条件设置，对于固化和熔化问题还有一些特殊设置，其中包括：在计算壁面接触热阻时设置接触热阻(ContactResistance)。这个参数在Wall(壁面)面板中的ThermalConditions(热力学条件)下给定。ShearCondition(剪切条件)下选择MarangoniStress(Marangoni应力)选项。如果计算拉出速度，则在边界条件中的速度边界条件将被用于拉出速度的计算。三、相设置相设置一般用于多相流的设置，对于相设置，这里主要讲一下Interaction的设置，如图：PhasesPhaseswater*PrimaryPhaseair'SecondaryPhaseFTit..Interacton,.-IDHelpInteraction设置Interaction设置用来定义两相的相互作用，其有多个选项卡,如图Drag选项卡针对每对物相，在下拉菜单中选择阻力函数。其中包括schiller-naumann模型、morsi-alexander模型、symmetric（对称）模型等用于流体与流体之间阻力计算的模型，也包括wen-yu模型、gidaspow模型、syamlal-obrien模型等用于液体与固体之间阻力计算的模型，还包括syamlal-obrien-symmetric模型用于固体与固体之间的阻力计算。除此之外，还可以将阻力函数定义为constant（常数），或者选择user-defined（用户定义）由用户自己定义阻力函数。如果计算中不需要设定阻力，还可以选择none（不计阻力）选项。阻力设置的相关原理比较复杂，可参考帮助，一般保持默认的schiller-naumann设置不变。SurfaceTension选项卡SurfaceTension选项卡用来定义表面张力，如果相包含壁面粘附，可勾选“WallAdhesion”复选框。四、CellZoneConditionFrameMotion选项对于流体，可以通过FrameMotion选项确定坐标运动方式（如离心泵内部流体的旋转使用运动参考系模型），如图：Rotation-AxisOrigin指转轴，RotationalVelocity值旋转速度。五、边界条件设置1.速度进口边界条件(VelocityInlet)速度进口边界条件用进口处流场速度及相关流动变量作为边界条件，在速度进口边界条件中，流场进口边界的驻点参数是不固定的。为了满足进口处的速度条件，驻点参数将在一定范围内波动。需要注意的是，因为这种条件中允许驻点参数浮动，所以速度进口边界条件仅适用于不可压流，如果用于可压流，则可能导致出现非物理解。同时还要注意的是，不要让速度进口条件过于靠近进口内侧的固体障碍物，这样会使驻点参数的不均匀程度大大增加。湍流参数的设置对于一般的流动边界条件，均涉及到湍流参数的定义，在TurbuleneeSpecificationMethod(湍流定义方法)下拉列表中，可以简单地用一个常数来定义湍流参数，即通过给定湍流强度、湍流粘度比、水力直径或湍流特征长在边界上的值来定义流场边界上的湍流。湍流强度(TurbuleneeIntensity)湍流强度定义如下：Ju2+V*u上式中u，v，w是速度脉动量，u是平均速度。比较常用的是IntensityandHydraulicDiameter，湍流强度与水力直径的确定有相应的计算方法，这里只是采用估算来加以确定。+w"2内流问题进口处的湍流强度取决于上游流动状态。如果上游是没有充分发展的未受扰流动，则进口处可以使用低湍流强度。如果上游是充分发展的湍流，则进口处湍流强度可以达到几个百分点。如果管道中的流动是充分发展的湍流，则湍流强度I(turbuleneeintensity)可以用下面公式计算得到，这个公式是从管流经验公式得到的：I=U=0.16(Re^)1/8UH其中：Re“为按等效水力直径Dh计算得到的雷诺数。湍流强度小于1%时，可以认为湍流强度是比较低的，而在湍流强度大于10%时，则可以认为湍流强度是比较高的。比如，当雷诺数为50000时，代入上述公式可得到湍流强度为4%默认的湍流强度设置为5%(中等强度)。veloaty亡口ficationMethodReferenc:亡Frame0,2DPM|Multiphase|UDS^'el&atyMagnitude[m/sjTurbulentIntensity(%)IPIHydradicDiameter(in)'PI口VelocityInletZoneNamevelooty-inlet-SMomentumThermal|Radiation|SpedesSupersonj匚/!帀ti制GaugePressure(pascal)TurbulenceSpedficationMethodintensityandHydraulicDiameterCancel湍流的长度尺度与水力直径湍流的长度尺度(TurbuleneeLengthScale)与水力直径(HydraulicDiameter)是设置湍流的重要参数。湍流能量主要集中在大涡结构中，而湍流长度尺度l则是与大涡结构相关的物理量。在充分发展的管流中，因为漩涡尺度不可能大于管道直径，所以l是受到管道尺寸制约的几何。湍流长度尺度l与管道物理尺寸L关系可以表示为：l=0.07L式中的比例因子0.07是充分发展管流中混合长的最大值，而L则是管道直径。在管道截面不是圆形时，L可以取为管道的水力直径。水力直径是在管内流动(internalpipeflow)中引入的，其目的是为了给非圆管流动取一个合适的特征长度来计算其雷诺数。四倍的湿横截面面积与湿圆周长度之商。湍流的特征长取决于对湍流发展具有决定性影响的几何尺度。在上面的讨论中，管道直径是决定湍流发展过程的唯一长度量。如果在流动中还存在其他对流动影响更大的物体，比如在管道中存在一个障碍物，而障碍物对湍流的发生和发展过程起着重要的干扰作用。在这种情况下，湍流特征长就应该取为障碍物的特征长度。从上面的分析可知，虽然上式对于大多数管道流动是适用的，但并不是普遍适用的，在某些情况下可以进行调整。在FLUENT中选择特征长L或湍流长度尺度I的方法如下：1）对于充分发展的内流，可以用IntensityandHydraulicDiameter（湍流强度与水力直径）方法定义湍流，其中湍流特征长度就是HydraulicDiameter（水力直径）Dh。2）对于导向叶片或分流板下游的流场，可以用IntensityandHydraulicDiameter（湍流强度与水力直径）定义湍流，并在HydrauliDiameter（水力直径）中将导向叶片或分流板的开口部分的长度L定义为特征长度。3）如果进口处的流动为受到壁面限制且带有湍流边界层的流动，可以在IntensityandLengthScale面板中用边界层厚度伍通过公式丨=04：99计算得到湍流长度尺度丨。最后在TurbuleneeLengthScale（湍流长度尺度）中输入l的值。湍流动能和湍流耗散率在使用各种k―；模型对湍流进行计算时，需要给定进口边界上的湍流动能k(TurbulentKineticEnergy)和湍流耗散率；(TurbulentDissipationRate)的估算值。目前没有理论上的精确计算这两个参数的公式，只能通过试验得到。但不可能对各种各样的流动都去做试验，因此，我们必须借助文献中已有的近似公式来估算(许多商用CFD软件也是这样处理的)。对于没有已知条件的情况，可根据湍流强度I和特征长度L,由下式粗略估计k和；的分布:32k=2叽1)23/23/4式中C.i为湍流模型中的一个经验常数，其值约等于0.09在没有直接输入湍流动能k和湍流耗散率■:的情况下，可以用IntensityandHydraulicDiameter(湍流强度与水力直径)或IntensityandLengthScale(湍流强度与长度尺度)等办法，利用上述公式确定湍流动能k和湍流耗散率■:。2.压强进口边界条件(PressureInlet)压强进口边界条件用于定义进口流体的压强，可用于不可压缩和可压缩流动。当进口压强已知，而流动速度或流量未知时，可使用压强进口边界条件。压强进口边界条件也可用于定义外部或非受限流动的“自由边界”定义总压与静压首先道总压（P）与静压（Po）的关系如下（根据伯努力积分）：在MomentumX动量）选项卡内,ReferenceFrame为参考值，有绝对值（Absolute）与相对于临近区域值（RelativetoAdjacentZone）两个选项供选择，一般保持默认的绝对值，GaugeTotalPressure（表总压）文本框中输入总压的值。静压在FLUENT^被称为Supersonic/lnitialGaugePressure（超音速/初始表压），如果进口流动是超音速的或者是准备压强进口边界条件进行计算的初始化工作，则必须定义静压。在流场为亚音速时，FLUENT各忽略Supersonic/lnitialGaugePressure（超音速/初始表压）的输入数据，而用驻点参数求出静压。（例如，对于空气，当速度为100m/s时，可先求出其动压为丄Pv2=1切.225灯002=6125，静22压等于总压减去动压得到。）对于高雷诺数的计算，由于采用压强入口边界条件，湍流强度并不易求出，这里给出推荐范围1%~5（当然也可以采用预估的方法估计一下）。3.压强出口边界条件（PressureOutlet）压强出口边界条件在流场出口边界上定义静压，而静压的值仅在流场为亚音速时使用。如果在出口边界上流场达到超音速，则边界上的压强将从流场内部通过插值得到。其他流场变量均从流场内部通过插值获得。在压强出口边界上还需要定义“回流（backflow）”条件。回流条件是在压强出口边界上出现回流使用的边界条件，这样计算将更容易收敛。FLUENT在压强出口边界条件上可以使用径向平衡条件，同时可以给定预期的流量。有关回流的湍流参数的设置如下图所示，需要说明的是这些湍流参数只有当回流发生时才被使用。但是即使在计算结果中没有回流出现，也应该将出口条件用真实流场的值设定，这样可以在计算过程中出现回流时加速收敛。4.出流边界条件（Outflow）出流边界条件用于模拟在求解前流速和压力未知的出口边界。在该边界上，用户不需要定义任何内容（除非模拟辐射传热、粒子的离散相及多口出流）。该边界条件适用于出口处的流动是完全发展的情况。所谓完全发展，意味着出流面上的流动情况由区域内部外推得到，且对上游流动没有影响。出游边界条件不能用于可压流动，也不能与压力进口边界一起使用（压力进口边界条件可与压力出口边界条件一起使用）。出口边界条件的设置比较简单，只需给定所指定的出流边界上流体的流出量权重（占总流出量的百分比）。如果系统只有一个出口，则直接输入“T即可。注意：在使用出流边界条件时，如果在计算过程中，在出流边界上的任何一点有回流，计算的收敛性都会受到影响，尤其在进行湍流计算时，这种现象比较明显。这里，可尝试使用压力出口边界条件代替出流边界条件。5.内部界面(interior)与交界面(interface)这两种面用于两个区域的交界处，在此界面上不需要用户输入任何内容，只需要指定其位置。一般内部节点单元的表面都默认是内部界面。内部界面(interior)边界条件用在两个区域(如水泵中同叶轮一起旋转的流体区域与周围的非旋转流体区域)的界面处，将两个区域“隔开”。在该边界上，不需要用户输入任何内容，只需要指定其位置。我们注意到，相接壁面在导入FLUEN时，FLUEN哙为该壁面生成另外一个相应的shadowwall，将相接壁面由wall更改为interior时，FLUEN■会将wall与shadowwall合并为interior类型。内部界面实际是两个区域公用一个界面(只有一个面)。交界面(interface)也是两个区域的交界，不同的是有两个面成对出现。对于交界面，必须是重合或部分重合，需要在fluent中定义。交界面网格划分可以不一样，fluent会自动在重合的部分进行变量的插值和传递。这个功能使得划分网格变得容易许多，对于复杂的模型可以采取分块划分。如果可以熟练的将两个区域的网格划分出来，并使得交界处的节点统一（合并节点），那么可以不用采用interface,直接采用interior是最好的选择，因为采用这种方式即提高计算速度又提高计算精度。相反，采用interface由于插值过程的存在，必然会降低计算速度和精度。注意：interior界面处的网格必须节点保持一致，interface可以不用一致，但要保证interface是成对出现的。6.壁面边界条件（wall）一般来说，壁面边界条件指定后不用修改，但有些情况会做一些相应的设置，下面是一些特殊例子。离心泵旋转的叶轮，因叶轮要随内部流体旋转，故其需设置movingwall（虽然movingwall条件一般在动网格条件下使用，但这里的movingwall的设置并不代表使用动网格，这里为表示叶轮随流体坐标系的相对运动，取RelativetoAdjacentCellZone。由于内部流体取动坐标系，故只需取旋转速度为0即可表示叶轮旋转）。六、求解SIMPLESIMPLECPISO与Coupled在SolutionMethods设置中，使用Pressure-based求解器时，在求解时涉及到算法的问题，这里的算法一般有以下几种：SIMPLESIMPLECPISO和Coupled。在FLUENB3版本以前，这四种算法分为2类，即前3种称为分离求解方法，第4种称为耦合求解方法。下面对这几种方法做简要介绍。SIMPLE算法是目前工程上应用最为广泛的一种流场计算方法，它属于压力修正法的一种。其原理这里不做详细介绍，可参考关于计算流体力学的书籍。SIMPLE（算法与SIMPLE算法的基本思路一致，仅在通量修正方法上有所改进，因而加快了计算的收敛速度。SIMPLE（算法为求解非复杂问题时比较好的选择，使用SIMPLE（算法时，压力耦合算法的欠松弛因子一般应设为1.0，这样能加快收敛。SIMPLE算法与SIMPLE（算法在每个迭代步中得到的压强场都不能完全满足动量方程，因此需要反复迭代，直到收敛。PISO算法针对SIMPLE算法中每个迭代步获得的压强场与动量方程偏离过大的问题，在每个迭代步增加了动量修正和网格畸变修正过程，因此虽然PISO算法的每个迭代步中的计算量大于SIMPLE算法和SIMPLE（算法，但是由于每个迭代步中获得的压强场更准确，所以使得计算收敛得更快，也就是说获得收敛解需要的迭代步数大大减少了。Coupled算法同时求解连续方程、动量方程和能量方程。计算过程也需要经过迭代才能收敛得出最终的解。分离式求解方法以前主要用于从不可压流动和微可压流动，而耦合式求解器用于高速可压流动。现在，两种求解器都适用于从不可压到高速可压流动，但总的来讲，当计算高速可压流动时，耦合式求解器比分离式求解器更有优势⑷。Non-IterativeTimeAdvancementNon-lterativeTimeAdvancement（非迭代时间推进法）是专门针对非稳态问题的一种方法，一般与PISO算法联合使用，称为瞬态问题的PISO算法。与稳态问题的计算相区别，在瞬态计算的每个时间步内，利用PISO算法计算时不需要迭代。PISO算法的精度取决于时间步长，使用越小的时间步长，可取得越高的计算精度，当步长比较小时，不进行迭代也可保证计算有足够的精度。FLUEN■用户手册推荐，对于瞬态问题PISO算法有明显的优势；而对于稳态问题，可能选择SIMPLE或SIMPLE（算法更为合适。离散格式的选择在流动方向与网格方向基本一致时，可以选择一阶迎风格式。一阶迎风格式适用于结构网格，它具有稳定性高，计算速度快的优点，但是在网格方向与流动方向不一致时，产生的数值误差比较大。在非结构网格进行计算或流场比较复杂的情况下，很难保证流动方向与网格方向一致，此时应该选用二阶格式。二阶格式的计算精度高于一阶格式，但是相对而言，其计算时间比较长，收敛性也相对较差，因此在实际计算中，进行格式选择时需要兼顾精度、收敛性和系统资源等[4]王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M].北京,清华大学出版社，2004:198方面的要求。对于复杂流动，推荐使用一阶格式获得收敛后，再设置离散格式为高阶格式。在用结构网格计算旋转流动问题时，QUICK格式可以提供更高的计算精度，但是在其他情况下，QUICK格式的精度与二阶格式相当，并没有很大的改进。对于与流动方向对齐的结构网格而言，QUICK格式将可产生比二阶迎风格式等更精确的计算结果，因此，QUICK格式常用于六面体（或二维问题中的四边形）网格。对于其他类型的网格，一般使用二阶迎风格式。SolutionMethodsPressure-VelocityCouplingSdierneSIMPLESpabalDiscretizationTransientFormulatianNon-ItefaitiueTimeAdvancementFrozenHuxFormulafion~|PseudoTransient.HighOrderTermRelaxationOptons...d缶ukHdp欠松弛因子的设置在SolutionControls中需要进行欠松弛因子的设置，对于大多数流动而言，不需要修改默认的欠松弛因子。但是，如果出现不稳定或者发散问题，就需要减少默认的压松弛因子了，可将压力、动量、k和；的欠松弛因子分别减少至为0.2、0.5、0.5和0.5。对于SIMPLEC格式而言，一般不需要减小压力的欠松弛因子。在密度和温度强烈耦合的问题中，如果高的雷诺数的自然或混合对流流动，应该对温度和密度（所用的欠松弛因子小于1.0）进行欠松弛。其他的标量方程，对于某些问题而言，默认的欠松弛因子可能过大，也可能需要调整。一般而言当采用高精度的离散格式后，一般会出现不稳定或者发散问题，此时应同步的调整欠松弛因子（注意观察监视器中不收敛的方程）。需要注意的是，PISO算法主要用于瞬态问题的模拟，当使用PISO算法时可以将所有的松弛因子都改为1，来加速收敛。4.Monitors相关设置默认设置中所有的变量残差都被监视，并在迭代过程中确认其是否满足收敛标准。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能量、辐射等方程的收敛标准是10』外，其他变量的收敛标准均为10；。一般而言当选择高阶离散格式时，可将上述标准全部调整至10^，得到严格的收敛标准。七、其他设置1.自适应网格修改功能在局部区域内，速度或温度场变化较大，而网格不够精细，从而导致了结果的不准确，故需要依据现有结果对局部网格再进行细分。下面以冷热水混合器内的流动与热交换模拟来说明该功能的使用：用菜单命令Adapt:Gradient打开对话框，在Gradientof下来框中选中Temperature禾口StaticTemperature;在Option中不选Coarsen,即只细化修改网格而不粗糙化。点击ComputeFluent将计算出温度梯度的最大值和最小值，在RefineThreshold中输入0.01，点击Mark。显示即将细化的网格有82个:82cellsmarkedforrefinement,0cellsmarkedforcoarsening点击Manage…，在打开的单元注册对话框(ManageAdaptionRegisters)点击Display。准备要细化的网格的网格显示如下图JUpi.riKiT(I]FliiHnfcJimt匚[百呵Ada(ytionMarkings^gradi&nt-fO)M叭1S.2Q12fluentgj(2d,空©gr日犁站a注白〕点击单元注册对话框中的Adapt按钮后，选择Yes确认，最后关闭ManageAdaptionRegisters和GradientAdaption对话框，网格细化完毕。通过菜单命令Display:Grid，改进后的网格显示如下，明显看出前面所标示的温度梯度大于0.01的网格已经得到改进。GridMay1S,2Q1I2FLUENT6.2(2d,生©g怕奖曾乩曹帕］