FLUENT中的求解器、算法和离散方法

求解器的使用FLUENT提供了三种不同的求解器Segregated，coupled implicit，coupled explicit（显式格式主要用于激波等波动解的捕捉问题）传统上，分离解法（segregated）主要用于不可压缩以及适度压缩的流动中。

相反，耦合算法是为高速可压流体设计的。

默认情况下，fluent使用分离求解器。

对于高速可压流体，与很强的体积力高度耦合的流动，或者是在非常精确的网格上求解流动情况，可以考虑使用耦合隐式算法代替。

对于需要使用耦合隐式算法（coupled implicit）的case，如果电脑没有足够的内存，可以使用分离解法（segregated）或者耦合显式算法（coupled explicit）代替。

（显示算法节约内存，但是需要更多的计算步数达到收敛。

）选择离散格式1.一阶迎风格式v.s. 二阶迎风格式当流动与网格匹配（校准）时，一阶迎风格式是可以接受的。

对于三角形和四面体网格，由于流动不会与网格匹配，通常使用二阶离散格式会得到更准确的结果。

对于四边形/六面体网格，使用二阶离散格式会取得更好的结果，尤其是复杂的流动情况。

对于大多数情况，可以在计算初始，使用二阶的离散格式。

然而在一些情况下，可以开始使用一阶的离散格式然后在一些计算之后转变为二阶格式。

例如，如果正在运行一个高马赫数的流动计算，这个的初始解与期望的解相差很大，最终，如果二阶离散格式很难收敛，应该尝试使用一阶离散格式。

2.Quick格式v.s. Upwind（Quick格式适用于网络结构，流动方向与网格一致，对于非结构网格推荐使用二阶迎风）对于在四边形或者六面体网格中的旋转或者回旋流，Quick离散格相比于二阶离散格式可以提供更准确的结果。

对于存在震动的可压缩流动（网格为四边形，六面体或者混合网格），推荐对所有的变量使用Quick离散格式，包括密度。

3.中心差分格式v.s. 迎风格式当使用LES湍流模型时，是可以使用中心差分格式的，并且只有当网格间距足够好，以至于局部的Peclet数的大小小于1时才可以使用。

FLUENT知识点FLUENT是一种计算流体力学（CFD）软件，用于模拟和分析流体流动和热传递的现象。

它由美国公司Ansys开发，已经成为工程和科学领域中最常用的CFD模拟工具之一、下面是一些关于FLUENT软件的知识点。

1. FLUENT的基本原理：FLUENT使用Navier-Stokes方程组来描述流动过程，它基于流体力学和热力学原理。

它可以模拟各种流动情况，包括稳态和非稳态流动、气流和液流、可压缩和不可压缩流体等。

2.网格生成：在FLUENT中，首先需要生成一个计算网格。

网格的划分对于计算结果的准确性和计算速度至关重要。

FLUENT提供了多种网格生成方法，包括结构网格和非结构网格，用户可以根据需要选择适当的网格类型。

3.边界条件和初始条件：在进行流动模拟之前，需要定义合适的边界条件和初始条件。

边界条件包括流体速度、压力和温度等。

初始条件是指模拟开始时的流体状态。

FLUENT提供了多种边界条件和初始条件的设置选项。

4.物理模型：FLUENT支持多种物理模型，包括湍流模型、传热模型、化学反应模型等。

这些物理模型可以根据流动问题的特点进行选择和调整，以获得准确的计算结果。

5. 数值方法：FLUENT使用有限体积法来离散化Navier-Stokes方程组。

它将流场划分为小的控制体积，并在每个控制体积上进行数值解算。

FLUENT提供了多种求解算法和网格收敛策略，以提高计算的准确性和稳定性。

6.模拟结果的后处理：FLUENT可以输出各种流动参数和图形结果，以便分析和解释模拟结果。

用户可以获取流体速度、压力、温度分布等信息，并绘制流线图、剖面图、轮廓图等。

7.多物理场耦合：FLUENT可以进行多物理场的耦合模拟，例如流体-固体的传热问题、流体-结构的耦合问题等。

这些问题可以使用FLUENT软件中的多物理模块来进行建模和求解。

8.并行计算：FLUENT可以利用多核计算机或计算集群进行并行计算，以加快计算速度。

FLUENT-manual 中解算方法的一些说明，摘录翻译了其中比较重要的细节，希望对初学FLUENT的朋友在选择设置上提供一些帮助，不致走过多的弯路。

离散1、QUICK格式仅仅应用在结构化网格上，具有比second-order upwind 更高的精度，当然，FLUENT也允许在非结构网格或者混合网格模型中使用QUICK格式，在这种情况下，非结构网格单元仍然使用second-order upwind 格式计算。

2 、MUSCL格式可以应用在任何网格和复杂的3维流计算，相比second-order upwind，third-order MUSCL 可以通过减少数值耗散而提高空间精度，并且对所有的传输方程都适用。

third-order MUSCL 目前在FLUENT 中没有流态限制，可以计算诸如冲击波类的非连续流场。

3、有界中心差分格式bounded central differencing 是LES默认的对流格式，当选择LES后，所有传输方程自动转换为bounded central differencing 。

4 、low diffusion discretization 只能用在亚音速流计算，并且只适用于implicit-time，对高Mach流，或者在explicit time公式下运行LES ，必须使用 second-order upwind 。

5、改进的HRIC格式相比QUICK 与second order 为VOF计算提供了更高的精度，相比Geo-Reconstruct格式减少更多的计算花费。

6 、explicit time stepping 的计算要求苛刻，主要用在捕捉波的瞬态行为，相比implicit time stepping 精度更高，花费更少。

但是下列情况不能使用explicit time stepping：（1）分离计算或者耦合隐式计算。

explicit time stepping只能用于耦合显式计算。

fluent笔记讲解Discretization离散Node values节点值，coarsen粗糙refine 细化curvature曲率，X-WALL shear Stress 壁面切应力的X方向。

strain rate应变率1、求解器:（solver）分为分离方式(segeragated)和耦合方式(coupled)，耦合方式计算高速可压流和旋转流动等复杂高参数问题时比较好，耦合隐式(implicit)耗时短内存大，耦合显式(explicit)相反；2.收敛判据:观察残差曲线。

可以在残差监视器面板中设置Convergence Criterion（收敛判据），比如设为10 -3 ，则残差下降到小于10 -3 时，系统既认为计算已经收敛并同时终止计算。

（2）流场变量不再变化。

有时候不论怎样计算，残差都不能降到收敛判据以下。

此时可以用具有代表性的流场变量来判断计算是否已经收敛——如果流场变量在经过很多次迭代后不再发生变化，就可以认为计算已经收敛。

（3）总体质量、动量、能量达到平衡。

在Flux Reports （通量报告）面板中检查质量、动量、能量和其他变量的总体平衡情况。

通过计算域的净通量应该小于0.1%。

Flux Reports（通量报告）面板如图2-17 所示，其启动方法为：Report -> Fluxes3.一阶精度与二阶精度：First Oder Upwind and Second Oder Upwind(一阶迎风和二阶迎风)①一阶耗散性大，有比较严重的抹平现象；稳定性好②二阶耗散性小，精度高；稳定性较差，需要减小松弛因子4.流动模型的选择①inviscid无粘模型：当粘性对流场影响可以忽略时使用；例如计算升力。

②laminar层流模型：考虑粘性，且流动类型为层流。

③Spalart-Allmaras （S-A模型）：单方程模型，适用于翼型、壁面边界层流动，不适于射流等自由剪切湍流问题。

图中一个边长为L=1m的正方形箱体，右墙温度2000K，左墙温度1000K，上下墙绝热，重力向下，由于热重力引起密度梯度所以发展为浮力流。

箱体中的介质被认为是具有吸收性和散射性的，因此墙壁间的辐射交换因存在吸收而减弱，同时因存在介质散射而增强。

自然对流分为三步进行，有两种设置方法。

第一步：设置工作条件（工作压力101325Pa、勾选重力加速度-6.9e-5（负号表示方向沿Y轴向下）、工作温度T f=(1000+2000)/2=1500K）。

第二步：对材料密度进行选择时有两种情况（1）选择idea-gas为理想气体模型，其密度满足理想气体状态方程，标准状态下P0=101325Pa、T0=15℃时，密度为理想气体标准密度为1.225kg/m3（2）选择Boussinesq为非理想气体，需要根据实际气体设置密度。

第三部：设置自然对流其它参数，比热C p=11030J/kg/K，热导率15.309W/m/K，粘度10-3m/s2，热膨胀系数1e-5K-1，吸收系数0、0.2、5m-1，散射系数目前不考虑。

一、网格划分建立边长为1的正方形，对面和边线进行命名。

全局面网格设置最大网格尺寸为0.2，表示网格最大边长为0.2，设置网格类型为四边形网格。

设置线网格尺寸时有三种类型，普通、动态、复制，生成规律则有很多种（BiGometric、Uniform、Geometric1、Geometric2等），这些生成规律涉及到线上起始点与终止点的关系，所以在由点生成线时，相互平行的线，生成应当方向一致（从上到下或从左到右），在生成线网格时的方向才会相同。

这里我们选用动态类型，生成规律为Biometric，每条边上节点数为50个，比例为1.2。

二、参数设置1.选择默认求解器Scale可以设定模型的单位，默认为m，可以比例缩小或放大。

求解器类型为基于压力变化、绝对速度、稳态、2D平面求解器。

2D Space选择为Axisymetric时，求解的是轴对称的圆柱坐标系统，注意ICEM中画图时，对称轴必须放置在X轴上。

图中一个边长为L=1m的正方形箱体，右墙温度2000K，左墙温度1000K，上下墙绝热，重力向下，由于热重力引起密度梯度所以发展为浮力流。

箱体中的介质被认为是具有吸收性和散射性的，因此墙壁间的辐射交换因存在吸收而减弱，同时因存在介质散射而增强。

自然对流分为三步进行，有两种设置方法。

第一步：设置工作条件（工作压力101325Pa、勾选重力加速度-6.9e-5（负号表示方向沿Y轴向下）、工作温度T f=(1000+2000)/2=1500K）。

第二步：对材料密度进行选择时有两种情况（1）选择idea-gas为理想气体模型，其密度满足理想气体状态方程，标准状态下P0=101325Pa、T0=15℃时，密度为理想气体标准密度为1.225kg/m3（2）选择Boussinesq为非理想气体，需要根据实际气体设置密度。

第三部：设置自然对流其它参数，比热C p=11030J/kg/K，热导率15.309W/m/K，粘度10-3m/s2，热膨胀系数1e-5K-1，吸收系数0、0.2、5m-1，散射系数目前不考虑。

一、网格划分建立边长为1的正方形，对面和边线进行命名。

全局面网格设置最大网格尺寸为0.2，表示网格最大边长为0.2，设置网格类型为四边形网格。

设置线网格尺寸时有三种类型，普通、动态、复制，生成规律则有很多种（BiGometric、Uniform、Geometric1、Geometric2等），这些生成规律涉及到线上起始点与终止点的关系，所以在由点生成线时，相互平行的线，生成应当方向一致（从上到下或从左到右），在生成线网格时的方向才会相同。

这里我们选用动态类型，生成规律为Biometric，每条边上节点数为50个，比例为1.2。

二、参数设置1.选择默认求解器Scale可以设定模型的单位，默认为m，可以比例缩小或放大。

求解器类型为基于压力变化、绝对速度、稳态、2D平面求解器。

2D Space选择为Axisymetric时，求解的是轴对称的圆柱坐标系统，注意ICEM中画图时，对称轴必须放置在X轴上。

v1.0可编写可改正FLUENT中的求解器、算法和失散方法作为一个非科班身世的CFD工程师，一开始经常被CFD软件里各样观点搞的蒙头转向。

近来终于静下心来看了看CFD理论的书，理清了一些观点。

就此写一遍博文，趁便整理一下所学内容。

I求解器：FLUENT中求解器的选择在以下列图所示界面中设置：FLUENT中的求解器主假如依据能否联立求解各控制方程来划分的，详见下列图：II算法：算法是求解时的策略，即依据什么样的方式和步骤进行求解。

FLUENT中算法的选择在以下列图所示的界面中设置：这里简单介绍一下SIMPLE、SIMPLEC、PISO等算法的基本思想和合用范围。

SIMPLE算法：基本思想如前方讲究解器的那张图中解说分别式求解器的例子所示的同样，这里再贴一遍：1.假定初始压力场散布。

2.利用压力场求解动量方程，获得速度场。

3.利用速度场求解连续性方程，使压力场获得修正。

4.依据需要，求解湍流方程及其余方程5.判断但前计算能否收敛。

若不收敛，返回第二步。

简单说来， SIMPLE算法就是分两步走：第一步展望，第二步修正，即展望－修正。

SIMPLC算法：是对 SIMPLE算法的一种改良，其计算步骤与SIMPLE算法同样，不过压力修正项中的一些系数不一样，能够加速迭代过程的收敛。

PISO算法：比 SIMPLE算法增添了一个修正步，即分三步：第一步展望，第二步修正获得一个修正的场散布，第三步在第二步基础上在进行一侧修正。

即展望－修正－修正。

PISO算法在求解瞬态问题时有显然优势。

关于稳态问题可能SIMPLE或 SIMPLEC更适合。

假如你实在不知道该怎样选择，就保持FLUENT的默认选项好了。

由于默认选项能够很好解决70％以上的问题，并且对于大多数出了问题的计算来说，也极少是由于算法选择不适合所致。

III失散方法：失散方法是指依据什么样的方式将控制方程在网格节点失散，马上偏微分格式的控制方程转变为各节点上的代数方程组。

FLUENT算法的一些说明FLUENT算法是一种用于求解流体力学问题的计算流体力学（CFD）软件中的常用算法。

它是通过数值模拟来解决复杂流体流动和传热问题的一种方法。

FLUENT算法的核心是Navier-Stokes方程的离散化求解，能够模拟液体和气体的流动行为。

1.高精度的离散化方法：FLUENT算法采用有限体积法（FVM）进行离散化求解。

有限体积法基于物理量在控制体上的平均值，通过对控制体上的守恒定律进行积分，将控制体内外的通量与体积耦合起来。

这种方法能较好地保持计算量的守恒性和耗散性，适用于复杂流动情况的求解。

2.多种物理模型：FLUENT算法提供了多种物理模型，可用于模拟不同流动和传热问题。

例如，它支持可压缩流动、非定常流动、湍流流动、多相流动、多组分流动、多场耦合问题等。

用户可以根据具体问题选择适当的物理模型。

3. 高效的求解器：FLUENT算法采用了一系列高效的求解器来求解Navier-Stokes方程。

它使用迭代算法进行求解，支持稀疏矩阵的存储和处理，针对不同的问题类型使用合适的求解策略。

此外，FLUENT还支持并行计算，可以将计算任务分配给多个处理器或计算节点，加快求解速度。

4.先进的网格生成：FLUENT算法使用一种自适应网格生成技术，能够根据流动特性和几何形状进行自动的网格划分。

它提供了多种网格生成方法，包括结构网格和非结构网格，并支持网格剖分和网格重构。

这些功能可帮助用户准确地建立模型，提高模拟结果的准确性。

5.丰富的后处理功能：FLUENT算法提供了丰富的后处理功能，可以对求解结果进行可视化和分析。

它支持流场和温度场的可视化显示，可以生成流线、等值面、剖面图等多种图形。

此外，还可以输出各种物理量的曲线和统计数据，帮助用户深入分析模拟结果。

尽管FLUENT算法有许多优点，但在应用过程中也存在一些限制和注意事项。

首先，FLUENT算法对计算资源要求较高，求解过程通常需要大量的计算时间和内存。

F l u e n t求解参数设置求解参数设置（Solution Methods/Solution Controls）：在设置完计算模型和边界条件后，即可开始求解计算了，因为常会出现求解不收敛或者收敛速度很慢的情况，所以就要根据具体的模型制定具体的求解策略，主要通过修改求解参数来完成。

在求解参数中主要设置求解的控制方程、选择压力速度耦合方法、松弛因子、离散格式等。

在VOF模型中，PISO比较适合于不复杂的流体，SIMPLE和SIMPLEC适合于可压缩的流体或者处于封闭域中的流体。

• 求解的控制方程:在求解参数设置中，可以选择所需要求解的控制方程。

可选择的方程包括Flow(流动方程)、Turbulence(湍流方程)、Energy(能量方程)、VolumeFraction(体积分数方程)等。

在求解过程中，有时为了得到收敛的解，先关闭一些方程，等一些简单的方程收敛后，再开启复杂的方程一起计算。

• 选择压力速度耦合方法:在基于压力求解器中，FLUENT提供了压力速度耦合的4种方法，即SIMPLE、SIMPLEC(SIMPLE．Consistent)、PISO以及Coupled。

定常状态计算一般使用SIMPLE或者SIMPLEC方法，对于过渡计算推荐使用PISO方法。

PISO方法还可以用于高度倾斜网格的定常状态计算和过渡计算。

需要注意的是压力速度耦合只用于分离求解器，在耦合求解器中不可以使用。

在FLUENT中，可以使用标准SIMPLE算法和SIMPLEC算法，默认是SIMPLE算法，但对于许多问题如果使用SIMPLEC可能会得到更好的结果，尤其是可以应用增加的亚松弛迭代时。

对于相对简单的问题(如没有附加模型激活的层流流动)，其收敛性可以被压力速度耦合所限制，用户通常可以使用SIMPLEC算法很快得到收敛解。

在SIMPLEC算法中，压力校正亚松弛因子通常设为1.0，它有助于收敛，但是，在有些问题中，将压力校正松弛因子增加到1.0可能会导致流动不稳定，对于这种情况，则需要使用更为保守的亚松弛或者使用SIMPLE算法。