FLUENT知识点

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. z. 一、根本设置

1．Double Precision的选择

启动设置如图，这里着重说说Double Precision〔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[1]。

a. 几何特征包含*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准确地表达各尺度方向的节点信息。

b. 如果几何模型包含多个通过小直径管道相互连接的体，而*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表达压差带来的流动〔如渐缩渐扩管的无粘与可压缩流动模拟〕。

c. 对于*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准确度缺乏缺乏的问题，此时，使用双精度求解器可能会有所帮助。

2．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"FLUENT全攻略"〔已下载〕。

3．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-Based Solver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；Fluent 6.3以前的版本求解器，只有Segregated Solver和Coupled Solver，其实也是Pressure-Based

Solver的两种处理方法；

Density-Based Solver是Fluent 6.3新开展出来的，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具有比拟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-Based Solver下肯定是没有SIMPLEC，PISO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-Based Solver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准确的结果。

4．a*isymmetric和a*isymmetric swirl

从字面的意思很好理解a*isymmetric和a*isymmetric swirl的差异：

a*isymmetric：是轴对称的意思，也就是关于一个坐标轴对称，2D的a*isymmetric问题仍为2D问题。而a*isymmetric swirl：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*轴。

5．操作工况参数〔Operating Conditions〕

① 操作压力的介绍

[1] 李鹏飞,徐敏义,王飞飞.精通CFD工程仿真与案例实战：FLUENT GAMBIT ICEM CFD Tecplot[M]. ,人民邮电,2011:114-116 -

. z. 关于参考压力的设定，首先需了解有关压力的一些定义。ANSYS FLUENT中有以下几个压力，即Static Pressure〔静压〕、Dynamic Pressure〔动压〕与Total Pressure〔总压〕；Absolute

Pressure〔绝对压力〕、Relative Pressure〔参考压力〕与Operating Pressure〔操作压力〕。

这些压力间的关系为，Total Pressure〔总压〕=Static Pressure〔静压〕+Dynamic Pressure〔动压〕；Absolute Pressure〔绝对压力〕=Operating Pressure〔操作压力〕+Gauge Pressure〔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，是流动速度能量的表达。

而绝对压力、操作压力和表压是FLUENT引入的压力参考量，在ANSYS FLUENT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。

② 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。需要采取措施来防止此误差的形成，ANSYS

FLUENT通过采用表压〔由绝对压力减去操作压力〕的形式来防止截断误差的形成，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ANSYS

FLUENT中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0.1 0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

③ 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，ANSYS FLUENT在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的位置处。在Operating Conditions对话框中的Reference Pressure

Location选项组中设置新的参考压力位置的*，y，z的坐标即可。

如果要考虑*一方向的加速度，如重力，可以勾选Gravity复选框。 -

. z. 对于VOF计算，应中选择Specified Operating Density，并且在Operating Density 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。同样需要翻开 Implicit Body Force，局部平衡压力梯度和动量方程中体积力，提高解的收敛性。

Reference Pressure Location〔参考压强位置〕应是位于流体永远是100%的*一相〔空气〕的区域，光滑和快速收敛是其根本条件。

二、求解模型的设定

1．流动模型的设置

① 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，即没有摩擦力。十清楚显，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*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适宜的，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*些值上预测的偏高。无粘流动能对流动状态和激波位置进展快速预测。

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1M，1M和1M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。这样一个强连续面叫做激波阵面。

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表达。准确的激波模拟是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适宜的数值模拟和格式。很多实际模拟中，局部网格的自适应会很有帮助。

② 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]，这里写出流的判断标准：

对于流而言，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。

③ 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 k模型，这种模型应用较多，计算量适中，有较多数据积累和比拟高的精度，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，当主流为充分开展湍流时，根据离壁面法线距离不同，可将流动划分为壁面区〔或称区、近壁区〕和核心区〔或称外区〕。

核心区是完全湍流区，为充分开展的湍流。

[2] 李鹏飞,徐敏义,王飞飞.精通CFD工程仿真与案例实战：FLUENT GAMBIT ICEM CFD Tecplot[M]. ,人民邮电,2011:122