2.1 FLUENT軟件特點簡介

2006年5月，FLUENT成為全球最大的CAE軟件供應商——ANSYS大家庭中的重要成員。所有的FLUENT軟件都集成在ANSYS Workbench環境下，共享先進的ANSYS公共CAE技術。

FLUENT是ANSYS CFD的旗艦產品，ANSYS加大了對FLUENT核心CFD技術的投資，確保FLUENT在CFD領域的絕對領先地位。ANSYS公司收購FLUENT以后做了大量高技術含量的開發工作，具體如下。

● 內置六自由度剛體運動模塊配合強大的動網格技術。

● 領先的轉捩模型精確計算層流到湍流的轉捩以及飛行器阻力精確模擬。

● 非平衡壁面函數和增強型壁面函數加壓力梯度修正大大提高了邊界層回流計算精度。

● 多面體網格技術大大減小了網格量并提高計算精度。

● 密度基算法解決高超音速流動。

● 高階格式可以精確捕捉激波。

● 噪聲模塊解決航空領域的氣動噪聲問題。

● 非平衡火焰模型用于航空發動機燃燒模擬。

● 旋轉機械模型加虛擬葉片模型廣泛用于螺旋槳旋翼CFD模擬。

● 先進的多相流模型。

● HPC大規模計算高效并行技術。

圖2-1為一個FLUENT的計算圖例，是FLUENT在航空領域的應用實例，顯示了飛機滑行過程中起落架附近的渦流分布。

2.1.1 網格技術

計算網格是任何計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）計算的核心，它通常把計算域劃分為幾千甚至幾百萬個單元，在單元上計算并存儲求解變量。FLUENT使用非結構化網格技術，這就意味著可以有各種各樣的網格單元，具體如下。

● 二維的四邊形和三角形單元。

● 三維的四面體核心單元。

● 六面體核心單元。

● 棱柱和多面體單元。

這些網格可以使用FLUENT的前處理軟件Gambit自動生成，也可以選擇在ICEM CFD工具中生成。

在目前的CFD市場上，FLUENT以其在非結構網格的基礎上提供豐富的物理模型而著稱，主要有以下特點。

（1）完全非結構化網格。

FLUENT軟件采用基于完全非結構化網格的有限體積法，而且具有基于網格節點和網格單元的梯度算法。

（2）先進的動/變形網格技術。

FLUENT軟件中的動/變形網格技術主要解決邊界運動的問題，用戶只需指定初始網格和運動壁面的邊界條件，余下的網格變化完全由解算器自動生成。FLUENT解算器包括NEKTON、FIDAP、POLYFLOW、ICEPAK以及MIXSIM。

網格變形方式有3種：彈簧壓縮式、動態鋪層式以及局部網格重生式。其中，局部網格重生式是FLUENT所獨有的，而且用途廣泛，可用于非結構網格、變形較大問題以及物體運動規律事先不知道而完全由流動所產生的力所決定的問題。

（3）多網格支持功能。

FLUENT軟件具有強大的網格支持能力，支持界面不連續的網格、混合網格、動/變形網格以及滑動網格等。值得強調的是，FLUENT軟件還擁有多種基于解的網格的自適應、動態自適應技術以及動網格與網格動態自適應相結合的技術。

2.1.2 數值技術

在FLUENT軟件當中，有兩種數值方法可以選擇：基于壓力的求解器和基于密度的求解器。

從傳統上講，基于壓力的求解器是針對低速、不可壓縮流開發的，基于密度的求解器是針對高速、可壓縮流開發的。但近年來這兩種方法被不斷地擴展和重構，這使得它們突破了傳統上的限制，可以求解更為廣泛的流體流動問題。

FLUENT軟件基于壓力的求解器和基于密度的求解器完全在同一界面下，確保FLUENT對于不同的問題都可以得到很好的收斂性、穩定性和精度。

1．基于壓力的求解器

基于壓力的求解器采用的計算法則屬于常規意義上的投影方法。在投影方法中，首先通過動量方程求解速度場，繼而通過壓力方程的修正使得速度場滿足連續性條件。

由于壓力方程來源于連續性方程和動量方程，從而保證整個流場的模擬結果同時滿足質量守恒和動量守恒。

由于控制方程（動量方程和壓力方程）的非線性和相互耦合作用，所以需要一個迭代過程，使得控制方程重復求解直至結果收斂，用這種方法求解壓力方程和動量方程。

FLUENT軟件中包含以下兩種基于壓力的求解器。

（1）基于壓力的分離求解器。

如圖2-2所示，分離求解器順序地求解每一個變量的控制方程，每一個控制方程在求解時被從其他方程中“解耦”或分離，并且因此而得名。

分離求解器的內存效率非常高，因為離散方程僅僅在一個時刻需要占用內存，收斂速度相對較慢，因為方程是以“解耦”方式求解的。

工程實踐表明，分離求解器對于燃燒、多相流問題更加有效，因為它提供了更為靈活的收斂控制機制。

（2）基于壓力的耦合求解器。

如圖2-2所示，基于壓力的耦合求解器以耦合方式求解動量方程和基于壓力的連續性方程，它的內存使用量大約是分離求解器的1.5～2倍；由于以耦合方式求解，所以它的收斂速度具有5～10倍的提高。

基于壓力的耦合求解器同時還具有傳統壓力算法物理模型豐富的優點，可以和所有動網格、多相流、燃燒和化學反應模型兼容，同時收斂速度遠遠高于基于密度的求解器。

2．基于密度的求解器

基于密度的求解器直接求解瞬態N-S方程（瞬態N-S方程在理論上是絕對穩定的），將穩態問題轉化為時間推進的瞬態問題，由給定的初場時間推進到收斂的穩態解，這就是通常說的時間推進法（密度基求解方法）。這種方法適用于求解亞音速、高超音速等流場的強可壓縮流問題，且易于改為瞬態求解器。

FLUENT軟件中基于密度的求解器源于FLUENT和NASA合作開發的RAMPANT軟件，因此被廣泛應用于航空航天工業。

FLUENT增加了AUSM和Roe-FDS通量格式，AUSM對不連續激波提供了更高精度的分辨率，Roe-FDS通量格式減小了在大渦模擬計算中的耗散，從而進一步提高了FLUENT在高超聲速模擬方面的精度。

2.1.3 物理模型

FLUENT軟件包含豐富而先進的物理模型，具體有以下幾種。

1．傳熱、相變、輻射模型

許多流體流動伴隨傳熱現象，FLUENT提供一系列應用廣泛的對流、熱傳導及輻射模型。對于熱輻射，P1和Rossland模型適用于介質光學厚度較大的環境；基于角系數的surface to surface模型適用于介質不參與輻射的情況；DO（Discrete Ordinates）模型適用于包括玻璃在內的任何介質。DRTM模型（Discrete Ray Tracing Module）也同樣適用。

太陽輻射模型使用光線追蹤算法，包含了一個光照計算器，它允許光照和陰影面積的可視化，這使得氣候控制的模擬更加有意義。

其他與傳熱緊密相關的模型還有汽蝕模型、可壓縮流體模型、熱交換器模型、殼導熱模型、真實氣體模型和濕蒸汽模型。

相變模型可以追蹤分析流體的融化和凝固。離散相模型（DPM）可用于液滴和濕粒子的蒸發及煤的液化。易懂的附加源項和完備的熱邊界條件使得FLUENT的傳熱模型成為滿足各種模擬需要的成熟可靠的工具。

2．湍流和噪聲模型

FLUENT的湍流模型一直處于商業CFD軟件的前沿，它提供的豐富的湍流模型中有經常使用到的湍流模型，包括Spalart-Allmaras模型、k-ω模型組、k-ε模型組。

隨著計算機能力的顯著提高，FLUENT已經將大渦模擬（LES）納入其標準模塊，并且開發了更加高效的分離渦（DES）模型，FLUENT提供的壁面函數和加強壁面處理的方法可以很好地處理壁面附近的流動問題。

氣動聲學在很多工業領域中倍受關注，模擬起來卻相當困難，如今，使用FLUENT可以有多種方法計算由非穩態壓力脈動引起的噪聲，瞬態大渦模擬（LES）預測的表面壓力可以使用FLUENT內嵌的快速傅里葉變換（FFT）工具轉換成頻譜。

Ffowcs-Williams & Hawkings聲學模型可以用于模擬從非流線型實體到旋轉風機葉片等各式各樣的噪聲源的傳播，寬帶噪聲源模型允許在穩態結果的基礎上進行模擬，這是一個快速評估設計是否需要改進的非常實用的工具。

3．化學反應模型

化學反應模型，尤其是湍流狀態下的化學反應模型在FLUENT軟件中一直占有很重要的地位，多年來，FLUENT強大的化學反應模擬能力幫助工程師完成了對各種復雜燃燒過程的模擬。

渦耗散概念、PDF轉換以及有限速率化學模型已經加入FLUENT的主要模型中：渦耗散模型、均衡混合顆粒模型、小火焰模型以及模擬大量氣體燃燒、煤燃燒、液體燃料燃燒的預混合模型。預測NOx生成的模型也被廣泛地應用與定制。

許多工業應用中涉及發生在固體表面的化學反應，FLUENT表面反應模型可以用來分析氣體和表面組分之間的化學反應及不同表面組分之間的化學反應，以確保準確預測表面沉積和蝕刻現象。

對催化轉化、氣體重整、污染物控制裝置及半導體制造等的模擬都受益于這一技術。FLUENT的化學反應模型可以和大渦模擬（LES）及分離渦（DES）湍流模型聯合使用，只有將這些非穩態湍流模型耦合到化學反應模型中，才有可能預測火焰穩定性及燃盡特性。

4．多相流模型

多相流混合物廣泛應用于工業中，FLUENT軟件是多相流建模方面的領導者，其豐富的模擬能力可以幫助工程師洞察設備內那些難以探測的現象，Eulerian多相流模型通過分別求解各相的流動方程的方法分析相互滲透的各種流體或各相流體，對于顆粒相流體，采用特殊的物理模型進行模擬。

很多情況下，占用資源較少的混合模型也用來模擬顆粒相與非顆粒相的混合。FLUENT可用來模擬三相混合流（液、顆粒、氣），如泥漿氣泡柱和噴淋床的模擬?？梢阅M相間傳熱和相間傳質的流動，這使得模擬均相及非均相成為可能。

FLUENT標準模塊中還包括許多其他的多相流模型，對于其他的一些多相流流動，如噴霧干燥器、煤粉高爐、液體燃料噴霧，可以使用離散相模型（DPM）。射入的粒子、泡沫及液滴與背景流之間進行發生熱、質量及動量的交換。

VOF（Volume of Fluid）模型可以用于對界面預測比較感興趣的自由表面流動，如海浪。汽蝕模型已被證實可以很好地應用到水翼艇、泵及燃料噴霧器的模擬。沸騰現象可以很容易地通過用戶自定義函數實現。

2.1.4 FLUENT的獨有特點

FLUENT具有以下特點。

● FLUENT可以方便地設置慣性或非慣性坐標系、復數基準坐標系、滑移網格以及動靜翼相互作用模型化后的接續界面。

● FLUENT內部集成豐富的物性參數的數據庫，里面有大量的材料可供選用，此外用戶可以非常方便地定制自己的材料。

● 高效率的并行計算功能提供多種自動/手動分區算法；內置MPI并行機制大幅度提高并行效率。另外，FLUENT特有的動態負載平衡功能確保全局高效并行計算。

● FLUENT軟件提供了友好的用戶界面，并為用戶提供了二次開發接口（UDF）。

● FLUENT軟件后置處理和數據輸出，可對計算結果進行處理，生成可視化的圖形及給出相應的曲線、報表等。

上述各項功能和特點使得FLUENT在很多領域得到了廣泛的應用，主要有以下幾個方面。

● 油/氣能量的產生和環境應用。

● 航天和渦輪機械的應用。

● 汽車工業的應用。

● 熱交換應用。

● 電子/HVAC應用。

● 材料處理應用。

● 建筑設計和火災研究。

2.1.5 FLUENT系列軟件簡介

FLUENT系列軟件包括：通用的CFD軟件FLUENT、POLYFLOW、FIDAP，工程設計軟件FloWizard、FLUENT for CATIAV5，前處理軟件Gambit、TGrid、G/Turbo, CFD教學軟件FlowLab，面向特定專業應用的ICEPAK、AIRPAK、MIXSIM軟件等。

FLUENT軟件包含基于壓力的分離求解器、基于壓力的耦合求解器、基于密度的隱式求解器、基于密度的顯式求解器。多求解器技術使FLUENT軟件可以用來模擬從不可壓縮到高超音速范圍內的各種復雜流場。

FLUENT軟件包含非常豐富的、經過工程確認的物理模型，可以模擬高超音速流場、轉捩、傳熱與相變、化學反應與燃燒、多相流、旋轉機械、動/變形網格、噪聲、材料加工等復雜機理的流動問題。

FLUENT軟件的動網格技術處于絕對領先地位，并且包含了專門針對多體分離問題的六自由度模型，以及針對發動機的兩維半動網格模型。

POLYFLOW是基于有限元法的CFD軟件，專用于模擬黏彈性材料的層流流動。它適用于塑料、樹脂等高分子材料的擠出成型、吹塑成型、拉絲、層流混合、涂層過程中的流動及傳熱和化學反應問題。

FloWizard是高度自動化的流動模擬工具，它允許設計和工藝工程師在產品開發的早期階段迅速而準確地驗證他們的設計。它引導從頭至尾地完成模擬過程，使模擬過程變得非常容易。

FLUENT for CATIAV5是專門為CATIA用戶定制的CFD軟件，將FLUENT完全集成在CATIAV5內部，用戶就像使用CATIA其他分析環境一樣地使用FLUENT軟件。

Gambit是專業的CFD前處理軟件，包括功能強大的幾何建模和網格生成能力。

G/Turbo是專業的葉輪機械網格生成軟件。

AIRPAK是面向HVAC工程師的CFD軟件，并依照ISO7730標準提供舒適度、PMV、PPD等衡量室內外空氣質量（IAQ）的技術指標。

MIXSIM是專業的攪拌槽CFD模擬軟件。