1.5 FLUENT的基礎操作

本節將通過一個實際的FLUENT算例來展示FLUENT求解流動過程的基本操作。

本節的算例涉及彎道混合管。管道混合部件在各類工業應用中很常見。實際工業過程通常需要由給定的管道入口處的速度和溫度預測管道中的局部流場和溫度，這可以通過CFD模擬預測。

通過對這個開篇基礎算例的學習，用戶將學習到以下幾點。

● 建立FLUENT求解的基本印象，對CFD求解過程有感性和理性的基本認識。

● 學習讀入并檢查網格的步驟、操作界面和基本方法。

● 學習設定模型和物性的步驟和基本方法。

● 學習設定邊界條件和求解參數的步驟和基本方法。

● 學習簡單的后處理功能顯示云圖、矢量圖和XY點圖。

● 了解使用二階迎風格式提高求解精度的方法，并將其應用于該算例計算。

算例問題描述：

該算例的計算域如圖1-7所示。冷流體以26℃的溫度進入大直徑的管道，在彎道處與初始溫度為40℃的熱流體混合。管道尺寸單位為英寸，流體物性和邊界條件以國際單位為主。主進口處的雷諾數為2.03×105，因此流動為湍流。

圖1-7 計算域

圖1-7中，Ux為x方向的速度，Uy為y方向的速度，T為溫度，I為湍流強度，Density為流體密度，Viscosity為流體的粘度，Conductivity為流體的導熱率，Specific Heat為流體的比熱容。

1.5.1 啟動ANSYS FLUENT求解器

將光盤內的文件夾elbow復制到工作文件夾中。單擊ANSYS FLUENT快捷方式圖標（）啟動FLUENT。這時FLUENT Launcher（見圖1-8）將會啟動，通過FLUENT Launcher可以選擇啟動相應的FLUENT求解器。

圖1-8 FLUENT Launcher

這時進行以下操作。

（1）在Dimension選項組中選中2D選項。因為本算例的計算域是二維的，因此選擇2D求解器。

（2）在Processing Options選項組中選中Serial選項。本算例不采用并行計算。

（3）確保Display Mesh After Reading、Embed Graphics Windows和Workbench Color Scheme復選框都被勾選。

（4）確保沒有勾選Double Precision復選框。本算例使用單精度求解器，不需勾選該復選框。

單擊Show More按鈕即可出現如圖1-9所示的更多選項。這時應在Working Directory組合框中輸入工作目錄的路徑，或通過單擊按鈕來選擇路徑。

圖1-9 FLUENT Launcher的展開界面

操作完成后，單擊OK按鈕，啟動ANSYS FLUENT。

1.5.2 讀入網格文件

讀入名為elbow.msh的網格文件。

操作為File/Read/Mesh。

在工作目錄文件夾中找到上一步驟中復制過來的elbow文件夾，讀入文件夾內的elbow.msh文件。讀入網格文件后，控制臺中出現以下提示。

        > Reading "C:\TUTFILES\ELBOW\ELBOW.MSH"...
              383 nodes.
              154 nodes.
            1300 2D interior faces, zone  3.
              100 2D wall faces, zone  4.
                8 2D velocity-inlet faces, zone  5.
                4 2D velocity-inlet faces, zone  6.
                8 2D pressure-outlet faces, zone  7.
              34 2D wall faces, zone  8.
              918 triangular cells, zone  9.

        Building...
              mesh
              materials,
              interface,
              domains,
              zones,
                  fluid-9
                  wall-8
              pressure-outlet-7
              velocity-inlet-6
              velocity-inlet-5
              wall-4
              internal-3
        Done.

1.5.3 網格檢查

在導航欄的General一欄進行網格檢查操作，操作為General/Check。ANSYS FLUENT將在控制臺中報告網格檢查的結果。

該提示中，Domain Extents顯示的是計算域在x和y方向上的尺寸（單位為m）。應尤其注意，Volume statistics下的minimum volume不能為負值，若出現負值，則說明該網格有負體積，需重新進行網格劃分。

        Domain Extents:
            x-coordinate: min (m)=0.000000e+000, max (m)=6.400001e+001
            y-coordinate: min (m)=-4.538534e+000, max (m)=6.400000e+001
          Volume statistics:
            minimum volume (m3): 2.782191e-001
            maximum volume (m3): 3.926230e+000
              total volume (m3): 1.682930e+003
          Face area statistics:
            minimum face area (m2): 8.015718e-001
            maximum face area (m2): 4.118252e+000
          Checking number of nodes per cell.
          Checking number of faces per cell.
          Checking thread pointers.
          Checking number of cells per face.
          Checking face cells.
          Checking cell connectivity.
          Checking bridge faces.
          Checking right-handed cells.
          Checking face handedness.
        Checking face node order.
        Checking closed cells.
        Checking contact points.
        Checking element type consistency.
        Checking boundary types.
        Checking face pairs.
        Checking wall distance.
        Checking node count.
        Checking nosolve cell count.
        Checking nosolve face count.
        Checking face children.
        Checking cell children.
        Checking storage.
      Done.

1.5.4 尺寸檢查

進行General/Scale操作后，彈出Scale Mesh對話框，如圖1-10所示，然后進行以下操作。

圖1-10 計算域縮放設置對話框

（1）確保Scaling選項組中的Convert Units選項被選中。

（2）在Mesh Was Created In下拉列表中選擇in，即設定創建網格時的單位為英寸。

（3）單擊Scale按鈕，進行網格尺寸轉換操作。此時應注意只單擊一次Scale按鈕，若多次單擊Scale按鈕，網格尺寸可能進行了多次轉換。

（4）在View Length Unit In下拉列表中選擇in（英寸）作為操作時顯示的長度單位。

（5）單擊Close按鈕關閉Scale Mesh對話框。

此時，計算域網格尺寸被正確設定，且后續操作中遇到的長度單位都設置為英寸。

1.5.5 網格光順化

在菜單欄中的Mesh下拉菜單中選擇Smooth/Swap命令，彈出Smooth/Swap Mesh對話框（見圖1-11），然后進行網格光順化操作。

圖1-11 網格光順化設置對話框

（1）單擊Smooth按鈕，再單擊Swap按鈕，并重復該操作，直到控制臺中提示Number Swapped的數為0。

（2）單擊Close按鈕關閉Smooth/Swap Mesh對話框。

1.5.6 顯示網格

（1）進行General / Display操作，彈出Mesh Display對話框（見圖1-12），保持默認設置，然后單擊Display按鈕，網格將在窗口中顯示，如圖1-13所示。

圖1-12 網格顯示對話框

圖1-13 網格顯示

（2）用戶可以通過鼠標中鍵（滾輪）畫出一個長方形區域，以進行放大或縮小圖形顯示的操作。以右下方向畫出長方形為放大圖形顯示的操作，以左上方畫出長方形為縮小圖形顯示的操作。

1.5.7 模型參數設置

（1）保持導航欄中General下的默認選項，如圖1-14所示。

圖1-14 導航欄中General中的選項

（2）在導航欄內進行Models / Viscous / k-epsilon操作，彈出Viscous Model對話框。設置湍流模型為k-ε模型（見圖1-15），然后保持Viscous Model對話框內的默認參數設置，單擊OK按鈕關閉該對話框。

圖1-15 湍流模型設置對話框

（3）在導航欄內進行Model / Energy操作，彈出Energy對話框，勾選Energy Equation復選框，如圖1-16所示。

圖1-16 Energy對話框

1.5.8 物性參數設置

單擊導航欄中的Material選項，雙擊任務頁面中的Fluid選項，彈出Create/Edit Materials對話框（見圖1-17）。在Name文本框中輸入water，在Properties選項組中設置如表1-1所示的物性。

表1-1 物性參數設置

圖1-17 材料物性設置

（1）單擊Change/Create保存數據。當FLUENT詢問是否覆蓋air的物性時，單擊No按鈕。此時，water作為一種物質已經加入到了物性列表中，這樣Fluid中便有了兩種物質，即water和air。

（2）單擊Close按鈕關閉對話框。

1.5.9 邊界條件參數設置

1．設置計算域流體

進行Define / Cell Zone Conditions操作，彈出Cell Zone Conditions設置面板。

① 在Cell Zone Conditions設置面板內選擇fluid-9選項，如圖1-18所示。

圖1-18 Cell Zone Conditions設置面板

② 單擊Edit按鈕，彈出Fluid對話框，如圖1-19所示。

圖1-19 Fluid對話框

③ 在Fluid對話框中的Material Name下拉列表下選擇water，然后單擊OK按鈕。

2．設置冷流體入流的邊界條件

進行Define / Boundary Conditions操作，彈出Boundary Conditions設置面板。

（1）在Boundary Conditions設置面板（見圖1-20）內選擇velocity-inlet-5選項。

圖1-20 邊界條件設置面板

（2）單擊Edit按鈕，彈出Velocity Inlet對話框，在Velocity Magnitude(m/s) 文本框中輸入0.2，如圖1-21所示。

圖1-21 速度進口邊界條件設置對話框

（3）在Specification Method下拉列表中選擇Intensity and Hydraulic Diameter選項。

（4）在Turbulent Intensity (%)文本框中輸入5，在Hydraulic Diameter (in)文本框中輸入32。

（5）選擇Thermal選項卡，在Temperature (k) 文本框中輸入293，如圖1-22所示。

圖1-22 速度進口邊界溫度設置對話框

（6）單擊OK按鈕關閉對話框。

3．設置熱流體入流的邊界條件

重復velocity-inlet-5邊界的設置方法，并且輸入如表1-2所示的數據。

表1-2 入流邊界條件設置

4．設置pressure-outlet-7的邊界條件

按照如圖1-23和圖1-24所示的參數設置Pressure-outlet-7的邊界條件。

圖1-23 壓力出口設置對話框

圖1-24 Thermal選項卡

對于wall-4的壁面，保持如圖1-25所示的默認設置即可。

圖1-25 壁面邊界條件設置對話框

對于wall-8的壁面，也保持默認設置。

1.5.10 求解參數設置

1.Solve / Initialization

（1）在Solution Initialization設置面板內的Compute from下拉列表中選擇all-zones選項，如圖1-26所示。

圖1-26 求解初始化面板

（2）單擊Initialize按鈕對計算域變量進行初始化。

2.Solve / Monitors

（1）在Monitors設置面板內選擇Residuals - Print, Plot。然后單擊Edit按鈕，如圖1-27所示。

圖1-27 監視器設置面板

（2）彈出Residual Monitors對話框（見圖1-28），保持默認設置即可，然后單擊OK按鈕。

圖1-28 殘差監視器設置對話框

1.5.11 迭代求解

1.File/Write/Case

保存工況文件，文件名默認為elbow.cas。

2.Solve/Run Calculation

（1）在Run Calculation設置面板內的Number of Iterations數值框內輸入500，如圖1-29所示。

圖1-29 求解運行設置面板

（2）單擊Calculate按鈕開始迭代。

迭代將在進行約60步后收斂，并且彈出如圖1-30所示的迭代提示對話框，單擊OK按鈕即可。計算過程殘差如圖1-31所示。

圖1-30 迭代提示對話框

圖1-31 計算過程殘差

3.File / Write / Date

保存數據文件，文件名默認為elbow.dat。

1.5.12 利用高階離散格式獲得精確解

使用一階離散格式求解的結果可能并不精確，對速度和溫度場的預測可能誤差較大。采用二階離散格式可以提高解的精確性。

1.Solution / Methods

在Solution Methods設置面板內（見圖1-32），在Spatial Discretization選項組中的Momentum、Turbulent Kinetic Energy、Turbulent Dissipation Rate和Energy下拉列表中選擇Second Order Upwind選項，即選擇二階離散格式。

圖1-32 求解方法設置面板

2.Solution / Controls

在Solution Controls設置面板內將Energy的欠松弛因子設置為0.8，如圖1-33所示。

圖1-33 求解控制設置面板

3.Solution / Run Calculation

繼續進行500步迭代，如圖1-34所示，在Number of Iterations數值框內輸入500，單擊Calculate按鈕。迭代將在繼續約60步后收斂，計算過程殘差如圖1-35所示。

圖1-34 求解運行設置面板

圖1-35 計算過程殘差

4.File / Write / Case & Data

保存第二次計算的二階離散格式的工況和數據文件，文件名分別為elbow2.cas和elbow2.dat。此時迭代計算已經完成，下一步可以進行后處理操作。