fluent算法的一些说明

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。

) |3 H+ P0 _* S# H5 I9 P4 A/ l! Q5 w: b5 u* c2 t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。

（2）不可压缩流计算。Explicit time stepping 不能用于计算时间精度不可压缩流（如除了理想气体的气体定律）。不可压缩流计算必须在每个时间步迭代至收敛。

（3）收敛加速。FAS multigrid 与residual smoothing 在explicit time stepping 条件下破坏时间精度。 7 、node-based 平均格式比默认的cell-based格式在非结构网格特别是三角形和四面体网格的计算上更精确。

I7 J' h) V2 W# _( c9 j& d f) {# U/ K# g7 Y: v0 W5 L% E3 Q& I- t) z, n; b6 s/ s8 `分离解算器（solution controls）

1、当standard pressure 插值格式无效的时候，可以考虑： （1）linear格式，相邻单元的压力平均作为计算面压力。

（2）second-order 格式，通过2阶精度对流项重构面压力改进standard 与 linear 格式，但是如果网格质量很差的话，计算会有问题。并且，second-order 不适合于多孔介质引起的非连续压力梯度流以及VOF 与 mixture 多相流计算。

* H% L) Z' p2 Y5 J$ . b. ^: _5 s0 K- s5 ~! ?/ F' D, b/ \\& w9 F+ L8 o& （3）body-force-weighted 通过假设压力和体积力之间差异的标准梯度是常数来计算面压力。如果体积力在动量方程中优先知道的话，如浮力，轴对称旋转流计算，可以获得较好的效果。

2、当模型中包含多孔介质，body-force-weighted 格式只计算无孔面，并且考虑外体积力（gravity, swirl, Coriolis）以及由于密度的迅速改变而导致的压力梯度（natural convection, VOF）的非连续性。所有内部和外部的多孔面按

照特定的格式处理，保证法向速度通过单元面的连续性而不管阻力是否连续。

2 r& H7 \\; / v&3、PRESTO! 适用于所有类型的网格，但是对三角形和四面体网格，并不能提供比其他算法更高的精度。

4、second-order upwind 与QUICK格式不适用于可压缩多相流中密度的定义。first-order upwind 用于可压缩相的计算，算术平均法用于不可压缩相的计算。由于计算稳定性的原因，推荐在计算可压缩流时，先使用first-order 格式，然后转向高精度格式。

5、PISO算法的目的是减少SIMPLE与SIMPLEC在求解压力修正方程过程中的反复计算 ，在每次迭代中需要占用更多的CPU时间，但是可以显著地的减少收敛所需要的迭代步数，特别是针对瞬时问题。

# W B& P8 G' @1 W1 q+ f- l8 f选择解算模式

1、segregated solver常规上用做不可压缩流和轻微可压缩流计算，coupled solver最初用做高速可压流的计算。当前这两种解算方式都适用于大范围的流体计算（从不可压到高度可压），但是coupled solver在高速可压流计算中具备一定的优势。

2、默认条件下，FLUENT 使用segregated solver，但是高速可压流，具有强烈体积力（浮力，旋转力）的耦合流以及非常精细网格的流动，可以选择coupled implicit solver ，计算中运动方程与能量方程耦合，收敛速度更快但是比segregated solver消耗更多的内存。如果电脑内存不足，可以使用segregated solver 或者coupled explicit solver，但是coupled explicit solver需要更长的时间达到收敛。

3、下列segregated solver物理模型不适用于coupled solvers： （1）空化模型，VOF模型，混合多相流模型，Eulerian多相流模型 （2）多孔介质

（3）非预混燃烧模型，预混燃烧模型，不完全预混燃烧模型 （4）PDF传输模型

（5）Soot与NOx 模型 （11）辐射模型

（12）熔化/凝固模型 （13）壳传导模型 （14）操作压力变化 （15）周期性流动

4、下列不能使用segregated solver，必须使用coupled solvers： （1）真实气体模型（非理想气体） （2）自定义的真实气体模型 （3）非反射边界条件 (4) laminar flames

, W# M3 \\% @5 M* [7 a1 L* W2 q\@+ G8 F% M\B& V; v8 H' |3 j2 ]; C7 m; J5 o: |, E& m; x. r, $ E7 |7 R6 S& U. k7 5 Z, Y* r, G' Z& E$ ?; x' O. e9 b9 H2 8 H3 w9 |* Q! M# A1 4 R! V( L% x3 v* Z: C0 [+ ]\I H7 y! F8 {/ t( x& {( 9 Z& A% {' {9 d* O$ l* A 离散格式

first-order格式具有较好的收敛性但是精度低，多数情况下计算开始应使用second-order。某些情况下可以先使用 first-order然后转为second-order。如果second-order收敛困难，用first-order。在模型简单的结构网格计算上，

) j# r- ^1 s( b\V B, first-order解算精度与second-order区别不大。

QUICK在结构网格条件下计算旋转流场与涡流比second-order提供更高的精度，通常情况下，second-order是足够有效的，使用QUICK不会提高精度。power law 也可能用到，但是只有first-order精度。

中心差分仅仅用在湍流模型，并且网格必须足够精细而且局部Peclet数要小于1。

压力插值格式选择

1、如果问题包含大的体积力，推荐使用body-force-weighted 。

2、高涡流数，高 Rayleigh数自然对流，高速旋流，多孔介质以及强烈的曲体流，推荐PRESTO! 。

3、可压缩流推荐second-order。

4、当其他格式无效时使用second-order 提高精度。 5、second-order 不能用在多孔介质以及多相流计算。

密度插值格式选择

多相可压缩流只能使用first-order。 计算产生冲击波的可压缩流，强烈推荐在四边形、六面体或者混合网格条件下所有变量包括密度都使用QUICK。 压力速度耦合方式选择

SIMPLEC相比SIMPLE通常收敛更快，并且可以使用较大的松弛因子。但是比较复杂的湍流或者附加物理方程的计算，SIMPLEC与SIMPLE基本没有区别。 强烈推荐在网格扭曲变形较大的情况下使用PISO！。

SIMPLEC与SIMPLE在稳态计算中比PISO！有效，PISO！在非稳态计算中更好。

) o2 {) c! I ~+ T% A6 Q/ [/ }/ k5 B0 a% x( n. @, w: c) _; }& `0 w$ l4 F$ s\: x% `; ^9 ]2 m! o m0 {1 R* V6 + q( p8 x9 B' j3 c: ^8 m' ! }$ @% i/ g3 |7 v\a\c- i* Z' x* # l, 1 l3 r' V' m( Q7 I7 o+ t8 {7 C$ m, B网格

除low-Reynolds-number turbulence 与LES模型外，湍流计算模式中需要使用wall functions，边界层使用粗网格，贴近壁面的网格不能过分精细，保证：30

Fluent经典问题

1 对于刚接触到FLUENT新手来说，面对铺天盖地的学习资料和令人难读的FLUENT help，如何学习才能在最短的时间内入门并掌握基本学习方法呢？

学习任何一个软件，对于每一个人来说，都存在入门的时期。认真勤学是必须的，什么是最好的学习方法，我也不能妄加定论，在此，我愿意将我三年前入门FLUENT心得介绍一下，希望能给学习FLUENT的新手一点帮助。

由 于当时我需要学习FLUENT来做毕业设计，老师给了我一本书，韩占忠的《FLUENT流体工程仿真计算实例与应用》，当然，学这本书之前必须要有两个条 件，第一，具有流体力学的基础，第二，有FLUENT安装软件可以应用。然后就照着书上二维的计算例子，一个例子，一个步骤地去学习，然后学习三维，再针 对具体你所遇到的项目进行针对性的计算。不能急于求成，

从前处理器GAMBIT，到通过FLUENT进行仿真，再到后处理，如TECPLOT，进行循序渐 进的学习，坚持，效果是非常显著的。如果身边有懂得FLUENT的老师，那么遇到问题向老师请教是最有效的方法，碰到不懂的问题也可以上网或者查找相关书 籍来得到答案。另外我还有本《计算流体动力学分析》王福军的，两者结合起来学习效果更好。

2 CFD计算中涉及到的流体及流动的基本概念和术语：理想流体和粘性流体；牛顿流体和非牛顿流体；可压缩流体和不可压缩流体；层流和湍流；定常流动和非定常流动；亚音速与超音速流动；热传导和扩散等。

http://www.efluid.com.cn/dvbbs/viewFile.asp?BoardID=61&ID=1411

A.理想流体（Ideal Fluid）和粘性流体（Viscous Fluid）：

流 体在静止时虽不能承受切应力，但在运动时，对相邻的两层流体间的相对运动，即相对滑动速度却是有抵抗的，这种抵抗力称为粘性应力。流体所具备的这种抵抗两 层流体相对滑动速度，或普遍说来抵抗变形的性质称为粘性。粘性的大小依赖于流体的性质，并显著地随温度变化。实验表明，粘性应力的大小与粘性及相对速度成 正比。当流体的粘性较小（实际上最重要的流体如空气、水等的粘性都是很小的），运动的相对速度也不大时，所产生的粘性应力比起其他类型的力如惯性力可忽略 不计。此时我们可以近似地把流体看成无粘性的，这样的流体称为理想流体。十分明显，理想流体对于切向变形没有任何抗拒能力。这样对于粘性而言，我们可以将流体分为理想流体和粘性流体两大类。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。

B.牛顿流体（Newtonian Fluid）和非牛顿流体（non-Newtonian Fluid）：

日常生活和工程实践中最常遇到的流体其切应力与剪切变形速率符合下式的线性关系，称为牛顿流体。而切应力与变形速率不成线性关系者称为非牛顿流体。图2-1（a）中绘出了切应力与变形速率的关系曲线。其中符合上式的线性关系者为牛顿流体。其他为非牛顿流体，非牛顿流体中又因其切应力与变形速率关系特点分为膨胀性流体（Dilalant），拟塑性流体（Pseudoplastic），具有屈服应力的理想宾厄流体（Ideal Bingham Fluid）和塑性流体（Plastic Fluid）等。通常油脂、油漆、牛奶、牙膏、血液、泥浆等均为非牛顿流体。非牛顿流体的研究在化纤、塑料、石油、化工、食品及很多轻工业中有着广泛的应用。图2-1（b）还显示出对于有些非牛顿流体，其粘滞特性具有时间效应，即剪切应力不仅与变形速率有关而且与作用时间有关。当变形速率保持常量，切应力随时间增大，这种非牛顿流体称为震凝性流体（Rheopectic Fluid）。当变形速率保持常量而切应力随时间减小的非牛顿流体则称为触变性流体（Thixotropic Fluid）。

C.可压缩流体（Compressible Fluid）和不可压缩流体（Incompressible Fluid）：

在 流体的运动过程中，由于压力、温度等因素的改变，流体质点的体积（或密度，因质点的质量一定），或多或少有所改变。流体质点的体积或密度在受到一定压力差 或温度差的条件下可以改变的这个性质称为压缩性。真实流体都是可以压缩的。它的压缩程度依赖于流体的性质及外界的条件。例如水在100个大气压下，容积缩小0.5%，温度从20°变化到100°，容积降低4%。 因此在一般情况下液体可以近似地看成不可压的。但是在某些特殊问题中，例如水中爆炸或水击

等问题，则必须把液体看作是可压缩的。气体的压缩性比液体大得 多，所以在一般情形下应该当作可压缩流体处理。但是如果压力差较小，运动速度较小，并且没有很大的温度差，则实际上气体所产生的体积变化也不大。此时，也 可以近似地将气体视为不可压缩的。

在可压缩流体的连续方程中含密度，因而可把密度视为连续方程中的独立变量进行求解，再根据气体的状态方程求出压力。不可压流体的压力场是通过连续方程间接规定的。由于没有直接求解压力的方程，不可压流体的流动方程的求解具有其特殊的困难。 D. 层流（Laminar Flow）和湍流（Turbulent Flow）：

实 验表明，粘性流体运动有两种形态，即层流和湍流。这两种形态的性质截然不同。层流是流体运动规则，各部分分层流动互不掺混，质点的轨线是光滑的，而且流动 稳定。湍流的特征则完全相反，流体运动极不规则，各部分激烈掺混，质点的轨线杂乱无章，而且流场极不稳定。这两种截然不同的运动形态在一定条件下可以相互 转化。

E. 定常流动（Steady Flow）和非定常流动（Unsteady Flow）：

以 时间为标准，根据流体流动的物理量（如速度、压力、温度等）是否随时间变化，将流动分为定常与非定常两大类。当流动的物理量不随时间变化，为定常流动；反 之称为非定常流动。定常流动也称为恒定流动，或者稳态流动；非定常流动也称为非恒定流动、非稳态流动。许多流体机械在起动或关机时的流体流动一般是非定常 流动，而正常运转时可看作是定常流动。 F. 亚音速流动(Subsonic)与超音速流动（Supersonic）：

当气流速度很大，或者流场压力变化很大时，流体就受到了压速性的影响。马赫数定义为当地速度与当地音速之比。当马赫数小于1时，流动为亚音速流动；当马赫数远远小于1（如M<0.1）时，流体的可压速性及压力脉动对密度变化影响都可以忽略。当马赫数接近1时候（跨音速），可压速性影响就显得十分重要了。如果马赫数大于1，流体就变为超音速流动。FLUENT对于亚音速，跨音速以及超音速等可压流动都有模拟能力。 G. 热传导（Heat Transfer）及扩散（Diffusion）：

除了粘性外，流体还有热传导及扩散等性质。当流体中存在温度差时，温度高的地方将向温度低的地方传送热量，这种现象称为热传导。同样地，当流体混合物中存在组元的浓度差时，浓度高的地方将向浓度低的地方输送该组元的物质，这种现象称为扩散。

流 体的宏观性质，如扩散、粘性和热传导等，是分子输运性质的统计平均。由于分子的不规则运动，在各层流体间交换着质量、动量和能量，使不同流体层内的平均物 理量均匀化，这种性质称为分子运动的输运性质。质量输运宏观上表现为扩散现象，动量输运表现为粘性现象，能量输运表象为热传导现象。

理想流体忽略了粘性，即忽略了分子运动的动量输运性质，因此在理想流体中也不应考虑质量和能量输运性质——扩散和热传导，因为它们具有相同的微观机制

3 在数值模拟过程中，离散化的目的是什么？如何对计算区域进行离散化？离散化时通常使用哪些网格？如何对控制方程进行离散？离散化常用的方法有哪些？它们有什么不同？

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