2.2 FLUENT软件介绍
FLUENT 14流场分析自学手册
FLUENT是由美国FLUENT公司于1983年推出的CFD软件，在美国市场占有率达到60%，可解算涉及流体、热传递以及化学反应等的工程问题。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工和燃料电池等方面有广泛应用。例如，井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散/聚积、多相流和管道流动等。
在工程应用上，FLUENT主要可以用在以下几个方面：
过程和过程装备应用。
油/气能量的产生和环境应用。
航天和涡轮机械的应用。
汽车工业的应用。
热交换应用。
电子/HVAC/应用。
材料处理应用。
建筑设计和火灾研究。
简而言之，FLUENT适用于各种复杂外形的可压和不可压流动计算。对于不同的流动领域和模型，FLUENT公司还提供了其他几种解算器，其中包括NEKTON、FIDAP、POLYFLOW、IcePak以及MixSim。
2.2.1 FLUENT系列软件介绍
相比于其他专业化的CFD分析软件，FLUENT的专业化和功能性最强，其系列软件皆采用FLUENT公司自行研发的Gambit前处理软件来建立几何形状及生成网格，是具有超强组合建构模型能力的前处理器。另外，TGrid和Filters（Translators）是独立于FLUENT的前处理器，其中TGrid用于从现有的边界网络生成体网络，Fliters可以转换由其他软件生成的网络从而用于FLUENT计算。
1．GAMBIT：专用的CFD前置处理器（几何/网格生成）
GAMBIT目前是CFD分析中最好的前置处理器，它包括先进的几何建模和网格划分方法。借助功能灵活，完全集成的和易于操作的界面，GAMBIT可以显著减少CFD应用中的前置处理时间。复杂的模型可直接采用GAMBIT固有几何模块生成，或由CAD/CAE构型系统输入。高度自动化的网格生成工具保证了最佳的网格生成，如结构化、非结构化、多块或混合网格。
2．FLUENT：基于非结构化网格的通用CFD求解器
FLUENT采用可选的多种求解方法，从压力修正的Simple法到隐式和显式的时间推进方法并加入了当地时间步长，隐式残差光滑，多重网格加速收敛。可供选择的湍流模型从单方程、双方程直到雷诺应力和大涡模拟。应用的范围包括高超音流动、跨音流动、传热传质、剪切分离流动、涡轮机、燃烧、化学反应、多相流、非定常流和搅拌混合等。FLUENT14.5是基于完全并行平台的计算工具，既可应用在超级并行计算机上，又可实现高速网络的分布式并行计算，大大增强了计算能力，具有广阔的应用前景。
3．FIDAP：基于有限元方法的通用CFD求解器
一流的流固耦合分析软件。将有限元方法应用于CFD领域。应用于聚合体处理、薄膜涂层、生物医学、半导体结晶生长、冶金和玻璃处理等领域。
4．POLYFLOW：针对黏弹性流动的专用CFD求解器
基于有限元的CFD求解器。其特点是拥有强大的黏弹性计算模块。主要应用于聚合物处理领域，如挤型模设计、吹塑和光纤抽丝等问题。
5．MIXSIM：针对搅拌混合问题的专用CFD软件
内置了专用前处理器，可迅速建立搅拌器和混合器的网格及计算模型。
6．ICEPAK：专用的热控分析CFD软件
ICEPAK是一个完全交互式、面向电子冷却领域工程师的热分析软件。借助ICEPAK的设计环境可以减少设计成本、缩短高性能电子系统的上市时间。ICEPAK软件提供了丰富的物理模型，如可以模拟自然对流、强迫对流和混合对流、热传导、热辐射、流-固的耦合换热、层流、湍流、稳态、非稳态等流动现象。另外，ICEPAK还提供了其他分析软件所不具备的许多功能，如模型真实的几何、真实的风机曲线、真实的物性参数等。ICEPAK提供了其他分析软件包不具备的能力，包括精确的模拟非矩形设备、接触阻力、各向异性热传导率、非线形风扇曲线、散热设备、外部热交换器以及在辐射传热中View factor的自动计算。
最基本的流体数值模拟可以通过以上的软件合作完成，如图2-1和图2-2所示。
2.2.2 FLUENT的功能及特点
1．FLUENT软件的基本结构
FLUENT软件设计基于CFD计算机软件群的概念，针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法以在计算速度、稳定性和精度等方面达到最优。
FLUENT软件的结构由前处理、求解器及后处理三大模块组成。FLUENT软件中采用GAMBIT作为专用的前处理软件，使网格可以有多种形状。对二维流动可以生成三角形和矩形网格；对于三维流动可以生成四面体、六面体、三角柱和四棱锥体等网格；结合具体计算，还可以生成混合网格。其自适应功能，能对网格进行细分或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。
FLUENT软件采用的二阶上风格式是Barth T J与Jespersen D C针对非结构网格提出的多维梯度重构法，后来进一步发展，采用最小二乘法估算梯度，能较好地处理畸变网格的计算。FLUENT率先采用非结构网格使其在技术上处于领先。
FLUENT软件的核心部分是纳维- 斯托克斯方程组的求解模块。用压力校正法作为低速不可压流动的计算方法，包括SIMPLE、SIMPLER、SIMPLEC和PISO等。采用有限体积法离散方程，其计算精度和稳定性都优于传统编程中使用的有限差分法。离散格式为对流项二阶迎风插值格式—QUICK格式（Quadratic Upwind Interpolation for Convection Kinetics scheme），其数值耗散较低，精度高且构造简单。而对可压缩流动采用耦合法，即连续性方程、动量方程和能量方程联立求解。湍流模型是包括FLUENT软件在内的CFD软件的主要组成部分。
FLUENT软件配有各种层次的湍流模型，包括代数模型、一方程模型、二方程模型、湍应力模型和大涡模拟等。应用最广泛的二方程模型是k2ε模型，软件中收录有标准k2ε模型及其几种修正模型。
FLUENT软件的后处理模块具有三维显示功能来展现各种流动特性，并能以动画功能演示非定常过程，从而以直观的形式展示模拟效果，便于进一步分析。该软件的使用步骤如图2-3所示。
FLUENT软件程序模拟能力如下：
无黏流、层流和湍流模型。
适用于牛顿流体和非牛顿流体。
强制/自然/混合对流的热传导，固体/流体的热传导、辐射。
化学组份的混合/反应。
自由表面流模型、欧拉多相流模型、混合多相流模型、颗粒相模型、空穴两相流模型和湿蒸汽模型。
融化熔化/凝固。
蒸发/冷凝相变模型。
离散相的拉格朗日跟踪计算。
非均质渗透性、惯性阻抗、固体热传导和多孔介质模型（考虑多孔介质压力突变）。
风扇、散热器和以热交换器为对象的集中参数模型。
基于精细流场解算的预测流体噪声的声学模型。
质量、动量、热和化学组份的体积源项。
复杂表面形状下的自由面流动。
磁流体模块主要模拟电磁场和导电流体之间的相互作用问题。
连续纤维模块主要模拟纤维和气体流动之间的动量、质量以及热的交换问题等。
2．FLUENT软件的特点
提供了非常灵活的网络特性，比如，三角形、四边形、四面体、六面体、四棱锥体网格，如图2-4所示。
FLUENT使用Gambit作为前处理软件，来读取多种CAD软件的三维几何模型以及多种CAE软件的网格模型。FLUENT可用于二维平面、二维轴对称和三维流动分析，可完成多种参考体系下流场模拟、定常和非定常流动分析、不可压流和可压流计算、层流和湍流模拟、传热和热混合分析、化学组分混合和反应分析、多相流分析、固体与流体耦合传热分析和多孔介质分析等。它的湍流模型包括k～ε模型、Reynolds应力模型、LES模型、标准壁面函数和双层近壁模型等。
FLUENT可以自定义多种边界条件，例如流动入口以及出口边界条件、壁面边界条件等，可采用多种局部的笛卡尔和圆柱坐标系的分量输入，所有边界条件均可随空间和时间变化，包括轴对称和周期变化等。FLUENT提供的用户自定义子程序功能，可让用户自行设定连续方程、动量方程、能量方程或组分输运方程中的体积源项，自定义边界条件、初始条件、流动的物性、添加新的标量方程和多孔介质模型等。
FLUENT是用C语言写的，可实现动态内存分配及高效的并行数据结构，具有很大的灵活性与很强的处理能力。此外，FLUENT使用客户端／服务器结构，允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序。
FLUENT解的计算与显示可以通过交互式的用户界面来完成。用户界面是通过Scheme语言写成的。高级用户可以通过写菜单宏及菜单函数自定义及优化界面，还可以使用基于C语言的用户自定义函数功能对FLUENT进行扩展。
此外，FLUENT 14.5还具有其独有的特点：
可以方便设置惯性或非惯性坐标系、复数基准坐标系、滑移网格以及动静翼互相作用模型化后的连续界面。
内部集成丰富的物性参数数据库，含有大量的材料可供选用，用户可以方便地自定义材料。
具有高效率的并行计算功能，提供多种自动/手动分区算法；内置MPI并行计算机制可大幅度提高并行效率。
拥有良好的用户界面，提供了二次开发接口（UDF）。
具有后处理和数据输出功能，可以对计算结果进行处理，生成可视化图形以及相应的曲线、报表等。