gambit fluent笔记完整版.doc

一Gambit的图形用户界面（GUI）七部分：菜单栏：File，Edit，Solver，Help 图形窗口：黑色区域，由四个图形显示区和边框条以及定位锚点组成绘图工具面板：完成模型建立和网格划分工作视图控制面板：各角度观察绘制的图形或者撤销/重复前一步操作文本命令行窗口：键盘输入文本命令代替鼠标操作命令记录窗口：显示当前任务过程中的命令操作日志和各种消息（成功，警告，错误）控件解释窗口：显示当前鼠标指向的任何图形用户界面中的控件信息二 表格表1 绘图工具面板图 标名 称功 能Geometry绘制和改进几何图形Mesh网格划分与改进Zones指定边界条件类型和区域类型Tools指定坐标系统以及网格、叶轮机械等其他特殊工具的使用表2 视图面板中常用的图标及功能图 标 功 能英文解释图形在各个象限的显示区域中以全图显示Fit to window选择象限显示视图Select preset configuration 选择显示项目Specify model display attributes 图形的渲染方式Render model 撤销或重复上一步操作Undo last operation三 鼠标快捷键操作：左键单击，拖动指针指向某一方向，旋转模型；中键单击，拖动指针指向某一方向，平移模型；右键单击，拖动指针向竖直方向移动，缩小放大模型； 右键单击，拖动指针向水平方向移动，模型绕图形窗口中心旋转； Control+鼠标左键，指针对角移动选择一个区域，该区域模型成比例放大；生成几何结构 四实例操作步骤1.利用Gambit建立计算区域和指定边界条件类型步骤1：文件的创建及其求解器的选择（1）启动Gambit软件。（2）建立新文件。选择FileNew。（3）选择求解器。步骤2：创建控制点点击OperationGeometryVertex。出现如下图的表格分别在Global中输入点的坐标，点Apply应用。步骤3：创建边Tip：了解控制点名称可点击视图控制面板中，选中label及其后边的on即可。点击OperationGeometryEdge，打开Create Straight Edge表单，此操作表示用两点组成线。如图下所示单击vertices文本框后边的向上箭头，出现对话框，选择Vertex.1和Vertex.2然后单击向右的箭头，单击close，然后单击apply。可以看到Vertex.1和Vertex.2连接到一起。鼠标操作方法：在Vertices后黄色文本框单击鼠标，表示准备所要连线的点，然后按住Shift键，同时用鼠标指针在图形显示区域，按左键选择vertex.2和点vertex.3，这两个点变为红色，表示已经被选中。然后单击apply，可以看到vertex.2和vertex.3被连成了直线。点连线可以一次操作，左键单击vertices右边黄色文本框，准备选择所要连线的点，然后按住Shift键，用鼠标左键单击顺序（一定要按连线的顺序）选择vertex.3，vertex.4，vertex.5，vertex.6，vertex.1。然后点击apply，可以看到对其他控制点连线的操作一次完成了。步骤4：创建面与创建边基本相同，只不过是选择边，以组成面。步骤5：划分网格确定要计算的几何区域后，接下来的工作是把这个几何区域进行离散化，即进行网格划分。网格划分可以先对边进行网格划分，然后是面，再是体；也可以是直接对体或者面进行网格划分。网格划分很重要，网格的质量往往决定着Fluent模拟的成败或者收敛的快慢。网格划分的技术需要经常练习，同时对Gambit的帮助文档进行详细的研读，理解操作所代表的含义，了解网格质量和求解器的关系才会不断提高。选择OperationmeshFace，打开mesh face 对话框，对面直接进行网格划分。对所选面直接进行网格划分。在face后面黄色框选中要操作的面（记住按shift），然后设定interval size对应的数字大小，如0.01。图示如右从上到下，依次解读为：对面face.1进行网格划分，采用默认方式，单元格为四边形，划分方式为分块映射方式，网格间距0.01m。扩展非默认项目，element中：Tri：三角形网格单元 Quad/Tri：四边形与三角形混合网格单元 Type中：Map：映射成结构化网格的划分方式 Submap：分块/区映射映射成结构化网络的划分方式 Pave：平铺成非结构化网格的划分方式 TriPrimitive：将一个三角形区域分解为三个四边形区域再划分结构化网格 Interval size：网格间距 Interval count：网格个数 Shortest edge %:指定网格间距为整个区域中最短边长的百分之几步骤6：边界条件类型的指定选择operationZones，打开Specify Boundary Types对话框如下图所示边界类型的设定操作：英文action。子菜单如下： Add：表示对某一计算域天添加边界条件； Modify：对已经设定好的某个边界条件进行更改： Delete：删除某一个已经设定好的边界条件 Delete all：删除所有已经设定好的边界条件给出边界的名称：Name选项是指给指定的边界条件取名字。例如输入inlet来表示一个入口边界条件条件。一般为了方便辨认，名字最好具有一定的含义。指定边界条件的类型：type中包含许多选项，下边子菜单包含fluent5/6所有的边界类型。Entity（实体）：下方表示的是即将对哪个实体（二维是边，三维是体）进行边界条件的设定。点击下方图标可以Edges，Faces，Groups等之间切换。Edges中如果边界条件是wal则不用再设，因为Gambit中默认的边界条件就是Wall。步骤7：mesh网格文件的输出点击fileexportmesh 打开输出文件的对话框。如图所示若为二维情况，则必须选中Export2D（XY）mesh选项，才能正确的输出msh文件。输入自己设定的名字，点accept ，保存好，退出gambit。2.利用Fluent求解器求解步骤1：Fluent求解器的选择启动fluent后出现如图所示对话框：2d表示二维、单精度求解器。2ddp表示二维、双精度求解器。3d表示三维、双精度求解器。解释：在所有计算机操作系统上，fluent都包含有双精度和单精度求解器，大多数情况下，单精度求解器已经足够高效准确，而且所需内存也比双精度求解器要小，但在某些问题中使用双精度求解器更合适，如果几何机构或计算域包含的长度尺度范围很大，例如细长的管道，在描述节点坐标时单精度计算就不合适了；还有如果几何结构是由许多直径很小的支管道包围一个空腔而成，例如汽车的集气歧管，平均压力不大，但是局部区域的压力却可能相当大（而只能设定一个统一的参考压力值），此时采用双精度求解器来计算压差就很必要了；另外对于包含有很大热传导率和高纵横比网格的问题，如果采用单精度求解器可能会使边界的信息无法有效的传递，从而导致收敛性和精度下降，甚至发散，这时需要考虑使用双精度求解器。步骤2：文件导入和网格操作（1） 读入网格文件。点击Filereadcase，找到网格文件。（2） 检查网格文件。网格文件读入后，一定要对网格进行检查。依次点击gridcheck，这个操作可以得到网格信息。（3） 设置计算区域尺寸。依次点击gridscale，出现如下图所示对话框，对计算区域的尺寸进行设置。默认长度：米。有些时候用Gambit作图的时候为了方便可能使用毫米，厘米或英寸等其他单位，所以在上一步检查网格中如果 发现计算域尺寸不对，就提醒我们可能在用Gambit作图的时候使用了别的单位制。这时，我们就可以再这一步中通过ScaleGrid对话框对计算域进行缩放，调整scale factors下边的X和Y比例因子，或者选择Grid was created In 网格创建时使用的使用的是什么单位，然后点击Scale图标就可以实现对Gambit导出模型的尺寸缩放，从而得到正确的计算域尺寸。注意，如果缩放之后，需要再进行一次网格检查，看计算域尺寸是否修改正确了。（4） 显示网格。依次点击Displaygrid打开所示的网格显示对话框Surfaces列表右上角有两个小图标，左边一个有三道粗短线，右边一个有两道细短线。点击左边的小图标可以把surfaces列表中的所有部分选中，点击右边的小图标就取消surfaces列表中所有被选中的部分。选中surfaces列表中所有的部分，点击display，弹出新窗口。鼠标操作：左键点击图形并拖动，在本例二维图形情况下，可以平移图形（三维情况是旋转）;用鼠标中键从左上到右下画方框，可以把方框内的部分放大；从右下到左上画方框是缩小操作。步骤3 选择计算模型（1） 求解器的定义。依次点击definemodelsolver，打开如图所示对话框来指定求解器的类型。Fluent6.3的一个重大改进就是对求解器进行了改进，将以前版本的离散和耦合求解器进行了改进，将以前版本的离散和耦合求解器改成了压力基和密度基求解器，fluent6.3一共提供了3种求解方法：压力基隐式求解，密度基隐式求解，密度基显示求解。其中压力基方法原来主要用于低速不可压缩流动的求解，而密度基方法则主要针对高速可压缩流动而设计，但是现在两种方法都已经拓展成为可以求解很大流动速度范围的求解方法。两种求解方法的共同点是都使用有限容积的离散方法，但线形化和求解离散方程的方法不同。压力基求解器是从原来的分离式求解器发展而来，它是按顺序依次求解动量方程、压力修正方程、能量方程和组分方程及其其他标量方程，如湍流方程等，和之前不同的是，压力基求解器还增加了耦合算法，可以自由在分离求解和耦合求解之间转换，耦合求解就是一次求解前述的动量方程、压力修正方程、和组分方程，然后再求解其他标量方程，如湍流方程等，收敛速度快，但是需要更多的内存和计算量。密度基求解器是从原来的耦合求解器发展而来的，它是同时求解连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程，然后顺序求解其他标量方程，如湍流方程等，注意密度求解器没有压力修正方程，是因为该求解器中压力是由状态方程确定的。密度基求解器收敛速度快，需要内存和计算量比压力求解器要大。（2） 其他计算模型的选定。Fluent启动默认的是计算层流不可压流动，不需要设置其他模型。在实际问题中，除了要计算流场，有时还要计算温度场（energy传热）或浓度场等，因此可能会用到其他物理模型（multiphase多相流，radiation辐射，species组分输运与化学反应，discrete phase离散相，solidification&melting凝固和融化，acoustics声学）。点击definemodelviscous（粘性的），如图所示提供的粘性模型有：inviscid无粘性型，laminar层流模型，spalartallmaras单方程湍流模型（SA模型），kepsilon双方程模型（k模型），komega双方程模拟以及雷诺应力模型，如果是三维问题，还有DES离散涡湍流模型和LES大涡模拟供用户选择，选择所要用的模型，如果有更详细的选项就会有展开对话框出现让用户设置。其中无粘性模型适用于粘性对于流场影响可以忽略的计算中，比如飞行器的气动力计算中如果只需要计算升力，则可以考虑用无粘性假设计算以节省计算时间和资源。无粘性流计算的另一个用途是为复杂流动计算提供一个初始流场。层流适用需要考虑粘性且流动类型为层流的情况。目前，没有一个湍流模型能够对所有湍流运动给出满意的预测结果，一种常用的模型只能对某一类湍流运动给出满意的预测结果。选择合适的湍流模型需要考虑以下几点，流体的物理现象、特殊问题的简化、模拟精度的要求、可用的计算资源如何、模拟要求的时间长短等，为了选择最合适的模型，我们需要了解不同条件的适用范围和限制。一般说来，DES和LES是最精细的湍流模型，精度高，但是需要的网格数量大，要求的计算量，内存需要都非常大，计算时间长，目前用于实际工程比较少，湍流模式仍然只是计算工程问题常选用的方法。作为一般性的介绍：SA模型适合用于翼型、壁面边界层等流动，不适合射流类等自由剪切湍流问题。标准k模型有较高的稳定性，经济性和计算精度，应用广泛，适合高雷诺数湍流，但不适合旋流等各向异性较强的流动，重整化群RNG模型可以计算低雷诺数湍流，其考虑到旋转效应，对强旋流动计算精度有所提高，可实现性realizable k模型较之前两种k模型的优点是可以保持雷诺应力与真实湍流一致，可以更精确地模拟平面和圆形射流的扩散速度，同时在旋流计算、带方向压强梯度的边界层计算和分离流计算等问题中，计算结果更符合真实情况，同时在分离流计算和带二次流的复杂计算中表现出色，但是realizable k模型在同时存在旋转和静止区的流场计算中，比如多重参考系、旋转滑移网格等计算中，会产生非物理湍流粘性，因此在类似计算中应该慎重选用。另外一类双方程模型，标准kw模型中包含了低雷诺数影响、可压缩性影响和剪切流扩散，适用于尾迹流动、混合层、射流、以及受壁面限制的流动附着边界层湍流和自由剪切流计算，剪切应力输运（SST kw）模型综合了kw模型在近壁区计算的优点和k模型在远场计算的优点，同时增加了横向耗散数项，在湍流粘度定义中考虑了湍流剪切应力的输运过程，使用范围更广，可以用于带逆压梯度的流动计算、翼型计算、跨声速带激波计算等。雷诺应力模型没有采用涡粘性各向同性假设，在理论上比前面的湍流模式理论要精确得多，直接求解雷诺应力分量（二维5个，三维7个）的输运方程，适用于强旋流动，比如龙卷风、旋流燃烧室内流动等。计算速度的快慢与计算量成反比，即计算量大则计算速度慢，需要时间长，湍流模型计算的工作量主要取决于需要求解的方程数量和方程中函数项的多少。除了离散涡模拟DES和大涡模拟LES计算量最大之外，其他由快到慢依次是SA单方程模型，k和kw双方程模型，雷诺应力模型。湍流模型中的近壁面处理（NearWall Treatment）：在受壁面限制的流动中，因为壁面附近流场变量的梯度较大，所以壁面对湍流计算的影响很大，因此在壁面附近要进行特殊处理。一种办法是用半经验公式将自由流中的湍流与壁面附近的流动连接起来，这种办法称为壁面函数法。另一种方法是通过在壁面附近如加密网格，同时调整湍流模型以包含壁面附近低雷诺数流动的影响，这种方法称为近壁模型法。壁面函数法中又有标准壁面函数法和非平衡壁面函数法。一般来说，标准壁面函数法可以适用于大多数流动问题，因此也是fluent中默认设置的方法，非平衡壁面函数法则适用于流场变量在壁面附近存在很大梯度的流动问题。通常壁面函数法适用于高雷诺数流动，近壁模型法适用于低雷诺数流动，但在壁面附近需要更精细的网格。（3） 操作环境的设置，依次点击Defineoperation condition，打开如下对话框Operation pressure（pascal）就是周围环境的压强，也就是工作环境的压力，通常称为参考压力：参考压力加上表压力（gauge pressure）就可以得到绝对压力，reference pressure location表示所设的参考压力所在的位置，一般默认就可以了。Gravity下面的选项若是被选择，就会展开如下对话框它说明求解时需要考虑重力的影响，如果需要考虑重力则填写重力加速度的大小和方向，对二维问题fluent默认水平向右为X正向，竖直向上为Y正向，三维问题在显示网格的时候图中会有坐标方向，需要注意fluent规定了二维轴的对称问题，轴只能设为与X轴平行，同时展开的还有一个参考密度的设定，这时在考虑浮力问题时使用Boussinesq假设时用到的。步骤4：定义流体的物理性质 依次点击DefineMaterials，打开如图所示对话框。在对计算模型及其操作环境进行了定义之后，就需要定义流体的物理性质了。由于前面提到的突扩管道中的流体为水，所以现在就要通过此对话框获得关于水的一些物理参数。一般来说，fluent求解器默认计算区域中的流体物质为空气（air），关于水的一些物理参数可以从fluent自带的数据库（fluent database）中调出。单击fluent database图标，弹出下列对话框在fluent fluid materials 列表中找到waterliquid（液体水），并选中，单击copy图标就可以把水的一些物理参数从数据库中调出，然后单击close图标关闭对话框，发现materials对话框流体物理性质成了waterliquid，但是数据库中的水的性质和我们本例中所给定的物理性质略有差别，我们给定义水的密度为1000kg/m3，粘性为0.001kg/m*s,。当在数据库中的物理属性里找不到我们所要的物质的参数时，可以根据相关的资料直接在name中输入相应物质的名称，并且在properties对应的选项中填入已知参数值，最后单击change/create，添加一个新的物质。操作过程如下，在name文本框中填入mywater，chemical formula化学表达式一栏删除为空，下方properties属性一栏分别在density中填入1000，在viscosity一栏填入0.001，填写完毕后，单击change/create图标，点击后会弹出一个对话框，询问是否用刚才设定的值覆盖waterliquid（如果跳过从数据库中调入，就会询问是否覆盖air）的物理属性，点击no图标表示不覆盖，而是新创建一个流体物质mywater，这时fluent fluid materials列表中就会新增加一种刚才命名的mywater的流体物质了，然后点击close关闭物理属性设置对话框。步骤5 设置边界条件 依次点击defineboundary conditions，打开对话框在设定好物质的物理性质后，我们就可以通过该对话框对计算区域的边界条件进行具体数值的设置。内容包括：计算域物质的指定，进出口边界条件和壁面边界条件数值的指定或类型的修改操作等。（1） 设置fluid流体区域的物质。在上图所示对话框中zone列表中选择fluid，即流体所在的区域（fluid是gambit导出网格文件时对流体区域默认的命名），然后单击set图标，系统会弹出一个对话框。其中material name列表框对应的就是fluid区域中的物质，我们新建的和默认的air以及从fluent数据库中拷贝出来的物质名称都会在这里显示出来，从下列列表中选择我们刚建立的新物质mywater，保持其他的默认设置。单击ok图标就把计算域中的流体物质定义为我们自己设定的“mywater”了。（2） 设置inlet边界条件，在zone列表选择inlet，即突扩管道的入口对应边，对应的边界条件类型为velocityinlet速度入口，然后单击set图标，得到入口边界条件设置的对话框，本例已知水流入口速度为0.1m/s，入口边界条件的具体设置如下图所示： 图中速度入口设置除了速度大小之外，因为使用了湍流模型，所以还要求设置入口的湍流参数，从湍流参数的指定方式（specification method）下拉列表中选择湍流强度和水力直径（intensity and hydraulic diameter），分别设置湍流强度（turbulent intensity）为5%，水力直径（hydraulic diameter）0.2m，关于湍流入口参数的设置一般都是经验性质的，这个参数的设置一般影响距离入口一定范围内的流动参数分布。（3） 设置outlet的边界条件，outlet对应的边界条件为outflow，其物理意义是充分发展，保持所有默认设置即可。（4） 设置wall的边界条件，本例中wall边界条件的设置也保持默认值即可。步骤6 ：求解方法的设置及其控制（1） 求解参数的设置。依次点击solvecontrolsolution，打开如图所示的求解控制对话框，其中equation项下面是当前问题需要求解的控制方程，pressurevelocity coupling对应的是压力速度耦合求解方式，discretization对应的是所求解的控制方程，如压力修正方程、动量方程、湍流动能方程和耗散率方程的空间查分离散格式，underrelaxation factor选项表示所求解的控制方程和一些变量的松弛因子。对于本例，点击ok关闭对话框，接受所有默认设置即可。如果想要提高计算精度，可以把差分格式提高到二阶迎风或者QUICK格式，默认的都是一阶迎风，这里需要注意：QUICK格式只有在结构化网格才具有二阶精度，如果是非结构化网格（三角形或圆面体等）建议用二阶迎风来提高精度。另外，对于压力速度耦合方式，如果用户选择SIMPLEC方法，由于修正压力可以不必松弛，所以同时把压力方程的松弛因子设为1，可提高收敛速度。这些有关差分和计算的设置及技巧可以通过阅读相应的书籍或文献自行学习相应的方法和格式，增加经验。（2） 初始化。依次点击solveInitializeInitialize，打开如图所示对话框来对流场进行初始化。设置compute form为inlet，依次点击init和close图标完成对流场的初始化，一般来说，初始解对求解的影响比较大，所以给出的初始解药尽量接近真实解，本例中是用进口的量对全场进行初始化。（3） 打开残差监视图。依次点击solvemonitorresidual，打开如图所示对话框使option下面的print和plot复选框都被选中，这样在计算中各个方程的残差不仅会被打印在fluent的控制台窗口中，还会在一个图形窗口中以曲线的形式随着迭代过程动态地显示，convergence criterion 对应的数值是各个方程的计算结果残差要满足的收敛标准，如果每个方程的残差都达到了所设定的标准，则认为收敛，计算停止。残差是一个判断结果收敛的重要标准，它的值越小表示计算的精度越高。本例中把所有的残差收敛标准都设置为0.000001，然后单击ok图标，关闭对话框，确认以上设置。（4） 保存当前的case文件。依次点击filewritecase，通过这一步骤，保存前面所做的所有设置。（5） 开始迭代计算。依次点击solveIterate，打开如图所示对话框。保存好设置后就可以进行迭代求解了，其中Number of Iterations为总的迭代次数，Reporting Interval 为fluent输出监视信息的间隔次数，UDF profile update interval 说明fluent每隔多少步调用一次用户自定义函数UDF（如果有的话）。在本例中，输入总的迭代次数为500，然后点击Iterate图标，这时fluent求解器就会对这个问题开始求解，同时一个如图所示的残差动态显示图窗口会弹出来。大约经过298（如果差分格式为二阶精度这个数值会有所变化）步迭代之后，计算停止，可以在fluent控制台窗口中看到提示：solution is converged，表示各方程计算结果残差已经都小于所设置的110-7，计算收敛。（6） 保存计算后的case和data文件。在迭代完成并且达到要求以后，依次点击filewritecase&data，通过这个操作把相关的case和data（包含有计算结果）文件保存下来，如果以前保存过这些文件，这里会有是否覆盖原有文件的提示信息出现，本例中点击ok图标确认覆盖原有文件。步骤7：计算结果显示 利用fluent提供的图形工具可以很方便地处理CFD求解结果中所包含的信息，并观察相应的结果，绘制等值线，速度矢量，迹线以及整个剖面上的物理量分布XY电线图等。（1） 显示速度等值线图。依次点击DisplayContours（若保存好文件了则要点击filereadcase&data），打开如图所示等值线对话框。等值线是指在所定的表面上若干个点的连线，这些线上的变量（如压力、速度或温度等）相等。等值线图是在物理区域上由同一条变量的多条等值线组成的图形，可以用不同颜色的线条表示相应的物理量。等值线图包括线条图形和云图两种，云图是使用渲染的方式，将整个流场的某个截面上的物理量用连续变化的颜色显示其分布。用户可以确定要显示哪个变量的等值线，以及显示哪个面上的值，还可以指定要显示的等值线的取值范围。在本例中，首先显示速度的等值线图，如图所示，在contours of 列表框中选择velocity，然后在紧邻的下面列表中选择velocity magnitude 作为绘制对象。Surfaces列表中是等待选择绘制的等值线的平面，对于二维情况，如果不选择任何面，则会在整个求解区域上绘制等值线，对于三维情况，则至少要选择一个表面，否则会提示出错，在levels文本框中指定的是等值线的数目，即画多少等值线，默认一般是2