计算流体力学作业

要求：

熟悉CFD软件：学习本课程拟学习和使用的CFD软件ANSYSFLUENT,撰写一份报告，介绍

所选CFD软件的功能、可选择的离散格式、湍流模型、求解方法等内容（详细内容可选择

广2项介绍）

学习CFD软件：选择一简洁算例，完成建模计算，撰写报告，简述计算模型、计算方法和计

算结果

报告格式：正文五号字，行距1.25倍，图大小适中。

一、FLUENT软件简介

CFD商业软件FLUENT,是通用CFD软件包，用来模拟从不行压缩到高度可压缩范围

内的简单流淌。由于采纳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。敏捷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在转换与湍流、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、燃料电池等方面有广泛应用。目前与FLUENT协作最好的标

准网格软件是ICEMo

FLUENT系歹ij软件包括通用的CFD软件FLUENT、POLY-FLOW.FIDAP,工程设计

软件FloWizard,FLUENTforCATIAV5,TGrid.G/Turbo,CFD教学软件FlowLab,面对特

定专业应用的ICEPAK、AIRPAK、MIXSIM软件等。FLUENT软件包含基于压力的分别求

解器、基于压力的耦合求解器、基于密度的隐式求解器、基于密度的显式求解器，多求解器

技术使FLUENT软件可以用来模拟从不行压缩到超群音速范围内的各种简单流场。FLUENT

软件包含特别丰富、经过工程确认的物理模型，可以模拟超群音速流场、转掇、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、材料加工等简单机理的流淌问

题。

IIFLUFNT软件优点

1）、稳定性好，FLUENT经过大量算例考核，同试脸符合较好；

2）、适用范围广，FLUENT含有多种传热燃烧模型及多相流模型，可应用于从可压到

不行压、从低速到超群音速、从单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎全部与

流体相关的领域.：

3）、精度提高，可达二阶精度。

4）、适用面广，软件包括各种优化物理模型，如计算流体流淌和热传导模型（包括自然

对流、定常和非定常流淌，层流，湍流，紊流，不行压缩和可压缩流淌，周期流，旋转流准

时间相关流等）；辐射模型，相变模型，离散相变模型，多相流模型及化学组分输运和反应

流模型等。对每一种物理问题的流淌特点，有适合它的数值解法，用户可对显式或隐式差分

格式进行选择，以期在计律速度、稳定性和精度等方面达到最佳。

5）、高效省时。Fluent将不同领域的计算软件组合起来，成为CFD计算机软件群，软

件之间可以便利地进行数值交换，并采纳统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在

计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和才智用于

物理问题本身的探究上。

1.2FLUENT软件包组成部分

(1)前处理器

Gambit用于网格的生成,它是具有超强组合建构力量的专用CFD前置处理器。FLUENT

系列产品皆采纳FLUENT公司自行研发的Gambit前处理软件来建立几何外形及生成网格。

(2)求解器

它是流体计算的核心，依据专业领域的不同，求解器主要分为以下几种类型：

•FLUENT4.5：基于结构化网格的通用CFD求解器。

•：基于非结构化网格的通用CFD求解器。

•Fidap：基于有限元方法，主要用于流固耦合的通用CFD求解器。

•Polyflow：针对粘弹性流淌的专用CFD求解器，

•Mixsim：针对搅拌混合问题的专用CFD软件。

•Iccpak：专用的热控分析软件。

(3)后处理器

Fluent求解器本身就附带有比较强大的后处理功能。此外，Tecplot也是一款比较专业的

后处理器，可以把一些数据可视化，这对于数据处理要求比较高的用户来说是一个抱负的选

择。

1.3用FLUENT求解问题的步骤

(1)确定几何外形，生成计算网格。

(2)输入并检查网格。

(3)选择求解器

(4)选择求解的方程：层流或湍流

(5)确定流体的材料物性。

(6)确定边界类型及其边界条件。

(7)条件计算掌握参数。

(8)流场初始化。

(9)求解计算。

(10)保存结果，进行后处理等

1.4FLUENT软件求解器的简介

FLUENT供应了分别式和耦合式两类求解器，而耦合式求解器又分为隐式和显示两种。

在计算模型方面，FLUENT允许用户指定计算是稳态论还是非稳态的，计算模型在空间是

一般的2D还是3D问题，还是轴对称问题等。在运行环境方面，FLUENT允许设置参考工

作压力，还可以让用户打算是否考虑重力。

(1)分别式求解器

分别式求解器是挨次地、逐一地求解各方程。也就是先在全部网格上解出一个方程后，

再解另一个方程。由于掌握方程是非线性的，且相互之间是耦合的，因此，在得到收敛解之

前，要经过多轮迭代.

(2)耦合式求解器

耦合式求解器是同时求解连续方程、动量方程、能量方程及组分运输方程的耦合方程组,

然后，再逐•地求解湍流等标量方程。由于掌握方程是非线性的，且相互之间是耦合的，因

此，在得到收敛解之前，要经过多次迭代。

在耦合式求解器中，可采纳隐式或显示两种方案进行掌握方程的线性化。当然，这里所

谓的隐式和显示，只是针对耦合求解器中的耦合掌握方程组(即由连续方程、动量方程、能

量方程及组分运输方程组成的方程组)而言的，对于其他的独立方程(即湍流、辐射等方程)，

仍采纳与分别式求解器相司的解法(即隐式方式)来求解。

图1Solver对话框

1.5湍流模型

FLUENT共供应了7种湍流模型：无粘、层流、Spalart-AHmaras单方程、k—双方程、

Reynolds应力和大涡模拟模型。

图2ViscousModel对话框

(1)Inviscid模型

进行无粘计算

(2)Laminar模型

用层流的模型进行流淌模拟。层流模拟同无粘模拟一样，不需要用户输入任何与计算模

型有关的参数

(3)Spalart-Allmaras(Ieqn)模型

用Spalart-Allmaras单方程模型进行湍流计算。这是用于求解动力涡粘输运方程的相对简洁

的一种模型，它包含了一组最新进展的单方程模型，在这些方程里不必要去计算和局部剪切

层厚度相关的长度尺寸。Spalart-Allmaras模型是特地用于求解航空领域的避开限制流涉，

对于受逆压力梯度作用的边界层流淌，已取得很好的效昊，在透平机械中的应用也越来越普

遍。

(4)k-epsilon(2eqn)模型

使用k一£双方程模型进行湍流计算。k一£双方程模型分为标准k-£模型、RNGk-£模

型和Realizablek-e模型3种。这类模型是目前粘性模拟使用最广泛的模型。

(5)k-omega(2eqn)模型

使用k-£双方程模型进行湍流计算。k-£双方程模型分为标准k-£模型和SSTk-£模

型。标准卜-£模型基于Wilcoxk-£模型，在考虑低雷诺数、可压缩性和剪切流特性的基础

上修改而成。Wilcoxk-£模型在猜测自由剪切流传播速率时，取得了很好的效果，胜利应

用于尾迹流、混合层流淌、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射。因而，可以说该模型能够应

用于壁面约束流淌和自由剪切流淌。SSTk-£模型是为了使标准k-g模型在近壁面区有更

好的精度和算法稳定性而进展起来的。因此，SST1<-£模型在很多时候比标准k-£模型更

有效。

(6)ReynoldsStress模型

使用Reynolds应力模型(RSM)进行湍流计算。在FLUENT中，Reynolds应力模型是

最精细制作的湍流模型。它放弃了各项同性的涡粘假定，直接求解Reynolds应力方程，由

于它比单方程和双方程模型更加严格地考虑了流线弯曲、旋涡、旋转和张力快速变化，它对

于简单流淌总体上有更高的猜测精度。总体来讲，Reynolds应力模型的计算量很大。当要考

虑Reynolds应力的各向异性时，例如飓风流淌、燃烧室高速旋转流、管道中二次流，必需

用Reynolds应力模型。

(7)LargeEddySimulation模型

使用大涡模拟(LES)模型进行湍流计算。该模型只对三维问题有效，是目前比较有潜

力的湍流模型。

算例：

计算鼓风机内部速度场和压力场。

图3鼓风机网格

算例的内部流淌介质为空气，计算选择稳态的求解器，模型为湍流中的标准k-£模型。

壁面选择标准壁面模型。设置边界条件将wall-2和wall-3及其阴影区域设置为内部流淌区

域。为包含叶片的旋转流淌区域设置运动坐标。进流条件为压力进口，总压200Pa。出流边

界条压力出口，总压0。叶片边界条件：叶片随着所在区域随着单元区域旋转。求解方法

SIMPLE算法，为提高计算精度，动量，湍动能和湍动能耗散率都选择二阶迎风格式。求解

掌握中的松弛因子选择