作者：段中喆
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
ANSYS FLUENT流体分析与工程实例(配视频教程)(含DVD光盘1张)试读：
前言
ANSYS FLUENT是一款世界上流行的CFD（Computational Fluid Dynamic）软件，通过使用FLUENT求解流动方程，可以求解流动、传热、燃烧、相变等多种物理现象，计算结果可以显示流场中各项参数的详细信息。相对实验而言，CFD技术具有更好的时间经济性，同时可以大大节约成本。CFD技术在现代流体力学领域中占据了非常重要的地位，在工程中为设计提供了重要的参考。随着计算机技术的发展，CFD技术的优势会越来越明显，在未来，CFD技术必的应用定会越来越广泛，而FLUENT软件作为CFD技术的主要软件，未来必定令占有很大的市场份额。
全书共8章，分为两个部分。第1～6章为第一部分，主要介绍计算流体力学基础知识与ANSYS FLUENT的操作；第7～8章为第二部分，主要介绍ANSYS FLUENT工程实例应用。第1章主要介绍流体力学的基础知识，CFD发展简史以及几种主流的CFD前处理，求解器和后处理软件；第2章着重介绍采用Pointwise划分结构网格和采用ICEM划分非结构网格；第3章主要讲解ANSYS FLUENT的安装与基本操作，以冷热水换热模型算例进行ANSYS FLUENT流程介绍；第4章主要讲解ANSYS FLUENT的各种边界条件意义及设置方法；第5章主要讲解ANSYS FLUENT的湍流模型设置方法及各项参数的意义；第6章对FLUENT中的传热模型、燃烧模型、污染物模型、离散相模型、多相流模型、凝固与熔化模型及气动噪声模型的理论和设置方法进行了讲解和说明；第7章主要对工程中一些二维流体力学问题给出了11个常用的模型算例；第8章主要对工程中一些三维流体力学问题给出了7个算例。第7、8章所有算例涉及可压缩流动、传热模型、周期性边界条件、自然对流换热、气体燃烧、VOF模型、空化模型、混合多相流模型、欧拉多相流模型、凝固与熔化模型、UDF的使用、动网格模型等多个工程中常用的模型。
本书理论讲解翔实，论述细致，介绍直观，由浅入深，算例丰富。书中主要内容依据ANSYS FLUENT的官方使用手册。本书偏向实际工程中的使用方法较多，具有较强的实用性，涉及航空航天、船舶、汽车、机械、水利、能源、生物、石油、化工、冶金、建筑、材料等众多领域，是一本非常实用的FLUENT操作参考书。
本书可以作为研究生和本科生流体力学的学习资料或教材，也可以作为上述各种工程应用领域中的科研人员、特别是从事CFD开发的人员参考。
本书主要由段中喆编写，高克臻、张云霞、王东、王龙、张银芳、周新国、陈作聪、聂阳、沈毅、蔡娜、张华杰、彭一明、张秀梅、李爽等也参与了部分编写工作。在编写过程中，得到了北京航空航天大学航空学院多位老师和研究生的帮助，以及中国航空研究院的大力支持，在此一并表示感谢！本书的编写也得到了家人和朋友的关心支持，万分感谢！编著者
第一部分 基础知识与ANSYS FLUENT操作
第1章 计算流体力学（CFD）概述
流体力学（Fluid Mechanics）是力学的一个分支，一般来说，流体包括气体和液体，流体力学主要研究流体的特性以及流体间的相互作用力。流体力学中最重要的假设就是连续性假设，即把流体看作由大量的连续质点组成的连续介质，每一个质点含有大量分子团，质点之间没有间隙。流体力学按照运动方式可以分为流体静力学和流体动力学；按照流体种类可以分为水力学及空气动力学等。对计算流体力学的了解，应该先从流体力学的基础知识开始。
1.1 流体力学基础知识
流体力学涉及的研究领域非常广泛，包括航空航天、汽车交通、土木建筑、热力学与热管理、热能工程、水利水电、风力发电、船舶、生物技术等领域，具体的研究领域会在下面的小节详细描述。总之，流体力学在工业和国防领域发挥着巨大的作用。
目前而言，对流体力学的研究方法一般可以分为三种：（1）理论分析；（2）实验研究；（3）数值计算。
理论分析的方法是指，在对所研究的流动现象有一个简单的基本认识后，通过建立简化流动模型的方法，运用公式形成流动控制方程来表述流动现象，在一定条件下通过必要的假设来推导出线性方程组，从而可以计算出解析解或简化解。理论分析的方法可以求出较精确的解，特别是可以在某些特定的封闭情况下求出一些普遍性的信息，对于简单的流动问题非常有效。但是理论分析的问题在于控制方程简单，对于复杂流动的非线性控制方程组无能为力，且由于理论分析做了大量简化和假设，无法反映流动的细节。而在工程中，大量的流体力学问题是复杂的非线性问题，理论分析的方法基本无法应用。总的来说，理论分析的方法适用于解决简单流体问题或者对流体力学进行定性分析。
实验研究是解决流体问题最为常用的一个办法，人类对流体力学问题的实验研究可以追溯到古希腊时代，阿基米德曾通过实验研究建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。流体力学实验研究的核心是利用相对运动的原理，通过相似性准则建立模型，通过诸如水洞、风洞、水槽、激波管等的实验设备进行模拟实验，再通过测量设备测量流动参数，直接或间接获取速度、压力、力矩、温度等相关数据。实验研究方法由于直接测量得到流动参数，可以获得比较大的流动信息，并且可以看出流动现象，比较真实可靠，一直以来都是流体力学研究领域中最重要的部分之一。实验研究近年来的突破主要体现在测量方法以及显示技术方面，特别是如热线风速仪、激光多普勒测速仪、粒子图像测速仪（PIV）等一批先进实验设备的问世更是推动了流体力学实验研究的进步。但是实验研究也存在一定的问题，一般来说，实验研究都是在模拟条件下完成的，特别是大部分做缩比模型实验，流动环境与实际工况中的流动环境不可能得到完全模拟；加之实验还存在支架、测量仪设备等在流场中对流动产生的干扰；另外还有洞壁效应和测量误差的问题；此外还会受到场地和环境等制约因素，建立风洞水洞需要大场地，运行成本高也不可忽视。总的来说，实验研究可以很好地获得流动中的参数，结果可靠性高，但是实验研究制约因素多，研究周期长并且费用 较高。
理论分析和实验研究的方法伴随着人类对流动的认识而逐步发展，是不可忽视的重要方法，但数值计算方法，通常称为计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD），是伴随着计算机技术的进步而发展起来的，特别是近40年来的发展更是突飞猛进，成为了一个独立的学科分支，是流体力学研究方法中最有活力的领域。
根据流体力学的知识，流体的运动服从三大守恒定律，即质量守恒、动量守恒和能量守恒，并且由三大守恒定律来给出流体动力学的控制方程组。流体力学科学家在18世纪初开始创立多种流动控制方程，如经典的欧拉（Euler）方程和N-S（Navier-Stokes）方程，但是这些方程除一些特定的流动形式可以求出解析解外，大部分没有解析解，只能采用数值分析的方法得到近似解，即流体力学数值计算。随着电脑技术的发展，求解的过程通过计算机来完成，而造就了今天的CFD技术。CFD技术相比其他两种方法而言，具有成本低（计算机和人工）、时间短（计算时间一般短于实验时间）、数据提取方便（全流场各点的数据能通过计算机迅速提取）等优点；但也存在一定的缺点，比如网格划分的方法没有具体的标准，数值模拟方法对流动本身会造成一定误差等。但是总的来说，CFD技术的研究方向是未来主流的研究方向，会不断 完善。
1.2 计算流体动力学的主要方法
CFD技术是一项比较复杂的集合了流体力学和数学及计算机科学的技术，一般来说有三种方法：直接数值模拟（DNS）、大涡模拟方法（LES）和雷诺平均N-S（RANS）方法。
1）直接数值模拟（DNS）方法
直接数值模拟方法就是通过直接求解流体运动的N-S方程而得到流动的瞬态流场，包括全流场的流动信息和各个尺度的流动细节。事实上，在直接求解三维非稳态的流动控制方程时，采用直接求解的方法会对计算机的计算性能提出非常高的要求，对于相对较复杂的流动，直接数值模拟的方法无法实行。当然，伴随着计算机技术的发展，也许会有一天可以实现对复杂流动的直接数值模拟，但按照目前的计算机水平，直接数值模拟无法解决工程问题。
2）大涡模拟（LES）方法
大涡模拟方法是对N-S方程在一定的空间区域内进行平均，从而在流场中滤掉小尺度的涡而导出大尺度涡所满足的方程的方法。小涡对大涡的影响会体现在大涡方程中，再通过亚格子尺度模型来模拟小涡的影响。LES方法可以解决简单的工程问题，而对于复杂的工程问题而言，LES方法也同样受到计算机条件等的限制无法应用。与DNS方法一样，LES方法也会随着计算机技术的发展逐渐趋于主流。
3）雷诺平均N-S方程（RANS）方法
雷诺平均N-S方程（RANS）方法是目前主流的解决实际工程问题的方法，广泛应用于各类工程实际中。RANS方法是将满足动力学方程的瞬时运动分解为平均运动和脉动运动两部分，对脉动项的贡献通过雷诺应力项来体现，再根据各自经验、实验等方法对雷诺应力项假设，从而封闭湍流的平均雷诺方程而求解的方法。按照对雷诺应力的不同模型化方式，又分为雷诺应力模型和涡黏模型。相对于涡黏模型，雷诺应力模型对计算机的要求较高，所以在工程实际问题中应用广泛的是涡黏模型。而求解方程的方法一般包括有限差分法、有限体积法、有限元法、边界元法、有限分析法和谱方法等，应用最广的是有限差分法和有限体积法。本书主要讲的ANSYS FLUENT主要就是应用有限体积法求解雷诺平均N-S方程。
1.3 计算流体动力学问题的解决过程
一般来说，采用CFD方法求解一个问题的过程分为三个步骤：前处理、求解流场和后 处理。
1）前处理
前处理是指，分析遇到的流体力学问题，对模型进行处理，使之可以由求解器求解的过程。也就是简单分析流体力学问题，选取合适的求解器，处理模型几何并根据经验划分网格的过程。前处理是CFD解决问题最耗时的一步，也是求解问题准确与否的重要步骤。
分析遇到的流体力学问题，选取合适的计算域，可以减小网格数量，节约计算时间。比如，对于求解翼型的二维亚音速流动问题，可以做20倍弦长的圆形流动区域，而不用选取50倍弦长的远场；或者旋转机械流动问题只需要画出一片叶片所在的流动区域即可，而其他的区域可用对称边界条件。
相比计算域的选取，网格的划分更为重要，网格数量以及质量对结果有比较大的影响。网格的数目过少，无法模拟流动细节，甚至会计算出错误结果；而网格数量过多，则占用大量计算资源，一些计算机甚至无法读取过大的计算网格；选取合适数量的网格主要是靠经验的积累，也可以阅读相关的参考文献来划分。网格的质量如果不够高，会产生一定的奇点，对计算产生一定的影响。划分网格的时候，结构网格一般来说要优于非结构网格，但是结构网格划分起来需要的时间较长。
在网格划分好以后，需要设置网格的边界条件，然后导入求解器。
2）求解流场
将划分好的网格导入求解器（本书主要讲ANSYS FLUENT），首先检查网格，通过后检查尺寸比例，选好正确的尺寸后，设置求解器，选取定常或非定常，湍流模型种类、能量方程、其他模型、求解方法、离散格式等；然后设置流体的物理性质，如密度、黏性、比热容等；设置合适的参考值后给定合适的初始条件进行初始化，最后选取迭代步数进行计算。总之，求解器的选取和设置是一个复杂的过程，针对不同的问题应具体分析，本书重点讲的就是求解器ANSYS FLUENT在不同问题中的设置。在求解收敛后，可以进行下一步操作。
3）后处理
后处理是对已经收敛的流场进行更加清晰的展示和对流动结果的分析，得到图标、动画、曲线、云图、矢量图等。ANSYS FLUENT软件本身自带了后处理功能，本书将主要讲ANSYS FLUENT的后处理。其他一些软件也可以进行后处理，常用到的有：Tecplot、Ensight和Fieldview等。
总的来说，CFD求解问题的三个步骤都是建立在对流动有一定认识的基础上的，三个步骤相辅相成，缺一不可，其关系如图1.1所示。图1.1 CFD求解过程原理
1.4 计算流体动力学商业软件介绍
随着计算流体力学的发展，许多公司及个人对流体力学软件进行了开发，目前比较流行的前处理软件有GAMBIT、Pointwise、ICEM等，求解器有Fluent、CFD++、Star-CD、CFL3D、CFX等，后处理软件有Tecplot、Ensight、Fieldview等，本节将对目前主流的一些商业CFD软件进行介绍。1.4.1 前处理软件
前处理软件，也就是网格划分软件，是CFD解决问题中不可缺少的一环，也是占据人工时间最多的一个步骤，本小节将介绍GAMBIT、Pointwise和ICEM。
1.GAMBIT
GAMBIT软件原本是FLUENT被ANSYS收购前自带的专门为FLUENT设计的用来划分网格的软件，是为了帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学（CFD）模型和进行其他科学应用而设计的一个软件包。
GAMBIT通过它的用户界面（GUI）来接受用户的输入。GAMBIT可以简单而又直接地做出建立模型、网格化模型、指定模型区域大小等基本步骤，然而这对很多的模型应用已足够了。与其他前处理软件一样，GAMBIT主要功能包括几何建模和网格生成。使用GAMBIT划分网格如图1.2所示。图1.2 GAMBIT 划分网格
GAMBIT软件具有以下特点：（1）基于ACIS内核进行全面三维几何建模的能力，通过多种方式直接建立点、线、面、体，而且具有布尔运算能力；（2）可对自动生成的Journal文件进行编辑，以自动控制修改或生成新几何与网格；（3）可以导入PRO/E、UG、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN等大多数CAD/CAE软件所建立的几何和网格；（4）强大的几何修正功能，在导入几何时会自动合并重合的点、线、面；（5）G/TURBO模块可以准确而高效地生成旋转机械中的各种风扇以及转子、定子等的几何模型和计算网格；（6）强大的网格划分能力，可以划分包括边界层等CFD特殊要求的高质量网格；GAMBIT中专用的网格划分算法可以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的四面体、六面体网格或混合网格；（7）GAMBIT可为FLUENT、POLYFLOW、FIDAP、ANSYS等解算器生成和导出所需要的网格和格式。
2.Girdgen/Pointwise
Gridgen的前身是美国空军和宇航局出资，由通用动力公司在研制F16战机的过程中于20世纪80年代开发的产品。后由美国空军免费发放给美国各研究机构和公司使用。由于各用户要求继续开发该产品，Gridgen的编程人员在1994年成立了Pointwise公司，推出了商用化的后继产品。
Gridgen是Pointwise公司的旗舰产品。Gridgen是专业的网格生成器，被工程师和科学家用于生成CFD网格和其他计算分析。它可以生成高精度的网格以使得分析结果更加准确。同时它还可以分析并不完美的CAD模型，且不需要人工清理模型。Gridgen可以生成多块结构网格、非结构网格和混合网格，可以引进CAD的输出文件作为网格生成基础。生成的网格可以输出十几种常用商业流体软件的数据格式，直接为商业流体软件所使用。对用户自编的CFD软件，可选用公开格式（Generic），如结构网格的PLOT3D格式和结构网格数据格式。Gridgen网格生成主要分为传统法和各种新网格生成方法。传统方法的思路是由线到面、由面到体的装配式生成方法；各种新网格生成法，如，推进方式可以高速地由线推出面，由面推出体。另外还采用了转动、平移、缩放、复制、投影等多种技术。可以说各种现代网格生成技术都能在Gridgen找到。Gridgen是在工程实际应用中发展起来的，实用可靠是其特点之一，如图1.3所示。图1.3 Gridgen 划分网格
在2008年Pointwise公司推出了全新的下一代产品Pointwise，其继承了Gridgen划分网格的优秀能力，转动、平移、缩放、复制、投影、优化、合并等多种技术大大加强了软件的可用性，并且具有了全新的操作界面，支持Win7的64位系统，可以方便生成百亿数量的网格，为巨大项目工程的网格划分提供了解决方案。目前其最新版本是V16，Pointwise与Gridgen相比，最大的优势就是优化了用户体验，界面更加友好，上手快，非常适用于结构网格的生成。本书将在第2章对Pointwise的使用方法进行介绍。
3.ICEM
ICEM CFD是The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Computational Fluid Dynamics的简称，成立于1990年的ICEM CFD Engineering公司，是一家专注于解决网格划分问题的公司。2000年ICEM CFD Engineering被ANSYS收购后对ICEM做了进一步的改进。ICEM是一款非常专业的前处理软件，几乎可以为世界所有流行的CAE软件提供高效可靠的分析模型。
ICEM的主要特点是有：
✧ CAD模型修复能力强大；
✧ 自动中面抽取；
✧ 网格“雕塑”技术；
✧ 网格编辑技术丰富；
✧ 集成于ANSYS Workbench平台，获得Workbench的所有优势；
✧ 直接几何接口丰富（CATIA，CADDS5，ICEM Surf/DDN，I-DEAS，SolidWorks，Solid Edge，Pro/ENGINEERand Unigraphics）；
✧ 有忽略细节特征设置（可自动跨越几何缺陷及多余的细小特征）；
✧ 完备的模型修复工具，方便处理较差的模型；
✧ 一劳永逸的Replay技术（对几何尺寸改变后的几何模型自动重划分网格）；
✧ 快速自动生成六面体为主的网格；
✧ 自动检查网格质量，自动进行整体平滑处理（坏单元自动重划，可视化修改网格质量）；
✧ 超过100种求解器接口（FLUENT、Ansys、CFX、Nastran、Abaqus、LS-Dyna）。
ICEM作为FLUENT和CFX标配的网格划分软件，已经基本取代了GAMBIT的地位。ICEM CFD在几何模型封闭的情况下，能非常快速地生产非结构网格，对于结构网格的划分也很方便，如图1.4所示，特别适用于相似模型的网格划分，本书将在第2章对ICEM CFD的使用方法进行介绍。图1.4 ICEM 划分网格界面1.4.2 求解器
求解器是CFD解决问题的核心所在，正确地选取及设置求解器会得到正确的结果。目前商用的CFD软件有很多种，本节将针对FLUENT、CFX、Star-CD、CFL3D等商业流体力学求解器进行介绍。
1.FLUENT
FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，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配合最好的标准网格软件是ICEM，而不是早已过时的GAMBIT。FLUENT软件具有以下特点：FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法；采用定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常模拟功能。
FLUENT软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其中局部网格重生式是FLUENT所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题；FLUENT软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术；FLUENT软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，这是商用软件中最多的；FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无黏流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-ω模型组、k-ε模型组、雷诺应力模型（RSM）组、大涡模拟模型（LES）组以及最新的分离涡模型（DES）和V2F模型等。
用户还可以定制或添加自定义的湍流模型；自定义湍流模型适用于多种形式的流动情况，如牛顿流体、非牛顿流体；含有强制/自然/混合对流的热传导，固体/流体的热传导、辐射；化学组分的混合/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，湿蒸汽模型；融化/溶化/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，多孔介质模型（考虑多孔介质压力突变）；风扇，散热器，以热交换器为对象的集中参数模型；惯性或非惯性坐标系，复数基准坐标系及滑移网格；动静翼相互作用模型化后的接续界面；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、化学组分的体积源项；丰富的物性参数的数据库；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；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并行机制大幅度提高并行效率等复杂流动情况。另外，FLUENT特有动态负载平衡功能，确保全局高效并行计算；该软件也提供了友好的用户界面，并为用户提供了二次开发接口（UDF）；FLUENT软件采用C/C++语言编写，从而大大提高了对计算机内存的利用率。
在CFD软件中，FLUENT软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。FLUENT的软件设计基于“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，采用与之适应的数值解法，在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。由于囊括了FLUENT Dynamical International比利时PolyFlow和Fluent Dynamical International（FDI）两家公司的全部技术力量（前者是公认的在黏弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司，后者是基于有限元方法在CFD软件方面领先的公司），因此FLUENT具有以上软件的许多优点。
FLUENT系列软件包括通用的CFD软件FLUENT、POLY；FLOW、FIDAP，工程设计软件FloWizard、FLUENT for CATIAV5，TGrid、G/Turbo，CFD教学软件FlowLab，面向特定专业应用的ICEPAK、AIRPAK、MIXSIM软件等。
FLUENT软件包含基于压力的分离求解器、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可压缩到高超音速范围内的各种复杂流场。FLUENT软件包含非常丰富、经过工程确认的物理模型，可以模拟高超音速流场、转捩、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、材料加工等复杂机理的流动问题。
FLUENT软件的动网格技术处于绝对领先地位，并且包含了专门针对多体分离问题的六自由度模型，以及针对发动机的两维半动网格模型。FLUENT的优点如下。（1）适用面广，包括各种优化物理模型，如计算流体流动和热传导模型（包括自然对流、定常和非定常流动，层流，湍流，紊流，不可压缩和可压缩流动，周期流，旋转流及时间相关流等）；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动特点，有与之适应的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。（2）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，软件之间可以方便地进行数值交换，并采用统一的前、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智慧用于物理问题本身的探索上。（3）污染物生成模型，包括NOX和ROX（烟尘）生成模型。其中NOX 模型能够模拟热力型、快速型、燃料型及由于燃烧系统里回燃导致的NOX的消耗；而ROX 的生成是通过使用两个经验模型进行近似模拟的，且只使用于紊流。（4）稳定性好，FLUENT经过大量算例考核，同实验符合较好。
2.CFX
CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件，是英国AEA Technology公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而开发出来的。诞生在工业应用背景下的CFX一直将精确的计算结果、丰富的物理模型、强大的用户扩展性作为其发展的基本要求，并以其在这些方面的卓越成就，引领着CFD技术的不断发展。目前，CFX已经遍及航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、冶金、环保等领域，为其在全球6000多个用户解决了大量的实际问题。1995年，CFX收购了旋转机械领域著名的加拿大ASC公司，推出了专业的旋转机械设计与分析模块——CFX-Tascflow，CFX-Tascflow一直占据着90%以上的旋转机械CFD市场份额。同年，CFX成功突破了CFD领域在算法上的又一大技术障碍，推出了全隐式多网格耦合算法，该算法以其稳健的收敛性能和优异的运算速度，成为CFD技术发展的重要里程碑。CFX一直和许多工业和大型研究项目保持着广泛的合作，这种合作确保了CFX能够紧密结合工业应用的需要，同时也使得CFX可以及时加入最先进的物理模型和数值算法。作为CFX的前处理器，ICEMCFD优质的网格技术进一步确保了CFX的模拟结果精确而可靠。2003年，CFX加入了全球最大的CAE仿真软件ANSYS的大家庭中。CFX的用户将会得到包括从固体力学、流体力学、传热学、电学、磁学等在内的多物理场及多场耦合整体解决方案。
3.STAR-CD
STAR-CD是Computational Dynamics公司开发出来的全球第一个采用完全非结构化网格生成技术和有限体积方法来研究工业领域中复杂流动的流体分析商用软件包。网格生成工具软件包Proam软件利用“单元修整技术”核心技术，使得各种复杂形状几何体能够简单快速地生成网格。CD公司还开发了各种特殊用途的网格工具软件：用于发动机内部热分析的es-ice软件、汽车空气动力学分析es-aero软件等es系列软件，用于曲面分析、非结构化网格生成的专业软件ICEM CFD Tetra，适用于涡轮机械流体分析的旋转体网格自动生成工具软件TIGER，以及用于搅拌器内流体分析的专业网格生成软件Mixpert。STAR-CD能够对绝大部分典型物理现象进行建模分析，并且拥有较为高速的大规模并行计算能力，还可以应用到工业制造、化学反应、汽车动力、结构优化设计等其他许多领域的流体分析，此外STAR-CD可以同全部的CAE工具软件数据进行连接对口，大大方便了各种工程开发与研究。
4.CFL3D
CFL3D是美国宇航局NASA朗利研究中心（Langley Research Center）开发的一款专注于解决航空航天方面问题的专业软件，CFL3D一直以来坚持发展求解Navier-Stokes方程的程序，主要是求解结构网格的二维和三维问题。CFL3D始于1980年底，具有非常高的可靠性和稳定性，有能力解决许多复杂问题。
5.CART3D
CART3D核心技术由NASA Ames研究中心开发，包括几何输入，表面处理和相交，网格生成及流动模拟，完全集成于ANSYSICEM CFD仿真环境中。通过应用最新的计算图形学，计算几何学和计算流体动力学技术，CART3D提供了无与伦比的自动和高效的几何处理和流体分析功能。该软件与求解N-S方程的CFD分析相比，最大优势在于分析速度提高了至少10倍。CART3D在NASA 研究中心、美军研究机构、航空航天工业公司都得到了成功的应用，也因此荣获了NASA2002年度软件大奖。CART3D的特色功能主要是快，另外还专注于气动分析，整体气动升阻力及力矩计算和六自由度投掷分析。其核心技术由NASA Ames 研究中心开发，充分体现权威性；可以输入多种几何模型（CATIA，UG，Pro/E，SolidWorks，I-deas…）；可以读入外部网格文件（ANSYS，CFX-5，CGNS，Plot3d，STL，TecPlot，…）；基于部件的表面处理，使各部件可以单独移动旋转，程序自动确定部件之间的相交，并提出模拟的外部湿表面；空间网格自动生成，对表面描述的复杂性不敏感；有限体积法中心差分求解无黏欧拉方程；行效率优异，并行加速与CPU数目成近似直线关系；适合多攻角、多马赫数、多侧滑角批处理计算，方便生成气动数据库。
6.ICEPAK
Icepak是专业的、面向工程师的电子产品热分析软件。借助Icepak的分析，用户可以减少设计成本、提高产品的一次成功率（get-right-first-time），改善电子产品的性能、提高产品可靠性、缩短产品的上市时间。ICEPAK软件是由全球最优秀的计算流体力学软件提供商FLUENT公司专门为电子产品工程师定制开发的专业的电子热分析软件。Icepak软件广泛应用于通信、汽车及航空电子设备、电源设备，通用电器及家电等领域。Icepak具有快速几何建模功能、友好界面和操作、基于对象建模、各种形状的几何模型、大量的模型库、ECAD/IDF输入、专用的CAD软件接口IcePro；强大的zoom-in功能：能够自动将上一级模型的计算结果传递到下一级模型，从系统级到板极，从板极到元件级，层层细化，大大提高工作效率。该软件拥有先进的网格技术，具有自动化的非结构化网格生成能力，支持四面体、六面体以及混合网格，具有强大的网格检查功能；拥有参数化和优化设计功能，可以通过设计变量来定义任何一个复选框——active、湍流、辐射、风扇失效等，任意量都可设置成变量，通过变量的参数化控制来完成不同工况、不同结构、不同状态的统一计算，通过对变量自动优化，获得热设计的最优方案；拥有丰富的物理模型，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；拥有强大的解算功能，FLUENT求解器、结构化与非结构化网格的求解器，能够实现任何操作系统下的网络并行运算。
7.AIRPAK
Fluent Airpak是面向工程师、建筑师和室内设计师等专业领域工程师的专业人工环境系统分析软件，特别是HVAC领域。它可以精确地模拟所研究对象内的空气流动、传热和污染等物理现象，准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题，并依照ISO 7730标准提供舒适度、PMV、PPD等衡量室内空气质量（IAQ）的技术指标，从而减少设计成本，降低设计风险，缩短设计周期。Fluent Airpak 2.1是目前国际上比较流行的商用CFD 软件。Airpak软件的应用领域包括建筑、汽车、楼房、化学、环境、HVAC、加工、采矿、造纸、石油、制药、电站、打印、半导体、通讯、运输等行业。Airpak已在如下方面的设计得到了应用：住宅通风、排烟罩、电讯室、净化间、污染控制、工业空调、工业通风、工业卫生、职业健康和保险、建筑外部绕流、运输通风、矿井通风、烟火管理、教育设施、医疗设施、动植物生存环境、厨房通风、餐厅和酒吧、电站通风、封闭车辆设施、体育场、竞技场、总装厂房等。Airpak的特点如下所述。（1）建模快速，Airpak是基于“Object”的建模方式，这些“Object”包括房间、人体、块、风扇、通风孔、墙壁、隔板、热负荷源、阻尼板（块）、排烟罩等模型。另外，Airpak还提供了各式各样的Diffuser模型，以及用于计算大气边界层的模型。Airpak同时还提供了与CAD软件的接口，可以通过IGES和DXF格式导入CAD软件的几何。（2）自动的网格划分功能，Airpak具有自动化的非结构化、结构化网格生成能力。支持四面体、六面体以及混合网格，因而可以在模型上生成高质量的网格。Airpak还提供了强大的网格检查功能，可以检查出质量较差（长细比、扭曲率、体积）的网格。另外，网格疏密可以由用户自行控制，如果需要对某个特征实体加密网格，局部加密不会影响到其他对象。非结构化的网格技术可以逼近各种形状复杂的几何，大大减少网格数目，提高模型精度，四面体网格用来模拟形状极其复杂的形状，从而保证求解精度。（3）广泛的模型能力，可建立强迫对流、自然对流和混合对流模型、热传导模型、流体与固体耦合传热模型、热辐射模型，也可解决层流、湍流，稳态及瞬态问题。（4）强大的解算功能、求解器——FLUENT，全球最强大的CFD（计算流体动力学）求解器、有限体积方法（Finite Volume Method），结构化与非结构化网格的求解器、并行算法，能够实现UNIX或NT的网络并行。（5）强大的可视化后置处理，面向对象的、完全集成的后置处理环境，可视化速度矢量图、温度（湿度、压力、浓度）等值面云图、粒子轨迹图、切面云图、点示踪图等，图片可以通过：Postscripts，PPM，TIFF，GIF，JPEG和RGB格式输出到文件，动画可以存成AVI，MPEG，GIF等格式的多媒体文件，Airpak具备强大的报告和可视化工具，可提供强大的数值报告，可以模拟不同空调系统送风气流组织形式下室内的温度场、湿度场、速度场、空气龄场、污染物浓度场、PMV场、PPD场等，可以对房间的气流组织、热舒适性和室内空气品质（IAQ）进行全面综合评价，可使用户更方便地理解和比较分析结果，看到速度矢量、云图和粒子流线动画等，并能实时描绘出气流运动情况。
8.PHOENICS
PHOENICS是 Parabolic Hyperbolic Or Elliptic Numerical Integration Code Series的缩写，这意味着只要有流动和传热都可以使用PHOENICS来模拟计算。PHOENICS是世界上第一套计算流体与计算传热学的商业软件，它是国际计算流体与计算传热的主要创始人、英国皇家工程院院士D.B.Spalding教授及40多位博士20多年心血的典范之作。除了通用计算流体/计算传热学软件应该拥有的功能外，PHOENICS有着自己独特的功能。PHOENICS主要特点如下所述。（1）开放性：PHOENICS最大限度地向用户开放了程序，用户可以根据需要任意修改添加用户程序和用户模型。PLANT及INFORM功能的引入使用户不再需要编写FORTRAN源程序，GROUND程序功能使用户修改添加模型更加任意和方便。In-Form可实现用户接口功能，完成用户数学表达式的输入、IF判断等功能，方便了用户控制自定义的边界条件、初始条件、材料物性等参数的输入。（2）CAD接口：PHOENICS可以读入任何CAD软件的图形文件。Shapemaker为三维造型功能。（3）MOVOBJ：运动物体功能可以定义物体运动，避免了使用相对运动方法的局限性。（4）大量的模型选择：20多种湍流模型，多种多相流模型，多流体模型，燃烧模型，辐射模型。（5）提供了欧拉算法和基于粒子运动轨迹的拉格朗日算法。（6）计算流动与传热时能同时计算浸入流体中的固体的机械和热应力。（7）VR（虚拟现实）用户界面引入了一种崭新的CFD建模思路。（8）PARSOL（CUT CELL）：PHOENICS独特的网格处理技术，特别对于CAD图形的导入，能自动生成网格。（9）软件自带1000多个例题，附有完整的可读可改的原始输入文件。（10）固体应力计算；前后处理有了较大改进；对所有模型均使用动态内存分配；初始数组的给定无需再通过FORTRAN编译。（11）在VR下，增加了新的物体类型（曲面、斜板），及力的积分功能，并监视点参数变化曲线。1.4.3 后处理
后处理软件也是CFD解决问题中往往容易忽视的一部分，而选择正确的后处理软件，作出良好的图片或者动画，可以更加有效地分析流体力学中的问题。目前常用的后处理软件有Tecplot、Ensight、Fieldview等，本小节将对后处理软件进行介绍。
1.Tecplot
Tecplot系列软件是由美国Tecplot公司推出的功能强大的数据分析和可视化处理软件。它包含数值模拟和CFD结果可视化软件Tecplot 360，提供了丰富的绘图格式，包括x-y曲线图，2-D、3-D面和3-D体多种绘图格式，而且软件易学易用，界面友好。此外针对FLUENT软件有专门的数据接口，可以直接读入*.cas和*.dat文件，也可以在FLUENT软件中选择输出的面和变量，然后直接输出Tecplot格式文档。Tecplot 360是一款将至关重要的工程绘图与先进的数据可视化功能合为一体的数值模拟和CFD可视化软件。它能按照用户的设想迅速地根据数据绘图并生成动画，对复杂数据进行分析，进行多种布局安排，并将结果与专业的图像和动画联系起来。同时Tecplot 360 还有助于节省处理日常事务的时间和精力。
Tecplot 360可直接读入常见的网格、CAD图形及CFD软件（PHOENICS、FLUENT、STAR-CD）生成的文件。
Tecplot 360能直接导入CGNS、DXF、EXCEL、GRIDGEN、PLOT3D格式的文件。Tecplot 360能导出的文件格式包括BMP、AVI、FLASH、JPEG、WINDOWS等常用格式。
Tecplot 360能直接将结果在互联网上发布，利用FTP或HTTP对文件进行修改、编辑等操作。Tecplot 360也可以直接打印图形，并在Microsoft Office上复制和粘贴。
Tecplot 360可在Windows 9x\Me\NT\2000\XP和UNIX操作系统上运行，文件能在不同的操作平台上相互交换。
在Tecplot 360中，利用鼠标单击即可直接知道流场中任一点的数值，能随意增加和删除指定的等值线（面）。
Tecplot 360中的ADK功能使用户可以利用FORTRAN、C、C++等语言开发特殊功能。
2.EnSight
EnSight由美国CEI公司研发，是一款尖端的科学工程可视化与后处理软件，拥有比当今任何同类工具更多更强大的功能。其基于图标的用户接口易于掌握，并且能够很方便地移动到新增功能层中。EnSight能在所有主流计算机平台上运行，支持大多数主流CAE程序接口和数据格式。
EnSight提供了一些旨在满足后处理和可视化的CAE用户需求的产品范围。从个人的小项目，到大型机构的合作项目，工程师、学生和科学家们都可以从EnSight软件中受益。免费版的EnSight CFD可以帮助学生或其他任何人可视化一些小型数据集，而EnSight Gold和DR通常使用在世界最大的超级计算机中，后处理超过数以百亿元素的数据集，而在两者之间的全部范围，EnSight亦有完整的产品，以适应一般工程任务的需要。
除了标准的后处理，EnSight还提供了许多强大的选择让用户与他人分享自己的发现：从美观的揭示图像和有趣的动画图形输出，到利用全功能免费的3D浏览器来分享模型和后处理结果，再到充分沉浸式虚拟现实演示。EnSight具有以下功能：（1）可以轻松把握大型、暂态模型；（2）可以从不同的求解器加载多个数据集；（3）可以将计算流体力学、有限元分析、计算机辅助设计、多体动力学的结果结合到同一个视图中。相比其他求解器的运行，在流体结构相互作用方面，或者在计算机辅助设计模型中显示计算流体力学结果上，EnSight都非常卓越；（4）具有强大的计算流体力学和流体结构相互作用功能；（5）具有优秀的图形质量和输出选择；（6）具有广泛的动画功能；（7）具备成为整个组织标准的后处理工具的能力。
3.Fieldview
ILight Fieldview 11通用流体力学后处理系统，Fieldview 为针对计算流体力学专用的后处理工具，强大的功能使工程及研发人员能完整地表达模型内流场以及物理行为，而友善的操作界面，使用户能快速上手并轻易完成整个后处理工作，与其他 CFD 软件良好的结合性，更减少了使用者在转档上的麻烦，它不仅能提供套装软件如：STAR-CD、CFX、FLUENT等直接读入Fieldview，而且使用者亦可自行编译程序，将网格以及后处理结果用PLOT3D标准格式转入至 Fieldview 内，进而以图形或动画的方式来呈现研究的成果与想法。Fieldview是计算流体力学（CFD）中最受欢迎的后处理器，它在整个世界有超过500个大型组织在使用该软件作流体后处理分析。Fieldview有着丰富的图形和视觉包，且能给CFD 解决办法和复杂的批处理方式的分析过程实现自动化，并提供先进方法、添加有价值的数值计算。这些特征帮助工程师和分析家设计更好的产品，以较少的时间和花费进行产品开发。
在数值模拟领域内，后处理的过程往往是最重要但却最容易被忽视的一个部分，Fieldview 可以帮助使用者以图形及动画的方式来表达所有的资讯，而不再只是一连串的数字资料，Fieldview提供了丰富及强大的功能，使用者可以在同一画面上表达多样的资料，如Scalar Data、Vector Data、Streamline、Iso-surface、XYZplot及暂态等资料，并可转成avi档以动画的方式来表达数值成果，且因Fieldview支持OpenGL格式，呈现的画面非常华丽，在作投影简报或书面资料时更能充分吸引聆听者的注意力并表达出研究人员的想法。Fieldview可以自动察觉算法处理CFD特征（如涡核，分离和再附着等情况），目前，这些流动特征的识别依赖于用户的流体力学知识的间接识别方法。ILight Fieldview 将间接判断变自动识别。Fieldview具有关键框架动画功能（流体分析的动画直观演示化），提供给客户直观的演示，不管在研发中还是在给客户有影响的演示中都可以很好地演示。Fieldview的远程服务操作，可让用户分享并分析储存在远程服务器机器上的数据。Fieldview对三维区域和旋转机械设备的处理有一定的提高，并提升了CFD后处理开发的标准性。
1.5 本章小结
本章主要介绍了流体力学的基础知识，CFD发展的简单历史以及几种主流的CFD前处理、求解器和后处理软件。借助于CFD的不断进步以及计算机技术的迅速发展，CFD已逐渐成为航空、航天、船舶、气象、水利、武器、汽车、机械、海洋、环境、化工、生物及建筑等领域中不可缺少的一部分，CFD技术取得了举世瞩目的成就。近40年来，CFD逐渐步入了三种流体力学研究方法中的领先地位，CFD方法、实验方法、理论方法相辅相成，其中CFD方法所占的比重则日益提高。
通过对第1章的学习，读者可以对计算流体力学CFD的概况有比较清楚的认识，对CFD方法解决问题的流程方法，采用的软件，数据的处理等方面也有了比较宏观的认识，在下面的章节中，本书将主要根据不同的算例，向读者讲解不同的解决方法，使读者能更加直观地认识并最终可以使用ANSYS FLUENT软件解决问题。
第2章 网格基础与基本操作
网格是进行流体力学分析的基础，网格的划分是每一个流体力学研究人员应具备的基本技术，它会关系到流体力学求解的准确性和精确性。对网格的划分是流体力学研究最为耗时的一部分工作。网格一般粗略地分为结构网格、非结构网格和混合网格。
本章将主要讲解关于网格的基础知识，以及如何运用网格划分工具Pointwise和ICEM来划分网格。
2.1 CFD网格前处理
在遇到流体力学问题并选好采用计算流体力学分析方法后，若对求解方法有了总体思路，开始动手解决问题的第一大步就是前处理，即划分网格。2.1.1 划分网格的目的
计算网格的合理设计和高质量生成是CFD计算的前提条件，即使在CFD高度发展的国家，网格生成仍然是最占人力时间的一部分，可以达到60%～80%。一套划分良好的网格是CFD解决问题的关键。划分网格，用学术的语言就是将空间中，特定外形的计算区域，按照拓扑结构划分成需要的子区域，并确定每个区域中的节点。生成网格的本质在数学上就是用有限个离散的点来代替原来的连续空间，之后将控制偏微分方程组转化为各个节点上的代数方 程组。
CFD和网格生成的先驱Steger在1991年就指出，网格生成仍然是CFD走向全面应用的一个关键步骤，复杂外形网格生成大的工作需要专职队伍的投入。复杂外形的网格生成技术已经成为CFD推广的主要难题，因此世界各国都在积极努力减小网格划分的难度，提高网格划分的精度。2.1.2 网格划分的几何要素
网格划分结束后，可以得到大约6种几何要素，如图2.1所示。
✧ Cell：单元体，由表征流体和固体区域的网格所确定的离散化的控制体计算域。
✧ Face：面，Cell的边界。
✧ Edge：边，Face的边界。
✧ Node：节点，Edge的交汇处/网格点。
✧ Block：块，由一定数量Cell组成的特定区域。
✧ Zone：区域，可以是一组节点、面和单元体。图2.1 网格单元几何要素
边界条件都存储在Face中，材料数据和源项等存储在Zone的Cell中。
不同的网格划分软件，对几何要素的控制力是不同的，比如说，Pointwise软件对Node的控制不是直接的，而是依附在Edge上，不能单独地创建点；而ICEM则可以单独地创建点这种几何要素。另外，不同的格式对于几何要素的把控也是不同的，有些软件没有Block这个概念，有些则不能处理多区域的网格，这些需要针对具体问题具体分析。2.1.3 网格形状及拓扑结构
1.网格形状
ANSYS FLUENT中，可以处理二维和三维的网格，下面对网格的形状进行描述：
1）四边形网格
如图2.2所示的四边形网格是2D和3D中结构网格的基本单元，是最为常用的一种网格形状，四边形网格往往生成质量较高的网格。
2）三角形网格
三角形网格（图2.3）是2D和3D中非结构网格的基本单元，是非结构网格的标志，在ANSYS FLUENT中，三角形网格和四边形网格可以混合在一套网格中使用。图2.2 四边形网格图2.3 三角形网格
3）六面体网格
六面体网格（图2.4）是结构网格的单元，六面体网格往往具有较高的网格质量，主要是通过四面体网格组合而成的，在壁面处理时，六面体网格的正交性更好，计算精度较高，速度快；但是生成复杂，需要人工时间较长。
4）四面体网格
四面体网格（图2.5）一般由三角形网格组合而成，是非结构网格的主要组成部分，四面体网格的优点在于生成迅速，逼近实体壁面程度高，但是计算精度不高，且生成的网格数量较大，计算量大。图2.4 六面体网格图2.5 四面体网格
5）棱柱网格
棱柱网格（图2.6）是非结构网格边界层中运用比较多的一种网格，由三角形网格和四边形网格组成，在非结构网格的边界层内，三角形网格作为贴体网格能更好地逼近壁面。四边形网格生成的棱柱层又能较好地满足边界层内流体的流动，采用棱柱边界层作为非结构网格的边界层网格可以提高计算精度。
6）金字塔网格
金字塔网格（图2.7）是在生成混合网格时，四面体和六面体之间的连接网格，一般来说，金字塔网格用得不是很多，并非是结构网格中占据大多数的网格，而是一种辅助性质的网格，但是也不能忽视。图2.6 棱柱网格图2.7 金字塔网格
2.网格拓扑结构
从拓扑结构来分析，结构网格一般可以分为：O型、C型和H型，如图2.8～图2.10所示。H型拓扑结构适合于两端都是尖截面的物体，如菱形截面的物体；C型拓扑结构适合于一端是钝头而另一端是尖截面的物体，如锥形截面物体；O型拓扑结构适合于两端都是钝截面的物体，如圆形或椭圆形截面物体。三维结构化网格的拓扑结构是以上三种形式的组合。对于复杂的外形部件，若采用单一的拓扑结构则不能生成较好的计算网格，要采用分区的方法，把流场空间分为几个不同的区域，在子区内采用适当的拓扑结构来生成网格。图2.8 O型网格示意图图2.9 C型网格示意图
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]