2.3 Fluent简单操作实例
2.3.1 Fluent计算流程
（1）创建网格；
（2）运行合适的解算器：2D、3D、2DDP、3DDP；
（3）输入网格；
（4）检查网格；
（5）选择解的格式；
视频资源2.3
（6）选择需要解的基本方程：层流还是湍流（无黏）、化学组分还是化学反应、热传导模型等；
（7）确定所需要的附加模型：风扇、热交换、多孔介质等；
（8）指定材料物理性质；
（9）指定边界条件；
（10）调节解的控制参数；
（11）初始化流场；
（12）计算解；
（13）检查结果；
（14）保存结果；
（15）必要的话，细化网格，改变数值和物理模型。
数字资源ch2
2.3.2 简单流动与传热的计算
下面以射流冷热水混合器内部流场温度场模拟为例说明Fluent的基本操作过程，射流冷热水混合器结构尺寸如图2-4所示。启动Fluent的2D求解器，其界面如图2-3所示，相关设置如下操作。
图2-4 射流冷热水混合器结构
1．读入射流冷热水混合器网格文件
操作：File→Read→Mesh（数字资源ch2文件夹中导入jet-reactor.msh文件），单击OK打开，其窗口反馈信息如图2-5所示。其中包括节点、网格数目等信息（注：若在Workbench中直接打开Fluent模块，则读入网格步骤为File→Import→Mesh；本书为独立的Fluent软件）。
图2-5 读入网格文件的信息反馈
2．检查网格
操作：选择Setup→General→Mesh→Check命令。
其信息反馈窗口显示如图2-6所示。
图2-6 读入网格文件的信息反馈
网格检查时主要反馈了以下信息：①列出了x、y的最小值和最大值；②列出了网格的其他特性，如单元的最大体积和最小体积、最大面积和最小面积等；③报告网格的任何错误。网格检查时要特别注意最小体积的数值，要确保其不能为负。
3．提高网格质量
操作：选择Setting Up Domain→Mesh→Improve mesh命令。
打开Improve Mesh（提高网格质量）对话框如图2-7所示。单击Improve按钮，可查看信息反馈窗口信息，重复上述操作，直到Fluent信息反馈界面中显示正交质量低于某一数不变为止，如图2-8所示，这一个功能可对检查网格质量后的部分不合格网格进行修正。
图2-7 Improve mesh对话框
图2-8 进行提高网格质量操作后的信息反馈
注：若仿真模拟结果与实际相差依旧较大，需重新划分网格以提升网格质量。
4．确定长度的单位
操作：选择Setup→General→Mesh→Scale命令。
打开Scale Mesh（标定网格）对话框如图2-9所示。在View Length Unit In栏中的下拉列表中选择mm；在Domain Extents栏中给出了区域的范围和度量的单位；单击Close按钮，完成单位转换。
图2-9 长度单位设置对话框
在Fluent中，除了长度单位外，其他单位均采用SI制。一般不需要改动，若要对单位进行改动，应启动Set Units（设置单位）对话框进行修改，命令在Define→Units中。
5．显示网格
操作：选择Setup→General→Mesh→Display命令。
打开Mesh Display（网格显示）对话框如图2-10所示。在Surfaces栏选择所有的表面；单击Display按钮，显示本例的网格如图2-11所示。
图2-10 Mesh Display对话框
图2-11 网格图
在图形窗口，右击边界线，在信息反馈窗口内将显示此边界的类型等信息。也可用此方法检查内部任意节点和网格线的信息，便于边界条件的设置。
6．设置求解器
操作：选择Setup→General→Slover命令。
打开Solver（求解器）对话框如图2-12所示。
图2-12 Solver对话框
图2-12中：
（1）Solver为求解器。Pressure-Based是基于压力法的求解器；Density-Based是基于密度法的求解器。
（2）Velocity Formulation为速度属性。Absolute为绝对速度；Relative为相对速度。
（3）Time为时间属性。Steady为定常流动；Unsteady为非定常流动。
（4）Space为空间属性。2D为二维空间；Axisymmetric为轴对称空间；Axisymmetric Swirl为轴对称旋转空间；这里保持默认设置。
7．设置湍流模型
操作：选择Setup→Models→Viscous命令。
打开Viscous Model（黏度模型）对话框，如图2-13所示，Inviscid表示无黏（理想）流体；Laminar表示层流模型；另外8个为常见的湍流模型。选择k-epsilon，则打开Viscous Model进入详细界面如图2-14所示，保持默认设置。
图2-13 Viscous Model界面
图2-14 Viscous Model对话框设置界面
8．选择能量方程
操作：选择Setup→Models→Energy命令。
打开如图2-15所示的Energy对话框，选中Energy Equation（能量方程）复选框。
图2-15 Energy对话框
9．设置流体的物理属性
从Fluent材料库中选择water流体。
操作：选择Setup→Materials命令。
打开Materials（流体材料设置）对话框，单击Create/Edit...按钮，打开Create/Edit Materials界面，如图2-16所示，单击右侧的Fluent Database按钮，打开Fluent Database Materials（Fluent材料库选择）对话框；选择water-liquid（h2o＜I＞）流体，如图2-17所示，保持默认设置，单击Copy按钮，单击Close关闭Fluent Database Materials对话框。在Materials对话框中单击Change/Create按钮，单击Close按钮关闭Materials对话框。
图2-16 Materials（流体材料参数设置）对话框
图2-17 Fluent Database Materials（材料库选择）对话框
10．设置流体
操作：选择Setup→Cell Zone Conditions命令。
双击sys_surface（fluid）打开Fluid（流体设置）对话框，如图2-18所示；在Material Name（材料名称）下拉列表中选择water-liquid；单击OK关闭材料选择对话框。
图2-18 Fluid（流体材料）对话框
11．设置边界条件
操作：选择Setup→Boundary Conditions命令。
1）打开Boundary Conditions对话框
单击打开Boundary Conditions（边界条件选择）对话框，如图2-19所示，可看到模型的入口和壁面名称（注：若in-cold等边界名称与本例不一致，可在Type中修改）。
图2-19 Boundary Conditions（边界条件选择）对话框
2）设置冷水进口速度边界条件
在如图2-19所示的Boundary Conditions栏中双击in-cold，则在右边界面弹出Velocity Inlet对话框，如图2-20所示（注：in-cold默认显示为wall，读者可右击in-cold选择Velocity Inlet）。在Velocity Specification Method（速度给定方式）下拉列表中选默认的Magnitude，Normal to Boundary（给定速度大小，速度方向垂直于边界）；在Velocity Magnitude（进口速度）文本框中输入6，右侧栏中选择constant（常值）；在Turbulence Specification Method（湍流定义方法）栏中下拉列表中选择Intensity and Hydraulic Diameter（强度与水力直径）；在Turbulent Intensity（湍流强度）文本框中输入5（来流的湍流强度）；在Hydraulic Diameter（水力直径）文本框中输入30（进口尺寸）；在Thermal（进口温度）文本框中输入298；单击OK关闭速度边界设置对话框。
图2-20 Velocity Inlet（速度边界设置）对话框
3）设置热水进口压力边界条件
在如图2-19所示的Boundary Conditions栏中双击in-hot，则在右边界面弹出Pressure Inlet对话框，如图2-21所示。Gauge Total Pressure（总表压）文本框中默认为0；在Supersonic/Initial Gauge Pressure（初始表压）设置为0；在Turbulence Specification Method（湍流定义方法）栏中下拉列表中选择Intensity and Hydraulic Diameter（强度与水力直径）；在Turbulent Intensity（湍流强度）文本框中输入5（来流的湍流强度）；在Hydraulic Diameter（水力直径）栏中输入10（进口尺寸）；在Thermal（进口温度）文本框中输入360；单击OK关闭压力进口边界设置对话框。
图2-21 Pressure Inlet（压力进口边界设置）对话框
4）设置出口压力边界条件
在如图2-19所示的Boundary Conditions栏中双击outlet，则在右边界面弹出Pressure Outlet对话框，如图2-22所示。Gauge Total Pressure（总表压）文本框默认为0；在Turbulence Specification Method栏中下拉列表中选择Intensity and Hydraulic Diameter（强度与水力直径）；在Turbulent Intensity（湍流强度）文本框中输入5（出流的湍流强度）；在Hydraulic Diameter（水力直径）文本框中输入30（出口尺寸）；Thermal（进口温度）文本框保持默认值；单击OK关闭压力出口边界设置对话框。
图2-22 Pressure Outlet（压力出口边界设置）对话框
注意：对于出口未知的情况，常设为Outflow边界类型，因本例中有压力进口，不能采用Outflow边界，所以只能采用Pressure-outlet边界。
5）壁面设置
对于壁面边界条件，可以设置热力学、运动、组分、自定义源项等，本例保持默认设置，如图2-23所示。
图2-23 壁面边界设置对话框
12．求解设置
操作：Solution→Methods和Controls命令。
打开Solution Methods（求解方法设置）对话框，如图2-24所示。打开Solution Controls（求解控制设置）对话框，如图2-25所示。求解方法设置中Pressure-Velocity Coupling栏为压力速度耦合算法，有SIMPLE、SIMPLEC、PISO三种算法供选择，Discretization栏为各项的离散格式选项；求解控制设置中在Under-Relaxation Factors栏为各项的松弛因子的设定，均保持默认设置。
图2-24 Solution Methods对话框
图2-25 Solution Controls对话框
13．求解监视设置
操作：Solution→Monitors→Residual命令。
打开Residual Monitors（残差监视器设置）对话框，如图2-26所示，监视器输出方式在Options栏选择，Print to Console表示在Fluent控制台窗口中打印输出，Plot表示在图形窗口以残差曲线的形式输出；Equations Residual中可修改收敛判据，此处保持默认设置，单击OK关闭对话框。
图2-26 残差监视设置对话框
为了更好地判断计算收敛，对所关心的截面上的物理量进行监测。本例对出口的面积平均温度进行监测。在Solution中双击Report Definitions，弹出Report Definitions对话框，单击New按钮，在Surface Report扩展菜单中选择Area-Weight Average（面积平均），如图2-27所示。在弹出的Surface Report Definition对话框中Name栏改名为monitor-outlet-temperature；在右侧Field Variable中选择Temperature和Static Temperature；Surface中选择监测表面为outlet；选择对话框左下角Create中的Report Plot和Print to console选项，使得监测的温度曲线在Fluent面板中显示出来，相关设置如图2-28所示，单击OK。
图2-27 Report Definitions（报告设置）对话框
图2-28 Surface Report Definition（表面报告定义设置）对话框
14．流场初始化
操作：Solution→Initialization命令。
打开Solution Initialization对话框，如图2-29所示。在Compute from列表中选择all-zones，其余设置保持默认状态，单击Initialize按钮，对所有区域进行统一初始化。
图2-29 初始化设置对话框
15．保存case文件（jet-reactor.cas）
操作：选择File→Write→Case（注：Workbench中打开的Fluent模块文件输出方式为File→Export→Case）。在打开的对话框中输入文件名，单击OK按钮。
16．迭代计算
操作：选择Run Calculation命令。
打开Run Calculation对话框，如图2-30所示。在Number of Iterations（迭代次数）栏中输入1000；单击Calculate按钮开始计算。
图2-30 Run Calculation（迭代参数设置）对话框
进行迭代1000次迭代后，稳态模型中，残差曲线中各项数据不再变化，近似认为收敛，如图2-31所示；出口截面上的平均温度监视器窗口显示的曲线如图2-32所示，形成一条水平线。
图2-31 残差曲线图
图2-32 出口温度曲线图
17．保存data文件（jet-reactor.dat）
操作：选择File→Write→Data命令（注：Workbench中打开的Fluent模块文件输出方式为File→Export→Data）。在打开的Data File文本框中输入文件名，单击OK按钮。
18．显示温度云图
操作：选择Results→Graphics→Contours命令。
双击Contours（等值线显示设置）对话框，如图2-33所示。在Contours of选项组中选择Temperature（温度）和Static Temperature（静态温度）；在Options选项组中选择Filled（填充方式）；单击Display，则将显示如图2-34所示的计算域中静态温度场分布。读者可根据需要选择其他温度场显示。
图2-33 Contours（等值线显示设置）对话框
图2-34 温度云图
19．显示压力云图
在图2-33所示的Contours设置对话框，在Contours of选项组中选择Pressure（压力）和Static Pressure（静态压力）；在Options选项组中选择Filled（填充方式）；单击Display按钮，则将显示如图2-35所示的计算域中静态压力场分布。读者可根据需要选择其他压力场显示。
图2-35 压力云图
20．显示速度云图
在图2-33所示的Contours设置对话框，在Contours of选项组中选择Velocity（速度）和Velocity Magnitude（速度大小）；在Options选项组中选择Filled（填充方式）；单击Display按钮，则将显示如图2-36所示的计算域中速度场分布。
图2-36 速度云图
21．显示速度矢量图
操作：选择Results→Graphics→Vectors命令。
打开Vectors（速度矢量设置）对话框，如图2-37所示。保持默认设置，单击Display按钮，则将显示如图2-38所示的计算域中速度矢量图。
图2-37 Vectors（速度矢量设置）对话框
图2-38 速度矢量图
22．显示出口截面温度XY曲线图
操作：选择Results→Plot→XY Plot命令。
打开Solution XY Plot（XY曲线设置）对话框，如图2-39所示。在Y Axis Function（Y轴函数）选项组中选择Temperature和Static Temperature；在Surfaces（表面）选项组中选择outlet；单击Axes按钮，在弹出的Axes-Solution XY Plot对话框中，将Number Format下坐标轴类型Type由浮点数改为一般类型表示；其他保持默认设置，单击Save/Plot按钮，则将显示如图2-40所示的出口截面上的温度分布图。
图2-39 Solution XY Plot（XY曲线设置）对话框
图2-40 出口截面上温度分布图
注意：Fluent中还有很多后处理方式，读者根据自己的需要进行计算结果的处理，如湍动能分布、壁面剪切力、流线等。