05 Fluent前处理基础

1、前处理流程

一般的前处理可按照模型树依次往下执行

(1)General节点：主要设置计算模型总体参数，如选择瞬态或稳态计算、压力基或密度基求解器等。

(2)Models节点：选择计算模型中所涉及的物理模型，并设置模型参数。

(3)Materials节点：选择并设置材料参数。

(4)Phase节点：若涉及多相流模型，则需要在该节点下设置主相和次相，并设置相间作用模型。

(5)Cell Zone Conditions节点：设置计算域属性，包括计算域工作介质、计算域运动状态等。

(6)Boundary Conditions节点：设置计算域边界条件。

(7)Mesh Interface节点：在涉及多计算域问题时，需利用此节点进行计算域连接。

(8)Dynamic Mesh节点：若涉及动网格问题，需要在此节点下进行设置。

(9)Reference Value节点：设置参考值。

(10)Solution Methods节点：选择并设置求解算法。

(11)Solution Controls节点：设置求解控制参数，如设置亚松弛因子等。

(12)Monitor节点：设置定义监视器。

(13)Solution Initialization节点：进行初始化。

(14)Calculation Activities节点：定义求解过程中的行为，如自动保存、动画定义等。

(15)Run Calculation节点：求解设置。

(16)Graphics and Animations节点：设置后处理图形设置，如云图、矢量图等。

(17)Plots节点：后处理曲线定义。

(18)Reports节点：量化后处理结果。

2、网格控制

2.1、网格缩放

导入网格后，如果与实际尺度存在差异，需要对模型进行缩放---scale功能

Domain extents:计算域尺寸，也就是模型在三个坐标上的尺寸分布，例如上图中的模型x方向上尺寸为-0.0725~0.0725m，

Scaling:放缩方法及缩放的参数

Convert units:采用单位进行放缩，例子：m→cm,缩放因子为100

Specify scaling factors：采用自定的放缩因子

Scaling factors:各向放缩因子

其中mesh was created in 在选择convert units后可选，选定对应的网格创建单位为毫米或者米，在对应的view length units中选择对应需要展示的网格单位

2.2、网格检查（check）

2.3、网格显示

在网格显示中，通常用来显示对应的网格的划分情况。Options下的五项分别为：节点、边、面、分区、重置

 如下为选择节点和面所显示的部分

如下为选择节点、面、分区三个所显示的部分

 Edge type中只有在options中选择edge时才能够进行选择，在surfaces中选择需要展示的面进行展示即可。或者也可以选择new surface进行单个面或块部分网格的展现，具体看个人需求。

Shrink Factor：收缩因子或者收缩系数

3、求解器

3.1、压力基与密度基求解器

压力基求解器分为分离求解器和耦合求解器两种

3.2、密度基求解器

密度基求解器包括显式求解器和隐式求解器

关于两种求解器的说明：

压力基求解器是从原来的分离式求解器发展来的,按顺序一次求解动量方程、压力修正方程、能量方程和组分方程及其他标量方程,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、能量方程和组分方程,然后再求解其他标量方程,如湍流方程等,收敛速度快,但是需要更多内存和计算量。

区别1:压力基求解器主要用于低速不可压缩流动（Ma10^9时，可认为流动状态为湍流

瑞利数：

普朗特数：

式中，α为热膨胀系数；为温差；为特征长度；为运动黏度；k为热导率；为动力黏度；为定压比热容。

4.2 湍流求解方法

直接数值模拟（DNS）

从理论上来讲，湍流流动能够由数值方法求解NS方程来模拟，能够求解得到尺寸频率，无需接触额外的模型。但是利用此方法进行求解花费太大（其计算开销随雷诺数成几何倍数增长），因此在工程上的应用受到限制。目前在FLUENT中无法应用DNS方法。

大涡模拟(LES)

由于湍流直接模拟计算开销过大，难以在工业上得到广泛应用，因此在直接模拟的基础上发展出了大涡模拟方法。该方法利用滤波方法，对于大尺度的涡采用直接求解，而对于小尺度的涡则采用RANS方法进行求解。该方法的计算消耗低于DNS,但是对于大多数的实际应用来讲占用的资源还是比较大。随着计算机计算能力的逐渐增强，该方法已经越来越广泛地应用于工业流动计算中。在FLUENT软件中可以使用大涡模拟方法。

雷诺平均NS模型

雷诺平均NS模型(RANS)方法是工业流动计算中使用最为广泛的一种模型，其求解时间均值的纳维斯托克斯方程。在FLUENT软件中，k-e模型、k-w模型以及雷诺应力模型均为RANS模型。

分离涡模型(DES)

分离涡模型是介于大涡模型与RANS模型之间的一种湍流模型。该模型通过比较湍流尺度与网格最大尺寸而自动决定使用大涡模型还是RANS模型进行湍流求解。

4.3、Fluent的湍流模型

如图，在fluent中打开湍流模型设置步骤如下

主要的模型如Model列所示，下面对其做一定的介绍

Inviscid:无黏模型。计算过程中忽略黏性作用，通常应用于黏性力相对于惯性力可忽略的流动。

Laminar:层流模型。默认情况下该模型被选中。计算域内流动状态为层流时采用该模型

Spalart-Allmaras (1 eqn):

SA模型。常用于航空外流场计算。对于几何相对简单的外流场计算非常有效。该方程为单方程模型，比较节省计算资源。

k-epsilon (2 eqn):工业流动计算中应用最为广泛的湍流模型，包括三种形式：标准k-e模型、RNG k-e模型以及Realizable k-e模型。

k-omega (2 eqn):k-w模型也是双方程模型。在Fluent中，它包括两种类型：标准形式以及SSTk-w模型。在对于外流场模拟中，该模型的竞争对手是SA模型。

Transition k-kl-omega(3 eqn):3方程转捩模型，用于模拟层流向湍流的转捩过程。

Transition SST (4 eqn):4方程转捩模型，用于模拟湍流转捩过程。

Reynolds Stress (7 eqn):雷诺应力模型。没有其他RANS模型的各向同性假设，因此适合于强旋流场合。

Scale-Adaptive Simulation(SAS):SAS湍流模型主要用于求解瞬态湍流流动问题。当使用SAS模型时，强烈建议在Solution Methods面板中设置Momentum:选择使用Bounded Centeral Differencing

Detached Eddy Simulation(DES):分离涡模型。当使用分离涡模型时，可选的RANS模型包括Spalart--Allmaras、Realizable k-epsilon以及SSTk-omega模型。

Large Eddy Simulation(LES):大涡模拟模型。在默认情况下，LES模型只在三维模型情况下才可选。若要在2D模型中使用大涡模拟模型，则需要使用TU1命令进行激活。

对于在工业流动计算中得到广泛应用的RANS湍流模型，适用场合见表所示

4.4、y+的基本概念

在临近壁面位置，法向速度存在非常大的梯度。在非常小的壁面法向距离内，速度从相对较大的值下降到与壁面速度相同。因此对于该区域内流场的计算，通常采用两种方式：利用壁面函数法；加密网格，利用壁面模型法。对于这两类方法的选取，可以通过y+来体现。

图横坐标所表示为无量纲壁面距离

纵坐标为无量纲速度

其中,为壁面剪切应力，y为壁面法向距离。从图中可以看出，在y+60区域，速度与距离几乎成线性趋势，该部分区域为完全发展湍流，也称为对数律区域（loglaw region);两部分之间的区域，常称为过渡层(Buffer layer region).

对于近壁区域求解，主要集中在黏性子层的求解上，主要有以下两种方式。

1.求解黏性子层

若想要求解黏性子层，则需要保证+值小于1(建议接近1)。由于y+直接影响第一层网格节点位置，因此对于求解黏性子层的情况，需要非常细密的网格。对于湍流模型，需要选择低雷诺数湍流模型(如k-omega模型)。通常来说，若壁面对于仿真结果非常重要(如气动阻力计算、旋转机械叶片性能等)，则需要采用此类方法。

2.利用壁面函数

壁面函数要求第一层网格尺寸满足条件30