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基本设置

Double Precision的选择

启动设置如图，这里着重说说Double Precision（双精度）复选框，对于大多数情况，单某某求解器已能很好的满足精度要求，且计算量小，这里我们选择单某某。然而对于以下一些特定的问题，使用双精度求解器可能更有利[]。

几何特征包含某些极端的尺度（如非常长且窄的管道），单某某求解器可能不能足够精确地表达各尺度方向的节点信息。

如果几何模型包含多个通过小直径管道相互连接的体，而某一个区域的压力特别大（因为用户只能设定一个总体的参考压力位置），此时，双精度求解器可能更能体现压差带来的流动（如渐缩渐扩管的无粘与可压缩流动模拟）。

对于某些高导热系数比或高宽纵比的网格，使用单某某求解器可能会遇到收敛性不佳或精确度不足不足的问题，此时，使用双精度求解器可能会有所帮助。

网格光顺化

用光滑和交换的方式改善网格：通过Mesh下的Smooth/Swap来实现，可用来提高网格质量，一般用于三角形或四边形网格，不过质量提高的效果一般般，影响较小，网格质量的提高主要还是在网格生成软件里面实现，所以这里不再用光滑和交换的方式改善网格，其原理可参考《FLUENT全攻略》（已下载）。

Pressure-based与Density-based

求解器设置如图。下面说一说Pressure-based和Density-based的区别：

Pressure-Based Solver是Fluent的优势，它是基于压力法的求解器，使用的是压力修正算法，求解的控制方程是标量形式的，擅长求解不可压缩流动，对于可压流动也可以求解；Fluent 6.3以前的版本求解器，只有Segregated Solver和Coupled Solver，其实也是Pressure-Based Solver的两种处理方法；

Density-Based Solver是Fluent 6.3新发展出来的，它是基于密度法的求解器，求解的控制方程是矢量形式的，主要离散格式有Roe，AUSM+，该方法的初衷是让Fluent具有比较好的求解可压缩流动能力，但目前格式没有添加任何限制器，因此还不太完善；它只有Coupled的算法；对于低速问题，他们是使用Preconditioning方法来处理，使之也能够计算低速问题。Density-Based Solver下肯定是没有SIMPLEC，PISO这些选项的，因为这些都是压力修正算法，不会在这种类型的求解器中出现的；一般还是使用Pressure-Based Solver解决问题。

基于压力的求解器适用于求解不可压缩和中等程度的可压缩流体的流动问题。而基于密度的求解器最初用于高速可压缩流动问题的求解。虽然目前两种求解器都适用于各类流动问题的求解（从不可压缩流动到高度可压缩流动），但对于高速可压缩流动而言，使用基于密度的求解器通常能获得比基于压力的求解器更为精确的结果。

axisymmetric和axisymmetric swirl

从字面的意思很好理解axisymmetric和axisymmetric swirl的差别：

axisymmetric：是轴对称的意思，也就是关于一个坐标轴对称，2D的axisymmetric问题仍为2D问题。而axisymmetric swirl：是轴对称旋转的意思，就是一个区域关于一条坐标轴回转所产生的区域，这产生的将是一个回转体，是3D的问题。在Fluent中使用这个，是将一个3D的问题简化为2D问题，减少计算量，需要注意的是，在Fluent中，回转轴必须是x轴。

操作工况参数（Operating Conditions）

操作压力的介绍

关于参考压力的设定，首先需了解有关压力的一些定义。ANSYS FLUENT中有以下几个压力，即Static Pressure（静压）、Dynamic Pressure（动压）与Total Pressure（总压）；Absolute Pressure（绝对压力）、Relative Pressure（参考压力）与Operating Pressure（操作压力）。

这些压力间的关系为，Total Pressure（总压）=Static Pressure（静压）+Dynamic Pressure（动压）；Absolute Pressure（绝对压力）=Operating Pressure（操作压力）+Gauge Pressure（表压）。

其中，静压、动压和总压是流体力学中关于压力的概念。静压是测量到的压力，动压是有关速度动能的压力，是流动速度能量的体现。

而绝对压力、操作压力和表压是FLUENT引入的压力参考量，在ANSYS FLUENT中，所有设定的压力都默认为表压。这是考虑到计算精度的问题。

操作压力的设定

设定操作压力时需要注意的事项如下：

对于不可压缩理想气体的流动，操作压力的设定直接影响流体密度的计算，因为对于理想气体而言，流动的密度由理想气体方程获得，理想气体方程中的压力为操作压力。

对于低马赫数的可压缩流动而言，相比绝对静压，总压降是很小的，因此其计算精度很容易受到数值截断误差的影响。需要采取措施来避免此误差的形成，ANSYS FLUENT通过采用表压（由绝对压力减去操作压力）的形式来避免截断误差的形成，操作压力一般等于流场中的平均总压。

对于高马赫数可压缩流动的求解而言，因为此时的压力比低马赫可压缩流动的大得多，所以求解过程中的截断误差的影响不大，可以不设定表压。由于ANSYS FLUENT中所有需输入的压力都为表压，因此此时可以将操作压力设定为0（这样可以最小化由于压力脉动而引起的误差），使表压与绝对压力相等。

如果密度设定为常数或者其值由通过温度变化的函数获得，操作压力并没有在计算密度的过程中被使用。

默认的操作压力为101325Pa。

操作压力的设定主要基于两点考虑，一是流动马赫数的大小，二是密度计算方法。

表格 1 操作压力的推荐设置

密度关系式

马赫数

操作压力



理想气体定律

大于0.1

0或约等于流场的平均压力



理想气体定律

小于0.1

约等于流场的平均压力



关于温度的函数

不可压缩

不使用



常数

不可压缩

不使用



不可压缩的理想气体

不可压缩

约等于流场的平均压力





关于参考压力位置的设定

对于不涉及任何压力边界条件的不可压缩流动，ANSYS FLUENT在每次迭代后要调整表压值。这个过程通过使用参考压力位置处（或该位置附近）节点的压力完成。因此，参考压力位置处的表压应一直为0。如果使用了压力边界条件，则不会使用到上述关系，因此参考压力位置不被使用。

参考压力位置默认为等于或接近（0，0，0）的节点中心位置。实际计算中可能需要设置参考压力位置到绝对静压已知的位置处。在Operating Conditions对话框中的Reference Pressure Location选项组中设置新的参考压力位置的x，y，z的坐标即可。

如果要考虑某一方向的加速度，如重力，可以勾选Gravity复选框。

对于VOF计算，应当选择Specified Operating Density，并且在Operating Density 下为最轻相设置密度。这样做排除了水力静压的积累，提高了round-off精度为动量平衡。同样需要打开 Implicit Body Force，部分平衡压力梯度和动量方程中体积力，提高解的收敛性。

Reference Pressure Location（参考压强位置）应是位于流体永远是100%的某一相（空气）的区域，光滑和快速收敛是其基本条件。

求解模型的设定

流动模型的设置

无粘模型

理想流体是一种设想的没有粘性的流体，在流动时各层之间没有相互作用的切应力，即没有内摩擦力。十分明显，理想流体对于切向变形没有任何抗拒能力。应该强调指出，真正的理想流体在客观实际中是不存在的，它只是实际流体在某些条件下的一种近似模型。

在Inviscid流动模型应用方面，无粘流动忽略了粘性对流动的影响，这对高雷诺数的流动是合适的，因为高雷诺数流动惯性力的作用远大于粘性力的作用，粘性力可以忽略，所以可以将其考虑成无粘流动。无粘流动的求解更快，其激波在某些值上预测的偏高。无粘流动能对流动状态和激波位置进行快速预测。

马赫数与激波

马赫数的定义是

它表示流体的流动速度与当地声速之比，是一个无量纲的参量。对应于
，
和
这三种情况的流动分别称为亚声速流、声速流和超声速流。当马赫数很小时，速度的相对变化只能引起很小的密度相对变化，但当马赫数很大时，则将引起较大的密度相对变化，这也说明了马赫数是流体压缩性的一个表征。

当飞机、炮弹和火箭以超音速飞行时，或者发生强爆炸、强爆震时，气流受到急剧的压缩，压强和密度突然显著增加，这时所产生的压强扰度将比声速大得多的速度传播，波阵面所到之处气流的各种参数都将发生显著变化，参数突跃。这样一个强间断面叫做激波阵面。

渐缩渐扩管的流动是计算流体力学模拟的经典问题之一。在这类流动中，激波的出现是流动中可压缩效应的体现。精确的激波模拟是CFD研究的热点之一。为了更好捕捉压力梯度，需要采用较细的网格并结合合适的数值模拟和格式。很多实际模拟中，局部网格的自适应会很有帮助。

层流模型

流动有层流和湍流之分，判断湍流的标准可以参考[]，这里写出内流的判断标准：

对于内流而言，一般大多数流动都是湍流，一般不使用湍流模型。而对一些外流而言（如外掠平板或是外掠障碍物），则很有可能是层流运动。

湍流模型的评价与选择

湍流模型

这里我们使用的湍流模型是Standard
模型，这种模型应用较多，计算量适中，有较多数据积累和比较高的精度，对于曲率较大和压力梯度较强等复杂流动模拟效果欠佳。一般工程计算都使用该模型，其收敛性和计算精度能满足一般的工程计算要求，但模拟旋流和绕流时有缺陷。

壁面函数的选择

对于有壁面的流动，当主流为充分发展湍流时，根据离壁面法线距离不同，可将流动划分为壁面区（或称内区、近壁区）和核心区（或称外区）。

核心区是完全湍流区，为充分发展的湍流。

在壁面区，由于有壁面的影响，流动与核心区不同。壁面区可分为3个子层：粘性底层、过渡层和对数率层。

粘性底层是一个紧贴壁面的极薄层，在动量、热量和质量的交换过程中粘性力起主要作用，而湍流切应力可以忽略，因此流动几乎可以看成层流流动，且在平行于壁面方向上的速度呈线性分布。

过渡层处于粘性底层之外，在此层中，粘性力和湍流切应力的作用相当，流动状况较为复杂，很难用公式或定律表述。实际工程计算中由于过渡层厚度极小，可不考虑此层，直接以对数率层的方法处理。

对数率层处于近壁区的最外层，粘性力的影响不明显，湍流切应力占主要地位，流动处于充分发展的湍流状态，流速分布接近对数律。

壁面区内不同子层的高度和速度可以沿壁面法向的无量纲高度和无量纲速度表达。

其中，
是流体的时均速度，
是壁面摩擦速度，
，
是壁面切应力，
是壁面的垂直距离。

在
时，区域为粘性底层，此时速度沿壁面法线方向呈线性分布，即
。

在
时，流动处于对数率层，此时速度沿壁面法线方向呈对数率分布，即
。

壁面函数法的本质是，对于湍流核心区的流动使用
模型求解，而在壁面区并不进行求解，直接使用半经验公式得出该区域的速度等物理量。

FLUENT提供了多种壁面函数处理方式，如标准壁面函数法、非平衡壁面函数法和增强壁面处理。

标准壁面函数法利用对数校正法提供了必需的壁面边界条件（对于平衡湍流边界层）。而非平衡壁面函数法用来改善高压力梯度、分离、再附和滞止等情况下的结果。标准壁面函数法和非平衡壁面函数法都允许在近避免区域上使用较粗的网格。对于大多数高雷诺数情况使用标准的或者非平衡的壁面函数（
）。

增强壁面处理选项把混合边界模型和两层边界模型结合起来，对低雷诺数流动或者复杂近壁面现象很适合，湍流模型在内层上得到了修正。

表格 2 几种壁面处理方法的比较

优点

缺点



标准壁面函数法

应用较多，计算量小，有较高的精度

适合高雷诺数流动，对低雷诺数流动问题，有压力梯度、高度蒸腾和大的体积力、低雷诺数和高速三维流动问题不适合



非平衡壁面函数法

考虑了压力梯度，可以计算分离，在附着以及撞击问题

对低雷诺数流动问题，有较强压力梯度、强体积力及强三维性问题不适合



增强壁面处理

不依赖壁面法则，对于复杂流动，特别是低雷诺数流动很适合

要求网格密，因而要求计算机处理时间长，内存大





多相流模型

VOF模型

该模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的容积比来模拟两种或三种不能混合的流体。典型的应用包括流体喷射、流体中大泡运动、流体在大坝坝口的流动、气液界面的稳态和瞬态处理等。一般而言VOF主要适用于非稳态的多相流模型，仅对某些特定问题的多相流模型的稳态问题能够适用。

VOF方法适用于计算空气和水这样不能互相掺混的流体流动，对于分层流和活塞流，最方便的就是选择VOF模型。需要注意的是，对于湍流模型的设置，VOF不能用于无粘流，也不能用大涡模拟[]。

Geo-Reconstruct格式

Geo-Reconstruct格式（在Solution Methods中设置）是一种较为精确的追踪自由表面的计算格式，广泛地应用于瞬变流的VOF问题中，但必须注意的要使用该格式VOF模型必须使用显示离散格式（在VOF模型设置选项设置）。

Body Force Formulation

为提高解的收敛性，对于涉及到表面张力的计算，建议在Body Force Formulation 中勾选 Implicit Body Force。这样做由于压力梯度和动量方程中表面张力的部分平衡，从而提高解的收敛性。

Mixture模型

这是一种简化的多相流模型，用于模拟各种有不同速度的多相流，但是假定了在短空间尺度上局部的平衡。相之间的耦合应当是很强的。它也用于模拟有强烈耦合的各向同性多相流和各向以相同速度运动的多相流。典型的应用包括沉降（sedimentation）、气旋分离器、低载荷作业下的多粒子流动、气相容积率很低的泡状流。

Mixture Parameters

一般需要勾选Mixture Parameters中的Slip Velocity复选框，以此来求解滑移速度模型，因为在多相流中各种组分的速度有很大不同。对于求解一个均匀的多相流问题可以选择不做滑移速度的计算，可以在mixture parameters选项某某slip velocity关掉。

Eulerian模型

该模型可以模拟多相分离流及相互作用的相，相可以是液体、气体、固体。与在离散相模型中Eulerian-Lagrangian方案只用于离散相不同，在多相流模型中Eulerian方案用于模型中的每一项。

固化与熔化模型

FLUENT 采用“焓－多孔度（enthalpy-porosity）”技术模拟流体的固化和熔化（Solidification/Melting）过程。在流体的固化和熔化问题中，流场可以分成流体区域、固体区域和两者之间的糊状区域。“焓－多孔度”技术采用的计算策略是将流体在网格单元内占有的体积百分比定义为多孔度（porosity），并将流体和固体并存的糊状区域看作多孔介质区进行处理。在流体的固化过程中，多孔度从1 降低到0；反之，在熔化过程中，多孔度则从0 升至1。“焓－多孔度”技术通过在动量方程中添加汇项（即负的源项）模拟因固体材料存在而出现的压强降。

“焓－多孔度”技术可以模拟的问题包括纯金属或二元合金中的固化、熔化问题、连续铸造加工过程等。计算中可以计算固体材料与壁面之间因空气的存在而产生的热阻，固化、熔化过程中组元的输运等等。需要注意的是，在求解固化、熔化问题的过程中，只能采用分离算法，只能与VOF模型配合使用，不能计算可压缩流，不能单独设定固体材料和流体材料的性质，同时在模拟带反应的组元输运过程时，无法将反应区限制在流体区域，而是在全流场进行反应计算。

Parameters定义

在Parameters 下面定义Mushy Zone Constant（糊状区域常数）。这个常数的取值范围一般在104 到107 之间，取值越大沉降曲线就越陡峭，固化过程的计算速度就越快，但是取值过大容易引起计算振荡，因此需要在计算中通过试算获得最佳数值。

Materials设置

在Materials（材料）面板上，定义Melting Heat（熔化热）、Solidus Temperature（固相点温度）和Liquidus Temperature（液相点温度）。如果计算中涉及组元输运过程，则必须同时定义溶剂的融解温度（Melting Temperature），同时需要定义熔化物的液相线相对于浓度的斜率（Slope of Liquidus Line）、分配系数（Partition Coefficient）和固体中的扩散速率（Diffusion in Solid）等参数。

设置边界条件

除了常规的边界条件设置，对于固化和熔化问题还有一些特殊设置，其中包括：在计算壁面接触热阻时设置接触热阻（Contact Resistance）。这个参数在Wall（壁面）面板中的Thermal Conditions（热力学条件）下给定。

??如果需要定义壁面上表面张力对温度的梯度，则在 Shear Condition（剪切条件）下选择Marangoni Stress（Marangoni 应力）选项。

如果计算拉出速度，则在边界条件中的速度边界条件将被用于拉出速度的计算。

相设置

相设置一般用于多相流的设置，对于相设置，这里主要讲一下Interaction的设置，如图：

Interaction设置

Interaction设置用来定义两相的相互作用，其有多个选项卡，如图。

Drag选项卡

针对每对物相，在下拉菜单中选择阻力函数。其中包括schiller-naumann 模型、morsi-alexander 模型、symmetric（对称）模型等用于流体与流体之间阻力计算的模型，也包括wen-yu 模型、gidaspow 模型、syamlal-obrien 模型等用于液体与固体之间阻力计算的模型，还包括syamlal-obrien-symmetric 模型用于固体与固体之间的阻力计算。除此之外，还可以将阻力函数定义为constant（常数），或者选择user-defined（用户定义）由用户自己定义阻力函数。如果计算中不需要设定阻力，还可以选择none（不计阻力）选项。

阻力设置的相关原理比较复杂，可参考帮助，一般保持默认的schiller-naumann设置不变。

Surface Tension选项卡

Surface Tension选项卡用来定义表面张力，如果相包含壁面粘附，可勾选“Wall Adhesion”复选框。

Cell Zone Condition

Frame Motion选项

对于流体，可以通过Frame Motion选项确定坐标运动方式（如离心泵内部流体的旋转使用运动参考系模型），如图：

Rotation-Axis Origin指转轴，Rotati 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 来说明该功能的使用：

用菜单命令Adapt: Gradient打开对话框，在Gradient of 下来框中选中Temperature和Static Temperature；在Option中不选Coarsen，即只细化修改网格而不粗糙化。点击Compute，Fluent将计算出温度梯度的最大值和最小值，在Refine Threshold中输入0.01，点击Mark。

显示即将细化的网格有82个：

82 cells marked for refinement, 0 cells marked for coarsening

点击Manage…，在打开的单元注册对话框（Manage Adaption Registers）点击Display。

准备要细化的网格的网格显示如下图。

点击单元注册对话框中的Adapt按钮后，选择Yes确认，最后关闭Manage Adaption Registers和Gradient Adaption对话框，网格细化完毕。

通过菜单命令Display: Grid，改进后的网格显示如下，明显看出前面所标示的温度梯度大于0.01的网格已经得到改进。

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