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2023-02-27
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3.1 计算流体力学基础与 FLUENT 软件介绍
3.1.1 计算流体力学基础
计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称 CFD)是利用数值方法通过计算机求解描述流体运动的数
学方程，揭示流体运动的物理规律，研究定常流体运动的空间物理特性和非定常流体运动的时空物理特征的学科
[}ss}。其基本思想可以归纳为:把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有
限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关十这些离散点上场变量之间的关系的代数
方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值[f=}}l
计算流体力学可以看作是在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流动的数
值仿真。通过这种数值仿真，可以得到流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度和浓度等)的分布以
及这些物理量随时间的变化规律。
还可计算出相关的其它物理量，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。此外，与CAD 联合还可进行结
构优化设计等。
过去，流体力学的研究主要有实验研究和理论分析两种方法。实验研究主要以实验为研究手段，得到的结果
真实可信，是理论分析和数值计算的基础，其重要性不容低估。然}fu 实验往往受到模型尺寸、流场扰动和测量
精度等的限制，有时可能难以通过实验的方法得到理想的结果。此外，实验往往经费投入较大、人力和物力耗费
较大及周期较长;理论分析方法通常是利用简化的流动模型假设，给出所研究问题的解析解或简化方程。然}fu 随
着时代的发展，这些方法已不能很好地满足复杂非线性流体运动规律的研究。理论分析方法的优点是所得结果具
有普遍适用性，各种影响因素清晰可见，是指导试验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要
求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。}fU 对十非线性情况，只有少数流动才能得到解析结果。
计算流体力学方法很好地克服了前面两种方法的弱点，与传统的理论分析方法、实验研究方法一同组成了研
究流体流动问题的完整体系。计算流体力学的发展，先后经历
2 FLUENT 软件介绍
FLUENT 软件是由美国 FLUENT 公司开发的著名的 CFD 计算分析软件，在航空、航天、透平机械、汽车、
船舶、机械、化工、石化、计算机、半导体、能源、医学等领域得到了广泛的应用。能够解决流动、传热、化学
反应、燃烧、多相流、旋涡流动等问题。
FLUENT 软件研究的流动模型包括了定常和非定常流动，层流(包括各种非牛顿流模型)，紊流(包括最先进的
紊流模型)，不可压缩和可压缩流动，传热和化学反应等。FLUENT 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，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。不
同领域的计算软件组合起来，成为 CFD 软件群，从而高效率地解决各个领域的复杂流动的计算问题，在各软件
之间可以方便地进行数值交换，采用统一的前后处理工具，省去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，而可以将主要精力用十物理问题本身的探索上。
流体有限体积法(Finite Volume Method，简称 FVM)是目前计算流体动力学领域内应用最普遍的一种对偏微
分方程组的离散方法。FLUENT 软件就是采用 C 语言编写的基于非结构化网格和有限体积法的通用 CFD 求解器，
它推出了多种优化的物理模型，如定常和非定常流动;层流(包括各种非牛顿流模型);紊流(包括最先进的紊流模型);
不可压缩和可压缩流动;传热;化学反应等。对每一种物理问题的流动特点，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，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。
在 FLUENT 5.0 之后的版本中，都采用 GAMBIT 的专用前处理软件。GAMBIT 软件是面向 CFD 的专业前处
理器软件，它包含全面的几何建模能力，也可以从主流的 CAD/CAE 软件导入几何体和网格，GAMBIT 强大的布
尔运算能力为建立复杂的几何模型提供的极大的方便。GAMBIT 功能强大的网格划分工具，可以划分出包含边
界层等 CFD 特殊要求的高质量的网格。GAMBIT 中专有的网格划分算法可以保证在较为复杂的几何区域直接划
分出高质量的六面体网格。GAMBIT 中的 TGRID 方法可以在极其复杂的几何区域中划分出与相邻区域网格连续
的完全非结构化的网格，GAMBIT 网格划分方法的选择完全是智能化的，在选择一个几何区域后GAMBIT 会自
动选择最合适的网格划分算法，使网格划分过程变得极为容易。
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，因而 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 在转捩与湍流、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。
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