爱华网FLUENT12软件介绍
n软件功能
FLUENT软件几乎成为航空领域CFD分析的标准，特别是在ANSYS公司收购FLUENT以后针对航空领域做了大量高技术含量的开发工作，FLUENT内置六自由度刚体运动模块配合强大的动网格技术用于模拟飞行器外挂物分离、领先的转捩模型精确计算层流到湍流的转捩以及飞行器阻力精确模拟、非平衡壁面函数和增强型壁面函数+压力梯度修正大大提高边界层回流计算精度、多面体网格技术大大减小网格量并提高计算精度、密度基算法解决高超音速流动、高阶格式可以精确捕捉激波、噪声模块解决航空领域的气动噪声问题、非平衡火焰模型用于航空发动机燃烧模拟、旋转机械模型+虚拟叶片模型广泛用于螺旋桨旋翼CFD模拟、先进的多相流模型+动网格技术用于恶劣飞行条件下的结冰数值模拟、HPC大规模计算高效并行技术，这些都是航空领域CFD计算的关键技术。
n 软件模块
网格技术
（1）网格自适应技术：FLUENT采用网格自适应技术，可根据计算中得到的流场结果反过来调整和优化网格，从而使得计算结果更加准确。这是目前在CFD技术中提高计算精度最重要的技术之一，尤其对于有波系干扰、分离等复杂物理现象的流动问题，采用自适应技术能够有效地捕捉到流场中的细微的物理现象，大大提高计算精度。FLUENT软件具有多种自适应选项，可以对物理量值、物理量的空间微分值（如压力梯度）、网格容积变化率、壁面y*/y+值等进行自适应。
（2）多重网格初始化（FMG）技术：较好的初始流场能够大大提高问题的收敛速度。FLUENT提供了自动在后台操作的FMG方法，在粗网格上先用一阶精度的无粘欧拉方程计算得到较好的初始化流场，然后一步步细化网格求解NS方程得到精确解。FMG方法对于包含较大压力、速度梯度的流动问题非常有用，在某些情况下收敛时间可缩短至原来的五分之一。
（3）多面体网格技术：FLUENT新版本增加了多面体网格功能，可以把四面体网格量减少约2/3，而且计算精度提高。多面体网格的最大的优点是它有很多邻居单元（通常为10），所以能更精确地计算控制体的梯度（采用线性分布和利用最近的邻居单元即可）。甚至在边部和角部，多面体网格通常也会有多个邻居单元，这样可以正常计算梯度和局部流动分布。当然邻居控制体越多，需要内存和每个网格上计算量越大，这些可在精度上得到补偿。多面体网格尤其适用于处理回流问题。测试表明在顶盖驱动流要达到一定精度，需要的多面体网格数量甚至比六面体网格还少。这种现象可这样解释：对于六面体网格,它有三个流动方向可能导致最大的精度，而对于有12个面的多面体网格由于它有更多的邻居单元，存在6个最优的方向，这样可能采用更少的网格就能取得更高的精度。通过很多例子比较可知，采用多面体网格，相比于四面体网格，只需要1/4网格量，1/2的内存,1/10的计算时间就能得到相同的计算精度，此外收敛性能更好，而且通常不需要调整求解器的参数。
求解器
FLUENT软件基于有限体积法，提供了三种数值算法，包括基于压力的分离算法、基于密度的耦合显式算法、基于密度的耦合隐式算法，是商用软件中最多的。
（1）Pressure BasedSegregateSolver：该算法源于经典的SIMPLE算法，其适用范围为不可压缩流动和中等可压缩流动。这种算法不对Navier-Stokes方程联立求解，而是对动量方程进行压力修正，是一种很成熟的算法，在应用上经过了很广泛的验证。这种方法可以与燃烧、化学反应、辐射、多相流模型配合，解决流动传热问题。
（2）Density Based ExplicitSolver：这种算法由Fluent公司与NASA联合开发，主要用来求解可压缩流动（跨音速、超音速流动乃至高超音速）。该方法与SIMPLE算法不同，对整个Navier-Stokes方程组进行联立求解，空间离散采用通量差分分裂格式，包括ROE－FDS格式及目前最先进的算法之一AUSM格式，在间断分辨率、粘性分辩率及稳定性方面均有良好表现，时间离散采用多步Runge-Kutta格式，并采用了自动多重网格加速收敛技术（FMG）。
（3）Density Based ImplicitSolver：该算法对Navier-Stokes方程组进行联立求解，由于采用隐式格式，因而计算精度与收敛性要优于DensityBasedExplicit方法，但却占用较多的内存。该算法另一个突出的优点是可以求解全速度范围，即求解范围从低速流动到高超音速流动。
Fluent6.3版本以后在压力-速度耦合方法新增了耦合压力基算法，比压力基算法可以达到更好的收敛性，比密度基算法计算代价小。在方程离散格式新增了三阶精度的MUSCL格式，而且新增的密度基算法可以用于高马赫数流动计算中，可以实现隐式耦合计算（和ANSYSCFX算法类似），在通量离散中ROE格式基础上新增AUSM三阶离散精度格式，可以更好地捕捉高马赫数下的激波。
ANSYS Fluent12在算法的稳定性和精确性上也有明显改进，借鉴ANSYSCFX算法，可以实现一阶到高阶的混合格式。而且在激波处理上也做了改进，用户可以选择不可压、亚音速、跨音速、超音速、高超音速四种不同的流动计算类型，Fluent求解器中可以自动选择不同的CourantNumber开始计算。这种处理方法可以大大提高激波计算的收敛性和稳定性。
湍流模型
FLUENT软件包含了工程上常用的多种湍流模型，包括92年提出的一方程的S-A模型，双方程的k-ε模型、k-模型，雷诺应力模型（RSM）和最新的大涡模拟（LES）、分离涡模拟（DES）等，而每一种模型又有若干子模型，以适应分析、转捩、旋流等不同具体工况。其中k-ε模型包括鲁棒性较好的Standardk-ε模型，适用于一般情况下的流场模拟；RNG k-ε模型，适用于复杂剪切流动、边界层分离等复杂流动情况下模拟；Realizablek-ε模型，适用于自由射流情况。这三种湍流模型又分别包括三种壁面函数：标准壁面函数（应用最广泛，鲁棒性最好），非平衡壁面函数（适用于分离流，逆压梯度），双层区域壁面函数（将层流底层同湍流区分别计算，要求Y＋=1）。对于强旋流存在情况，由于雷诺应力张量的各个分量呈明显的各向异性，因此需要采用雷诺应力湍流模型，例如旋转发动机、涡流阀发动机内流动。以上各种方法以湍流的统计结构为基础，对所有旋涡进行统计平均，求解雷诺平均N-S方程，反映的是湍流脉动的平均效应。大涡模拟(LES)采用直接求解大尺度湍流修正N-S方程的方法，能够详细求解流场的湍流脉动效应。对于高雷诺数壁面边界流动，LES方法在解近壁面区域时比较耗费时间，因此可以采用分离涡（DES）模拟，在近壁区域采用基于RANS的湍流模型，而在主流区采用LES模型，在保证一定精度条件下提高了计算效率。在高雷诺数外部流动方面，DES是LES的有效替代。
Fluent12版本借鉴了科学家Menter的最新研究成果，新增了三方程转捩k-kl-omega模型和四方程转捩SST模型。转捩模型和常规二方程全湍流模型相比，可以更准确地模拟层流到湍流的过渡流动，对于进气道内部的复杂流动具有更强的计算能力。
燃烧模型
实际中的燃烧过程是湍流和化学反应相互作用的结果，化学反应速率具有强烈的非线性，通常包含了几十种组分和几百个基元反应，而且组分之间的反应时间尺度相差很大。FLUENT针对不同燃烧现象，采用了不同的化学动力学处理手段，建立了多种燃烧模型，适用于各种复杂情况下的燃烧问题。
（1）有限速率模型：这种模型求解反应物和生成物输运组分方程，并由用户来定义化学反应机理，反应率作为源项包含在组分输运方程中，通过阿累尼乌斯方程或涡耗散模型得到。有限速率模型适用于预混燃烧、局部预混燃烧和非预混燃烧。在最新版本中，用户可以加入多达300种组分、1500个反应，大大加强了复杂化学反应的详细机理模拟。并且CHEMKIN格式的反应机理和热物理性质可以直接导入FLUENT中使用。
（2）非预混燃烧模型：该模型不求解单个组分输运方程，通过求解混合组分分布得到组分浓度分布。在该模型中，用概率密度函数PDF来考虑湍流效应，不需要用户显式地定义反应机理，而是通过火焰面方法（即混即燃模型）或化学平衡计算来处理。该模型可以应用于燃料与氧化剂分别进入燃烧室的非预混燃烧情况。
（3）预混燃烧模型：该模型专用于预混系统的燃烧反应。在此类问题中，充分混合的反应物和反应产物被火焰面隔开，通过求解反应过程变量来追踪火焰前沿轨迹（Zimont模型）。湍流效应可以通过层流和湍流火焰速度的关系来考虑。
（4）PDF燃烧模型：该模型采用复合概率密度函数（PDF）输运方程模拟湍流火焰中的有限速率化学反应。由于PDF输运方程的维度非常高，而且不能用有限体积方法求解，因此在FLUENT中采用蒙特卡洛方法求解，为了提高计算效率采用了ISAT算法来加速反应表格的生成和数据查看。该模型可以用来模拟点火、熄火等瞬态条件下的详细化学反应。
（5）表面化学反应模型：在某些情况下会遇到固体表面化学反应的情况，例如液体氧化剂与固体燃料的表面反应。FLUENT表面反应模型可以用来分析气体和表面组分之间的化学反应及不同表面组分之间的化学反应，以确保表面沉积和烧蚀现象被准确预测。并且不同表面可以运用不同的表面反应机理，表面反应可以发生在壁面或者多孔介质上。
（6）分散相燃烧模型：除了可以模拟各种气相燃烧问题以外，FLUENT还提供了模拟分散相燃烧问题(液体燃料燃烧、喷射燃烧、固体颗粒燃烧等)的燃烧模型，在拉格朗日坐标下，模拟分散相（包括固体颗粒/油滴/气泡等）在瞬态和稳态下的运动轨迹。该模型可以用于计算液体喷雾燃烧或者固体粒子燃烧。
辐射模型
FLUENT提供了多种对流、热传导及辐射模型来模拟流动和传热现象，可以求解强制/自然/混合对流、固体/流体耦合热传导、以及多种情况下的热辐射。其中，热结构分析中通常会遇到的的流固耦合传热在FLUENT中处理非常简便，couple的方法使得用户不需要输入壁面对流换热系数、温度等参数就可以直接耦合求解得到流场、绝热层和壳体壁面的温度分布。FLUENT提供了6种辐射模型供用户在不同情况下使用，P1和Rossland模型适用于介质光学厚度较大、存在粒子的环境；基于角系数的SurfacetoSurface模型适用于介质不参与辐射的情况；DO和DTRM模型适用于包括玻璃的任何介质，但是计算量较大；太阳辐射模型只需用户提供当地时间、经纬度及天气情况，就可自动得到当地太阳辐射量，可以模拟受太阳辐射的影响情况。
多相流模型
多相流混合物广泛应用于工业中，FLUENT软件是在多相流建模方面的领导者，其丰富的模拟能力可以帮助工程师洞察设备内那些难以探测的现象，Eulerian多相流模型通过分别求解各相的流动方程的方法分析相互渗透的各种流体或各相流体，对于颗粒相流体采用特殊的物理模型进行模拟。很多情况下，占用资源较少的的混合模型也用来模拟颗粒相与非颗粒相的混合。FLUENT可用来模拟三相混合流（液、颗粒、气），如泥浆气泡柱和喷淋床的模拟。可以模拟相间传热和相间传质的流动，使得对均相及非均相的模拟成为可能。
FLUENT标准模块中还包括许多其他的多相流模型，对于其他的一些多相流流动，如喷雾干燥器、煤粉高炉、液体燃料喷雾，可以使用离散相模型（DPM）。射入的粒子，泡沫及液滴与背景流之间进行发生热、质量及动量的交换。
VOF模型（Volume ofFluid）可以用于对界面的预测比较感兴趣的自由表面流动，如海浪。汽蚀模型已被证实可以很好的应用到水翼艇、泵及燃料喷雾器的模拟。沸腾现象可以很容易地通过用户自定义函数实现。
动网格FLUENT的动网格功能在商业CFD软件中是非常强大的，它提供了弹簧压缩法、动态铺层法、局部重构法三种网格重建方法，三种方法可以任意组合模拟流场的复杂运动。FLUENT还提供了三种专用的动网格模型：活塞运动、6DOF投放以及2.5D模型。
材料库
FLUENT具有丰富的物质材料库，包括常用的流体物质（例如液态水、蒸汽状态水、酒精、煤油、空气等）、固体物质（例如铝、铜、石墨等）以及混合物，各种物质的密度、比热、导热系数、粘性、汽化潜热等参数都可以直接从数据库中得到，并且这些物质属性可以为常数、可以为函数形式的变量、或者用UDF（用户自定义函数）设置成用户想要的形式。例如，传热计算中，比热容对系统的温度模拟结果影响非常大，采用输入变比热的形式可以提高计算精度。如果自带的材料库不能满足用户需求，那么FLUENT提供了方便的界面供用户输入自己所需要材料的物性，以便在计算中使用。
用户自定义函数（UDF）
FLUENT软件不仅提供了以上各种丰富的物理模型及灵活的参数设置方式，并且为了满足用户的特殊需求还提供了二次开发接口（userdefinedfunction，UDF）功能。UDF采用用户所熟悉的C/C++语言编写，然后动态加载到FLUENT环境中使用，可以使用户方便的在FLUENT中实现自己所需要的特定功能。
后处理功能
Fluent12版本采用CFD-Post做通用后处理，CFD-Post具有强大的后处理功能，能够显示CFD计算所需要的参数，包括矢量图、等值线图、等值面图、流动轨迹图，可以清晰显示压强、Ma数、Re数、温度等参数；并具有积分功能，可以求得通过壁面的热流通量、辐射热流量、质量流率等；对于用户关心的参数和计算中的误差可以随时进行动态跟踪显示；对于多相流，还提供组分、蒸发率分布等参数。CFD-Post的后处理可以生成有实际意义的图片、动画、报告，这使得CFD的结果非常容易地被转换成工程师和其他人员可以理解的图形。
并行技术
单CPU计算往往难于满足现代设计的要求，因而并行计算能力也是考核CFD软件的重要指标之一。涉及到点火初始流场压力的剧变、燃烧、火焰面的捕捉等一系列复杂的物理过程，而且几何非常复杂；燃烧和复杂化学反应等问题要计算多组分方程组，比单相流动的计算量要大得多；另外，整个计算要考虑动边界问题，这种非定常过程的计算量也相当巨大，传统单CPU的计算是难以承受的。FLUENT并行功能具有以下技术和特点：
（1）自动分区技术：FLUENT软件采用自动分区技术，自动保证各CPU的负载平衡，并且能够在计算中自动根据CPU负荷重新分配计算任务。
（2）并行效率：FLUENT软件的并行效率很高，加速比随CPU数目增加几乎为线性增长，因而大大缩短了计算时间。
（3）支持网络并行：除支持单机多CPU的并行计算外，FLUENT还支持网络分布式并行计算。FLUENT内置了MPI并行机制，大幅提高了网络分布式并行计算的并行效率。
ANSYSFluent12在计算速度上有明显提高，求解内核加速了10%-30%，而且在并行效率和数据传输速度上也大大提高。
n 软件使用范围作为通用的CFD软件，FLUENT可用于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丰富的物理模型，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。其代表性客户包括美国宇航局（NASA）、国防部（DOD）、能源部（DOE）等政府部门以及BMW-RR、波音公司、福特公司、GE、三菱公司等企业。
