想要份Fluent及网格处理器Gambit的教程

概述

本教程主要介绍了FLUENT的使用，其中附带了相关的算例，从而能够使每一位使用者在学习的同时积累相关的经验。本教程大致分以下四个部分：第一部分包括介绍信息、用户界面信息、文件输入输出、单位系统、网格、边界条件以及物理特性。第二和第三部分包含物理模型，解以及网格适应的信息。第四部分包括界面的生成、后处理、图形报告、并行处理、自定义函数以及FLUENT所使用的流场函数与变量的定义。

下面是各章的简略概括

第一部分：

l 开始使用：本章描述了FLUENT的计算能力以及它与其它程序的接口。介绍了如何对具体的应用选择适当的解形式，并且概述了问题解决的大致步骤。在本章中，我们给出了一个可以在你自己计算机上运行的简单的算例。

l 使用界面：本章描述了用户界面、文本界面以及在线帮助的使用方法。同时也提供了远程处理与批处理的一些方法。（请参考关于特定的文本界面命令的在线帮助）

l 读写文件：本章描述了FLUENT可以读写的文件以及硬拷贝文件。

l 单位系统：本章描述了如何使用FLUENT所提供的标准与自定义单位系统。

l 读和 *** 纵网格：本章描述了各种各样的计算网格来源，并解释了如何获取关于网格的诊断信息，以及通过尺度化（scale）、分区（partition）等方法对网格的修改。本章还描述了非一致（nonconformal）网格的使用

l 边界条件：本章描述了FLUENT所提供的各种类型边界条件，如何使用它们，如何定义它们and how to define boundary profiles and volumetric sources

l 物理特性：本章描述了如何定义流体的物理特性与方程。FLUENT采用这些信息来处理你的输入信息。

第二部分：

l 基本物理模型：本章描述了FLUENT计算流体流动和热传导所使用的物理模型（包括自然对流、周期流、热传导、swirling、旋转流、可压流、无粘流以及时间相关流）。以及在使用这些模型时你需要输入的数据，本章也包含了自定义标量的信息。

l 湍流模型：本章描述了FLUENT的湍流模型以及使用条件。

l 辐射模型：本章描述了FLUENT的热辐射模型以及使用条件。

l 化学组分输运和反应流：本章描述了化学组分输运和反应流的模型及其使用方法。本章详细的叙述了prePDF的使用方法。

l 污染形成模型：本章描述了NOx和烟尘的形成的模型，以及这些模型的使用方法。

第三部分：

l 相变模拟：本章描述了FLUENT的相变模型及其使用方法。

l 离散相变模型：本章描述了FLUENT的离散相变模型及其使用方法。

l 多相流模型：本章描述了FLUENT的多相流模型及其使用方法。

l Flows in Moving Zones（移动坐标系下的流动）：本章描述了FLUENT中单一旋转坐标系，多重移动坐标系，以及滑动网格的使用方法。

l Solver的使用：本章描述了如何使用FLUENT的解法器（solver）。

l 网格适应：本章描述了explains the solution-adaptive mesh refinement feature in FLUENT and how to use it

第四部分：

l 显示和报告数据界面的创建：本章描述了explains how to create surfaces in the domain on which you can examine FLUENT solution data

l 图形和可视化：本章描述了检验FLUENT解的图形工具

l Alphanumeric Reporting：本章描述了如何获取流动、力、表面积分以及其它解的数据。

l 流场函数的定义：本章描述了如何定义FLUENT面板内出现的变量选择下拉菜单中的流动变量，并且告诉我们如何创建自己的自定义流场函数。

l 并行处理：本章描述了FLUENT的并行处理特点以及使用方法

l 自定义函数：本章描述了如何通过用户定义边界条件，物理性质函数来形成自己的FLUENT软件。

如何使用该手册

l 根据你对CFD以及FLUENT公司的熟悉，你可以通过各种途径使用该手册

对于初学者，建议如下：

l 为了对FLUENT的计算能力以及启动方式有所了解，最好是阅读“开始”这一章。本章为你提供了选择解形式的建议，同时为你提供了一个简单的自学教程，在该教程中我们使用FLUENT解决了一个简单的问题。

l 要想知道如何使用界面与远程控制，请参阅“使用界面”一章

l 读写文件的方法在“读写文件”一章

l 在开始解决问题之前我们需要输入网格，要想知道如何输入及检查网格请参阅“读与 *** 纵网格”一章。要想知道解适应过程，请参阅“网格适应”一章

l 选择物理模型请参阅“基本物理模型—动坐标系下的流动”

l 对于边界条件的信息请参阅“边界条件”一章。对于流体性质请参阅“物理特性”一章

l 设定解的参数请参阅“Using the Solver”一章

l 显示和分析结果请参阅“数据显示和数据报告界面的创建—-Alphanumeric Reporting”一章

l 检查FLUENT中流动变量的定义请参阅“流场函数定义”一章

l 关于FLUENT并行计算解请参阅“并行处理”一章

l 关于如何使用FLUENT的在线帮助请参阅“用户界面”一章

l 对于特定的问题和你所要使用的工具，请查阅相关内容的列表以及索引

对于有经验的使用者，建议如下：

如果你是一个有经验的使用者，只需要查找一些特定的信息，那么有三种不同的方法供你使用该手册。目录列表和主题列表是按程序顺序排列的，从而使你能够按照特定程序的步骤查找相关资料。本手册为你提供了两个不同的索引：一、命令索引，该索引为你提供特定了面板和文本命令的使用方法。二、分类索引，该索引为你提供了特定类别的信息（在线帮助中没有此类索引，只能在印刷手册中找到它）。

本手册的排版协定

为了方便用户的学习，本教程有几个约定成俗的排版协定。

l 在下拉菜单中进入控制面板的过程我们采用 "/"。例如, Define/Materials告诉我们在Define下拉菜单中选择Materials。

l 因尚未翻译完全，其它排版情况待定。

什么时候使用Support Engineer

Support Engineer能够帮助你计划你的CFD模型工程并为你解决在使用FLUENT中所遇到的困难。在遇到困难时我们建议你使用Support Engineer。但是在使用之前有以下几个注意事项：

l 仔细阅读手册中关于你使用并产生问题的命令的信息

l 回忆导致你产生问题的每一步

l 如果可能的话，请记下所出现的错误信息

l 对于特别困难的问题，保存FLUENT出现问题时的日志以及手稿。在解决问题时，它是最好的资源。

第一章 开始

本章对FLUENT做了大致的介绍，其中包括：FLUENT的计算能力，解决问题时的指导，选择解的形式。为了便于理解，我们在本章演示了一个简单的例子，该例子的网格文件在安装光盘中已准备好。

引言

FLUENT是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。它提供了完全的网格灵活性，你可以使用非结构网格，例如二维三角形或四边形网格、三维四面体/六面体/金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动。甚至可以用混合型非结构网格。它允许你根据解的具体情况对网格进行修改（细化/粗化）。

对于大梯度区域，如自由剪切层和边界层，为了非常准确的预测流动，自适应网格是非常有用的。与结构网格和块结构网格相比，这一特点很明显地减少了产生“好”网格所需要的时间。对于给定精度，解适应细化方法使网格细化方法变得很简单，并且减少了计算量。其原因在于：网格细化仅限于那些需要更多网格的解域。

FLUENT是用C语言写的，因此具有很大的灵活性与能力。因此，动态内存分配，高效数据结构，灵活的解控制都是可能的。除此之外，为了高效的执行，交互的控制，以及灵活的适应各种机器与 *** 作系统，FLUENT使用client/server结构，因此它允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序。

在FLUENT中，解的计算与显示可以通过交互界面，菜单界面来完成。用户界面是通过Scheme语言及LISP dialect写就的。高级用户可以通过写菜单宏及菜单函数自定义及优化界面。

程序结构

该FLUENT光盘包括：FLUENT解算器；prePDF,模拟PDF燃烧的程序；GAMBIT, 几何图形模拟以及网格生成的预处理程序；TGrid, 可以从已有边界网格中生成体网格的附加前处理程序；filters (translators)从CAD/CAE软件如：ANSYS，I－DEAS，NASTRAN，PATRAN等的文件中输入面网格或者体网格。图一所示为以上各部分的组织结构。注意：在Fluent使用手册中 "grid" 和 "mesh"是具有相同所指的两个单词

图一：基本程序结构

我们可以用GAMBIT产生所需的几何结构以及网格（如想了解得更多可以参考GAMBIT的帮助文件，具体的帮助文件在本光盘中有，也可以在互联网上找到），也可以在已知边界网格（由GAMBIT或者第三方CAD/CAE软件产生的）中用Tgrid产生三角网格，四面体网格或者混合网格，详情请见Tgrid用户手册。也可能用其他软件产生FLUENT所需要的网格，比如ANSYS(Swanson Analysis Systems, Inc)、I-DEAS (SDRC)；或者MSC/ARIES,MSC/PATRAN以及MSC/NASTRAN (都是MacNeal-Schwendler公司的软件)。 与其他CAD/CAE 软件的界面可能根据用户的需要酌情发展，但是大多数CAD/CAE软件都可以产生上述格式的网格。

一旦网格被读入FLUENT，剩下的任务就是使用解算器进行计算了。其中包括，边界条件的设定，流体物性的设定，解的执行，网格的优化，结果的查看与后处理。

PreBFC和GeoMesh是FLUENT前处理器的名字，在使用GAMBIT之前将会用到它们。对于那些还在使用这两个软件的人来说，在本手册中，你可以参考preBFC和GeoMesh的详细介绍。

本程序的能力

FLUENT解算器有如下模拟能力：

l 用非结构自适应网格模拟2D或者3D流场，它所使用的非结构网格主要有三角形/五边形、四边形/五边形，或者混合网格，其中混合网格有棱柱形和金字塔形。（一致网格和悬挂节点网格都可以）

l 不可压或可压流动

l 定常状态或者过渡分析

l 无粘，层流和湍流

l 牛顿流或者非牛顿流

l 对流热传导，包括自然对流和强迫对流

l 耦合热传导和对流

l 辐射热传导模型

l 惯性（静止）坐标系非惯性（旋转）坐标系模型

l 多重运动参考框架，包括滑动网格界面和rotor/stator interaction modeling的混合界面

l 化学组分混合和反应，包括燃烧子模型和表面沉积反应模型

l 热，质量，动量，湍流和化学组分的控制体源

l 粒子，液滴和气泡的离散相的拉格朗日轨迹的计算，包括了和连续相的耦合

l 多孔流动

l 一维风扇/热交换模型

l 两相流，包括气穴现象

l 复杂外形的自由表面流动

上述各功能使得FLUENT具有广泛的应用，主要有以下几个方面

l Process and process equipment applications

l 油/气能量的产生和环境应用

l 航天和涡轮机械的应用

l 汽车工业的应用

l 热交换应用

l 电子/HVAC/应用

l 材料处理应用

l 建筑设计和火灾研究

总而言之，对于模拟复杂流场结构的不可压缩/可压缩流动来说，FLUENT是很理想的软件。对于不同的流动领域和模型，FLUENT公司还提供了其它几种解算器，其中包括NEKTON,FIDAP、POLYFLOW、IcePak以及MixSim。

FLUENT使用概述

FLUENT采用非结构网格以缩短产生网格所需要的时间，简化了几何外形的模拟以及网格产生过程。和传统的多块结构网格相比，它可以模拟具有更为复杂几何结构的流场，并且具有使网格适应流场的特点。FLUENT也能够使用适体网格，块结构网格(比如：FLUENT 4和许多其它的CFD结算器的网格)。FLUENT可以在2D流动中处理三角形网格和四边形网格，在3D流动中可以处理四面体网格，六边形网格，金字塔网格以及楔形网格（或者上述网格的混合）。这种灵活处理网格的特点使我们在选择网格类型时，可以确定最适合特定应用的网格拓扑结构。

在流场的大梯度区域，我们可以适应各种类型的网格。但是你必须在解算器之外首先产生初始网格，初始网格可以使用GAMBIT、 Tgrid或者某一具有网格读入转换器的CAD系统。

计划你的CFD分析

当你决定使FLUENT解决某一问题时，首先要考虑如下几点问题： 定义模型目标：从CFD模型中需要得到什么样的结果？从模型中需要得到什么样的精度；选择计算模型：你将如何隔绝所需要模拟的物理系统，计算区域的起点和终点是什么？在模型的边界处使用什么样的边界条件？二维问题还是三维问题？什么样的网格拓扑结构适合解决问题？物理模型的选取：无粘，层流还湍流？定常还是非定常？可压流还是不可压流？是否需要应用其它的物理模型？确定解的程序：问题可否简化？是否使用缺省的解的格式与参数值？采用哪种解格式可以加速收敛？使用多重网格计算机的内存是否够用？得到收敛解需要多久的时间？在使用CFD分析之前详细考虑这些问题，对你的模拟来说是很有意义的。当你计划一个CFD工程时，请利用提供给FLUENT使用者的技术支持。

解决问题的步骤

确定所解决问题的特征之后，你需要以下几个基本的步骤来解决问题：

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

6．选择需要解的基本方程：层流还是湍流（无粘）、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

8．指定边界条件

9．调节解的控制参数

10．初始化流场

11．计算解

12．检查结果

13．保存结果

14．必要的话，细化网格，改变数值和物理模型。

第一步需要几何结构的模型以及网格生成。你可以使用GAMBIT或者一个分离的CAD系统产生几何结构模型及网格。也可以用Tgrid从已有的面网格中产生体网格。你也可以从相关的CAD软件包生成体网格，然后读入到Tgrid或者FLUENT (详情参阅网格输入一章)。至于创建几何图形生成网格的详细信息清查月相关软件使用手册

第二步，启动FLUENT解算器

后面将会介绍第三到十四步详细 *** 作，下面的表告诉了我们哪一步需要什么软件

表一： FLUENT菜单概述

解的步骤

菜单

读入网格

文件菜单

检查网格

网格菜单

选择解算器格式

定义菜单（Define Menu ）

选择基本方程

定义菜单

材料属性

定义菜单

边界条件

定义菜单

调整解的控制

解菜单（Solve Menu ）

初始化流场

解菜单

计算解

解菜单

结果的检查

显示菜单（Display Menu）&绘图菜单（Plot Menu）报告菜单（Report Menu ）

保存结果

文件菜单

网格适应

适应菜单

启动FLUENT

UNIX和Windows NT启动FLUENT的方式是不同的，详细参阅相关介绍。不同的安装过程也是为了使FLUENT能够正确启动而设定的。

单精度和双精度解算器

在所有计算机 *** 作系统上FLUENT都包含这两个解算器。大多数情况下，单精度解算器高效准确，但是对于某些问题使用双精度解算器更合适。下面举几个例子：

如果几何图形长度尺度相差太多（比如细长管道），描述节点坐标时单精度网格计算就不合适了；如果几何图形是由很多层小直径管道包围而成（比如：汽车的集管）平均压力不大，但是局部区域压力却可能相当大（因为你只能设定一个全局参考压力位置），此时采用双精度解算器来计算压差就很有必要了。

对于包括很大热传导比率和（或）高比率网格的成对问题，如果使用单精度解算器便无法有效实现边界信息的传递，从而导致收敛性和（或）精度下降

在UNIX系统启动FLUENT有如下几个启动方法：

l 在命令行启动适当的版本；

l 在命令行启动，但是不指定版本，然后在面板上选择适当的版本；在命令行启动，但是不指定版本，然后读入case文件（或者case文件和数据文件）来启动适当的版本。

命令行启动适当版本：可以指定维度和精度：fluent 2d运行二维单精度版本；相应的fluent 3d；fluent 2ddp；fluent 3ddp都分别运行相应的版本。并行版本的启动请参阅相关的并行版本启动方法在此不予介绍。

在解算器的面板中指定版本

Figure 1:启动时的控制台窗口

在版本提示中健入2d、3d、2ddp或者3ddp启动相应版本。

如果是在图形用户界面（GUI）中启动适当的版本，请选择File/Run菜单，然后将会出现如下图所示的菜单，这样你就可以选择合适的版本了(你也可以在这个面板上启动远程机器上的FLUENT或者并行版本，详细的内容请参阅相关主题

Figure 2: FLUENT可以在选择结算器的面板上启动适当的版本

作为一个程序员，在开发的过程中会发现，有框架同无框架，做起事来是完全不同的概念，关系到开发的效率、程序的健壮、性能、团队协作、后续功能维护、扩展等方方面面的事情。

快速开发框架，其实就是某种应用的半成品，就是一组组件，供你选用完成你自己的系统。简单说就是使用别人搭好的舞台，你来做表演。而且，快速开发框架一般是成熟的，不断升级更新的软件

JNPF开源平台功能强大，结构扎实的框架，可承载的类型就更多，适用性就更强。

1可视化编辑：大量可视化控件效果，实现全程可视化编辑 *** 作，支持自定义样式和自定义数据库，所见即所得的实现大屏可视化页面开发；

2无代码设计：零编码式拖拽控件到页面中，针对不同的控件进行内容设值和数据绑定，无须任何代码即可快速搭建专业、美观、酷炫的大屏展示；

3自由布局：拖拽式自由布局页面，提供智能图形推荐，多种控件、表格、报表图形等可随意切换，且不受维度和度量的限制；

4灵活控件：丰富的交互控件和图表组件，通过图形化的界面，画布采用网格系统，自动吸附每个控件的布局，做到整齐划一；

5灵活拓展：设计器提供丰富的二次开发接口，支持自行改进和增加组件，无需换包或打补丁，为实施人员提供了许多便利；

6高适配部署：用户可按实际屏幕尺寸自定义任意画布大小，适配各种拼接大屏场景，基于WEB渲染，无需额外安装软件；

通常的解决方式是建立模型后划分边界与网格，再通过FILE中的输出功能，点击MESH后输入网格的输出目录，然后就可以在FLUENT中导入输出的网格文件，记得FLUENT中必须FILE中读取CAS文件才有效。另外，建立的模型如果是二维的一定要在2-D框前点击，在关闭GAMBIT前，不要忘记保存DBS文件以避免无法重新打开原有的模型。

Triangle可以生成精确的Delaunay三角剖分，限定Delaunay三角剖分（Constrained Delaunay Triangulation），Conforming Delaunay Triangulation，Voronoi图（Voronoi Diagrams）和高质量的三角网格，即生成的网格中没有瘦长的三角形，所以适用于有限元分析（Finite Element Analysis）。

在OpenCascade620版本之前，OpenCascade中网格的生成就是使用了这个开源库，由此可见Delaunay三角剖分算法和网格生成算法的重要性及广泛应用。

OpenStack是一个开源平台，可让你构建在商用硬件上运行的基础架构即服务（IaaS）云。OpenStack背后的技术由一系列项目组成，这些项目为云基础架构解决方案提供了各种组件。它可以处理数据中心内的大量存储和网络资源，既可以作为单独的云，也可以作为外部的公有云。

要管理OpenStack云基础架构，需要管理各个云服务的配置。OpenStack的主要优势在于它的水平可伸缩性，因此添加网络和存储可随着时间的推移来扩展云更加方便。

云可伸缩性的关键部分是建立和运行云，并因此进行扩展所需的时间价值，以及降低运营成本。为此，需要一个集成了配置管理系统的自动化部署和配置基础结构。许多开源工具可用于安装，管理和运行OpenStack云。

Chef是一个自动化框架，无论基础结构如何，它都可以轻松地将服务器和应用程序设置到任何实际，虚拟或云中。Chef是仅专注于其开发者用户群的产品。

它使用Ruby作为一种编程语言，并包含一个可搜索的门户，可以在其中获取社区贡献的技术。Chef自动执行管理配置，以确保正确且一致地配置系统。

Chef具有基于代理的架构，该架构在由中央主代理领导的情况下涉及每个VM或服务器实例上的客户端。Chef还以大量cookbook和文档形式获得广泛支持。它的一些功能包括：

Ansible是基础结构自动化工具，它支持配置系统，部署软件以及设置更高级的IT密集型任务，例如在安装更新时保持一致的部署和零停机时间。Ansible OpenStack模块可用于管理各种云 *** 作。

Ansible不仅仅是简单的部署。Ansible的主要目标是简单和易用。它进一步着重于安全性和可靠性。Ansible提供了用于设置和管理OpenStack的强大工具-可以配置，配置和部署应用程序，并且可以在云之上运行。

它基于简单的无代理架构，因此无需在安装前配置VM或工作站。Ansible通常可以通过命令行与他们合作。它的一些功能包括：

Fuel是系统管理员基于GUI的工具，用于设置和管理OpenStack云。Fuel是OpenStack的上游项目，专注于自动化OpenStack和一系列第三方选项的部署和测试。

Fuel自动检测从网格连接的所有虚拟节点。它由几个单独的组件组成。某些组件也可以与Fuel分开单独使用，而无需进行任何修改，而某些组件的调整很少。以下是其一些功能。

Puppet可以在整个生命周期内计划，升级和管理节点。所有模块和配置均使用基于Ruby或Ruby本身的特定于Puppet的语言来制作，因此，将需要编程专家来扩展系统管理技能。它涉及Web UI和报告工具。

Puppet Enterprise允许使用主服务器上存在的预构建模块对节点进行实时管理。报告工具得到了全面的开发，提供了有关代理如何执行以及进行了哪些更改的深入详细信息。它的一些功能包括：

Compass用于OpenStack的自动化部署和管理。它降低了复杂性，并控制了数据中心服务器管理中的各种错误。它支持从裸机金属节点引导与任何云平台相关的服务器池。

Compass可协助系统管理员确定硬件，部署 *** 作系统和管理程序，并提供全面的配置管理。其他一些功能如下。

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