摘要:本文主要介紹Fluent軟件的組成結(jié)構(gòu)、功能等，F(xiàn)luent軟件是流體軟件中通用性比較強的商業(yè)軟件，它具有計算方便、省時省力、模擬效果較好可以和試驗相互驗證等優(yōu)點，在水利方面得到廣泛應用。

關(guān)鍵詞:Fluent軟件;計算流體力學;數(shù)字模擬

中圖分類號:TV222.2 文獻標識碼:A 文章編號:1000-8136(2009)33-0020-02

流體力學是一門研究流體流動規(guī)律以及流體與固體相互作用的一門學科，研究的范圍在水里中包括發(fā)動力內(nèi)氣體的流動，水里機械的工作原理，供水系統(tǒng)的設(shè)計，乃至航海航空和航天等領(lǐng)域內(nèi)動力系統(tǒng)和外形設(shè)計等等。自從牛頓定律公布以來知道20世紀70年代初，研究流體運動規(guī)律的主要方法有3種:實驗研究、理論分析方法和計算流體力學即數(shù)字模擬。但是實驗研究耗費巨大，耗時耗力，而理論分析方法對于較復雜的非線性流動現(xiàn)象海域?qū)憻o能為力，數(shù)字模擬需要很長的時間學習掌握微分方程求解以及對計算流體力學進行深入研究才能運用，由此，計算準確、界面有好、使用方便簡單、能解決問題的商業(yè)計算軟件應運而生。其中Fluent軟件是通用性較強的軟件，是用于計算流體流動和傳熱問題的程序[1，3]。

1Fluent軟件介紹

Fluent軟件是由美國Fluent公司推出的CFD(Comput ational Fluid Dynamics，即計算流體動力學)軟件之一，在美國的市場占有率已高達60%，與流體、熱傳遞及化學反應有關(guān)的工業(yè)均可使用，由于囊括了Fluent Dynamic International比利時Polyflow和Fluent Dynamic International(FDI)的全部技術(shù)力量，因此Fluent軟件能推出多種優(yōu)化的物理模型、先進的數(shù)值方法以及強大的前后處理工具。Fluent軟件基于有限元體積法，其思想實際上就是做很多模塊，這樣只要判斷是哪一種流場和邊界就可以拿已有的模型來計算。主要用于模擬和分析在復雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動與熱交換，可用于二維平面、二維軸對稱和三維流動的分析，定常與非定常流動的分析，不可壓縮流和可壓縮流的計算，傳熱和熱混合的分析，化學組分混合和反應的分析，多相流的分析，固體與流體耦合的傳熱分析，多孔介質(zhì)的分析等。對每一種物理問題的流動特點，有適合它的數(shù)值解法，用戶可對顯式或隱式差分格式進行選擇，以期在計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達到最佳。Fluent軟件是用C語言編寫的，因此具有很大的靈活性與能力，可以完成內(nèi)存動態(tài)的分配，解的靈活控制。Fluent的作用主要體現(xiàn)在縮短設(shè)計過程，減少實驗室測定試驗的數(shù)目，減少產(chǎn)品開發(fā)成本，也即為CFD的作用所在。

在Fluent5.0中，采用Gambit的專用前處理軟件，使網(wǎng)格可以有多種形狀。Gambit軟件是Fluent公司提供的前處理器軟件，它包含功能較強的幾何建模能力和強大的網(wǎng)格劃分工具，可以劃分出包含邊界層等CFD特殊要求的高質(zhì)量網(wǎng)格。Gambit的功能主要包括3個方面:構(gòu)造幾何模型、劃分網(wǎng)格和指定邊界，其中網(wǎng)格劃分是其最主要的功能，最終會生成包含邊界信息的網(wǎng)格文件。另外，Gambit還提供了非常靈活的網(wǎng)格特性，用戶可以方便地使用結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對各種復雜區(qū)域進行網(wǎng)格劃分。對于二維問題，可生成三角形單元網(wǎng)格和四邊形單元網(wǎng)格;對于三維問題，可生成四面體、六面體、棱錐、楔形體及混合網(wǎng)格，還允許用戶根據(jù)求解規(guī)模、精度及效率等因素，對網(wǎng)格進行整體或局部的細化或粗化，或生成不連續(xù)網(wǎng)格、可變網(wǎng)格和滑動網(wǎng)格。使用Gambit軟件，將可大大縮短用戶在CFD應用過程中建立幾何模型和流場以及劃分網(wǎng)格所需要的時間。Fluent劃分網(wǎng)格的途徑有兩種:一種是用Fluent提供的專用網(wǎng)格軟件Gambit進行網(wǎng)格劃分，另一種則是由其他的CAD 軟件完成造型工作，再導入Gambit中生成網(wǎng)格。還可以用其他網(wǎng)格生成軟件生成與Fluent兼容的網(wǎng)格用于Fluent計算。可以用于造型工作的CAD軟件包括I-DEAS、Pro/E、SolidWorks、Solidedge等。除了Gambit外，可以生成Fluent網(wǎng)格的網(wǎng)格軟件還有ICEMCFD、GridGen等等。網(wǎng)格劃分完成后保存*.dbs文件和輸出*.msh文件。Fluent還可以根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格，這種網(wǎng)格的自適應能力對于精確求解又較大的梯度的流場很有實際的作用。由于網(wǎng)格自適應和調(diào)整只是需要加密的流動區(qū)域里實施，而非整個流場。因此可以節(jié)約計算時間。

Fluent求解器是Fluent的核心部分。在研究流體問題時，可以免去人工對N-S方程求解這一步，而將精力主要集中在所要研究方向上。減少了研究者在計算方法、編程、前后處理等方面投入的重復、低效的勞動，將更多的精力和時間投入到考慮問題的物理本質(zhì)、優(yōu)化算法選用、參數(shù)的設(shè)定以及初始邊條件對最終流態(tài)影響的研究上。因而提高了工作效率，對問題的研究的深度廣度都可以得到一定的提高。

例如，文獻Lee J.H，Chen C.Q.Numerical simulation of line Puff via RNG k-e.model [J].Communication of nonlinear science and numerical simulation，1996，和Schulze.Simulation of flows past a series 60 ship hull applying a RNG k-e turbulence model on an unstructured grid[A].7th ISCFD[C].Beijing，China研究中的科學計算都是用的Fluent軟件完成的。

Fluent或Tecplot是Fluent軟件后處理器。后處理的功能包括:計算域的幾何模型及網(wǎng)格顯示、矢量圖(如速度矢量圖)、等值線圖、填充型的等值線圖(云圖)、XY散點圖、粒子軌跡圖、圖像處理功能(縮小、放大、旋轉(zhuǎn)等)、借助后處理功能，還可以動態(tài)模型流動效果，直觀地了解CFD的計算結(jié)果[1，2，7]。

2Fluent在水利工程中的應用發(fā)展

Fluent軟件應用于水利水電工程，近兩年來才有了長足的進展，但它必將成為研究和分析工程水力學問題的重要工具。

2.1在水工方面的應用

西北勘測設(shè)計研究院工程科研實驗分院巨江等通過Fluent軟件模擬了泄水建筑物溢洪道、泄洪閘工程泄洪時的泄流能力曲線、壁面壓力分布、沿程水面線及流速分布，其結(jié)果與模型試驗資料吻合良好。他們以積石峽溢洪道為工程算例，計算模擬了溢洪道的泄流能力曲線;計算獲得了溢洪道內(nèi)任意點的壓力，試驗僅測量了底板中線上的壓力，將計算的堰面、泄槽底板以及挑流鼻坎上的壓力分布與試驗資料進行對比，發(fā)現(xiàn)計算的最大、最小壓力及其位置與試驗資料吻合良好;計算溢洪道泄槽水面線，并且與試驗相比;還計算模擬不同斷面垂線流速分布，并與試驗相比較。從比較結(jié)果中可以看出，計算模擬值與試驗值吻合良好。[4]

西安理工大學水利水電學院陳沖、魏文禮連同西安普邁項目管理有限公司嚴建軍應用Fluent軟件對閘后水躍強紊流區(qū)流速場進行了數(shù)值模擬，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果進行比較，表明它具有可行性與實用性。他們采用標準k～ε湍流模型封閉Reynolds方程作為紊流控制方程組，用幾何重構(gòu)VOF法追蹤自由表面，用PISO算法計算流場，定義入口為速度進口;空氣入口為壓力進口;出口為壓力出口，認為下游出口處紊流已經(jīng)發(fā)展的很充分，服從靜壓分布。得到了閘后某斷面沿水深方向的計算值和實驗值對比圖，從中可以看出計算值和實驗值比較吻合，從而得出Fluent軟件能很好的模擬紊流流動。[5]

2.2在節(jié)水灌溉方面的應用

華中科技大學材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室聶磊、史玉升、魏青松、蘆剛和水資源與水電工程技術(shù)國家重點實驗室武漢大學董文楚采用通用流體模擬軟件Fluent軟件所提供的5種不同的湍流模型:標準k-ε模型、RNG k-ε模型、Real2izable k-ε模型、標準k-ω模型、SST k-ω模型，對滴灌灌水器微流道內(nèi)流場水流流動進行了數(shù)值模擬。通過對比模擬得出的灌水器的流量與實驗室試驗的結(jié)果，評價了不同的湍流模型對不同類型灌水器內(nèi)流場流量模擬效果的影響，為灌水器內(nèi)流場的理論分析以及灌水器流道結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計提供了一定的參考依據(jù)。[6]

3小結(jié)

Fluent軟件在我國已經(jīng)獲得較好的應用。優(yōu)點之一是應用于水流的計算機模擬，能取得和實驗很接近的結(jié)果，并且有計算快速、簡捷、方便的優(yōu)點。它不僅能給出反映水流運動總體特性的各項運動參數(shù)，如流速、壓強等，而且可以方便地計算出各項水流參數(shù)的全場分布，能給出相關(guān)流場的具體信息。Fluent軟件另一個主要優(yōu)點就是它的后處理功能，它能清晰的顯示不同計算時刻、不同位置斷面處的水流運動參數(shù)。由于其減少了研究者在計算方法、編程、前后處理等方面投入的重復、低效的勞動，將更多的精力和時間投入到考慮問題的物理本質(zhì)，優(yōu)化算法選用，參數(shù)的設(shè)定，因而提高了工作效率，其必然會獲得越來越多的應用，應用效果也必將越來越好。同時數(shù)值模擬可以提供更多的流場信息，與模型試驗具有相輔相成的作用。但是對于模擬不規(guī)則邊界的水流流動情況，還需要對Fluent 進行二次開發(fā)。

參考文獻

1 韓占忠、王 敬、蘭小平.Fluent流體工程仿真計算實例與應用.北京:北京理工大學出版社，2008

2 王瑞金、張 凱、王 剛.Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應用實例.北京:清華大學出版社，2007

3 王福軍.計算流體動力學分析.北京:清華大學出版社，2004

4 巨 江、劉少斌、楊曉池.Fluent軟件在泄水工程中的應用.水力發(fā)電學報，2009.28(2)

5 聶 磊、史玉升、魏青松、蘆 剛、董文楚.基于灌水器流量的湍流模型適應性研究.節(jié)水灌溉，2008(1)

6 陳 沖、魏文禮、嚴建軍.基于Fluent軟件的閘后水躍二維數(shù)值模擬.黑龍江水專學報，2008.35(4)

7 劉 霞、葛新鋒.Fluent軟件及其在我國的應用.能源研究與利用，2003(2):36～38

Fluent Software And Application Develops

In the Field of the Water Conservancy

Sheng Xiaoyan，Ma Ruiqun，Liu Hua，Liu Jianhai

Abstract: This paper describes composition and function of the Fluent software. Fluent software in the fluid software is interoperability relatively strong of commercial software， it has computing convenient， saves time and effort， simulation and testing of better-performing mutual authentication can be， etc. are widely used in water conservancy.

Key words: Fluent software; Computational Fluid Dynamics; Numerical simulation