Fluent 2020流体计算从入门到精通(升级版)
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3.2 Fluent的软件结构

Fluent的软件结构主要包括前处理器、求解器和后处理器三部分。

1.前处理器

前处理器主要用于建立所要计算的几何模型和网格划分。在Fluent的早期版本中,通常使用GAMBIT软件来完成几何模型的建立和网格划分。

在Fluent软件整合进ANSYS软件包之后,可以通过ANSYS软件包中的Design Modeler来建立几何模型,通过Meshing软件或者ICEM CFD软件来进行网格划分。

在最新版本的Fluent中,已经集成了Meshing功能,可以利用Meshing模式划分高质量的非结构网格。

2.求解器

求解器是Fluent软件模拟计算的核心程序。一旦网格被读入Fluent,剩下的任务就是使用解算器进行计算,其中包括边界条件的设定、流体物性的设定、解的执行、网格的优化等。

3.后处理器

Fluent软件带有功能强大的后处理功能,同时还可借助于ANSYS软件包中的CFD-Post软件进行专业化的后处理。

3.2.1 Fluent启动

启动Fluent程序,有直接启动和在Workbench中启动两种方式。

1.直接启动

(1)在Windows系统中,单击“开始”→“所有程序”→ANSYS 2020→Fluent 2020命令,便可启动Fluent,进入软件主界面。

(2)在Linux系统中,在终端窗口中输入“/usr/ansys_inc/v2020/Fluent/ntbin/ntx86/ Fluent.exe”后按【Enter】键,则可启动Fluent。

2.在Workbench中启动

在Workbench中启动Fluent,首先需要运行Workbench程序,然后导入Fluent模块,进入程序,步骤如下。

(1)在Windows系统中,单击“开始”→“所有程序”→ANSYS 2020→Workbench命令,启动ANSYS Workbench,进入如图3-1所示的主界面。

(2)双击主界面Toolbox(工具箱)中的Component Systems→Fluent选项,即可在项目管理区创建分析项目A,如图3-2所示。

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图3-1 Workbench主界面

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图3-2 创建分析项目A

(3)双击分析项目A中的Setup,将直接进入Fluent。Fluent启动后,弹出Fluent Launcher对话框,如图3-3所示。

(4)通过对话框可以设置计算问题是二维问题(2D)或者三维问题(3D)、设置计算的精度(单精度或者双精度)、设置计算过程是串行计算或是并行计算、设置项目打开后是否直接显示网格等功能。

勾选Meshing Mode复选框可以进入Fluent的网格划分模式。

提示

Meshing Mode只有在3D模型下才可选,因为Fluent整合的Meshing功能只能划分三维网格。

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图3-3 Fluent Launcher对话框

3.2.2 Fluent用户界面

Fluent用户界面用于定义并求解问题,包括导入网格、设置求解条件及进行求解计算等。

Fluent可以导入的网格类型较多,包括ANSYS Meshing生成的网格、CFX网格工具生成的网格、CFX后处理中包含的网格信息、ICEM CFD生成的网格、GAMBIT生成的网格等。

Fluent中内置了大量的材料数据库,包括各种常用的流体、固体材料,如水、空气、铁、铝等。用户可以直接使用这些材料定义求解问题,也可以在这些材料的基础上进行修改或创建一种新材料。

Fluent中可以设置的求解条件很多,包括定常/非定常问题、求解域、边界条件和求解参数。

Fluent界面如图3-4所示,界面大致分为以下区域:

(1)主菜单:Fluent遵循了常规软件的主菜单方式,其中包含了软件的全部功能。

(2)工具栏:包括打开、保存、视图显示等操作功能。

(3)模型设置区:包括Fluent计算分析的全部内容,包括网格、求解域、边界条件后处理显示等。

(4)设置选项卡:在模型设置区某一功能被选中后,设置选项卡将用来对这一功能进行详细设置。

(5)右半部分分为上下两个区域,上面是图形区,以图形方式直观显示模型;下面是文本信息区。

提示

Fluent默认的图形显示界面通常是黑色或者渐变的浅蓝色背景,通过以下步骤可改变Fluent图形显示界面的背景颜色。

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图3-4 Fluent界面

①如图3-5所示,在Files功能卡中单击Preferences选项,弹出如图3-6所示的Display Options(显示设置)对话框。

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图3-5 File选项

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图3-6 Preferences对话框

②在Preferences对话框中,将Graphics Color Theme改为White。

③保存设置,则将图形区的背景颜色改为白色。

3.2.3 Fluent文件的读入与输出

Fluent除可以读入、输出必要的网格文件、算例文件和进程文件外,还保存了与其他软件的接口,这些软件包括CFX、ABAQUS、NASTRAN、Fluent等,同时还有与I-DEAS和ANSYS的接口。所有的读入与输出操作均可以在File 菜单中完成,本小节将逐项进行介绍。

3.2.3.1 读取网格文件

Mesh文件是包含各个网格点坐标值和网格连接信息,以及各分块网格类型和节点数量等信息的文件。在Fluent中,网格文件是算例文件的一个子集,因此在读取网格文件时可以用File→Read→Mesh菜单来操作。

打开菜单并读入网格文件。这些网格文件的格式必须是Fluent软件内定的格式,可以用来生成Fluent内定格式网格的网格软件有GAMBIT、TGrid和ICEM CFD。

除使用Fluent内定格式的网格文件外,Fluent还可以输入其他格式的网格文件。

输入其他格式文件的菜单操作是File→Import。

主要的格式文件包括GAMBIT、I-DEAS、NASTRAN、PATRAN、CGNS等。

3.2.3.2 读写算例文件和数据文件

在Fluent中,与数值模拟过程相关的信息保存在算例文件和数据文件中。在保存文件时,可以选择将文件保存为二进制格式或纯文本格式。二进制文件的优点是占用系统资源少,运行速度快。Fluent在读取文件时可以自动识别文件格式。Fluent还可以根据计算开始前的设置,在间隔一定的迭代步数时自动保存文件。

1.读/写算例文件

如前所述,算例文件中包含了网格信息、边界条件、用户界面、图形环境等信息,其扩展名为.cas,其读入操作可以单击File→Read→Case命令,打开文件选择窗口,即可读入所需的算例文件。

与此相类似,单击File→Write→Case命令,打开文件选择窗口,即可保存算例文件。

2.读/写数据文件

数据文件记录了流场的所有数据信息,包括每个流场参数在各网格单元内的值及残差的值,其扩展名为.dat。

数据文件的保存过程与算例文件类似,单击File→Read→Data命令,打开文件选择窗口,可读入数据文件;单击File→Write→Data命令,可以保存数据文件。

3.同时读/写算例文件和数据文件

算例文件和数据文件包含了与计算相关的所有信息,因此使用这两种文件即可开始新的计算。在Fluent中,可以同时读入这两种文件,单击File→Read→Case&Data命令,打开文件选择窗口,然后选择相关的算例文件完成读入工作,Fluent 会自动将与算例有关的数据文件一并读入。

单击File→Write→Case&Data命令,打开文件选择窗口,然后单击Save(保存)按钮,即可将与当前计算相关的算例文件和数据文件同时保存在相应的目录中。

4.自动保存算例和数据文件

在Fluent中,还可以使用自动保存功能以减少人工操作。使用这项功能,可以设定文件保存频率,即每隔一定的迭代步数就自动保存算例和数据文件。单击File→Write→Autosave命令,弹出Autosave(自动保存)对话框,如图3-7所示。可以分别设定算例文件和数据文件的保存间隔。在系统默认设置中,文件保存间隔为0,即不做自动保存。

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图3-7 Autosave对话框

在File Name文本框中可以为需要保存的文件命名,如果在命名过程中未使用扩展名,则系统会自动为所保存的算例文件和数据文件分别添加.cas和.dat。

提示

如果在命名过程中使用.gz或.z的后缀,则系统会用相应的压缩方式保存算例文件和数据文件。这里.gz和.z是Fluent中的压缩文件格式。

3.2.3.3 创建与读取进程文件

进程文件(Journal File)是Fluent的一个命令集合,其内容用Scheme 语言写成。可以通过两个途径创建进程文件:一个是在用户进入图形用户界面后,系统自动记录用户的操作和命令输入,自动生成进程文件;另一个是用户使用文本编辑器直接用Scheme 语言创建进程文件,其工作过程与用FORTRAN 语言编程类似。

进程文件中可以使用注释语句,Scheme 语言用分号“;”作为注释语句的标志。在一行语句前面使用分号“;”,则表明该行为注释行,用户可以在注释行中为进程文件添加说明信息,也可以锁定一些无用的命令行。

使用进程文件可以重复过去的操作,包括恢复图形界面环境和重复过去的参数设置等。形象地说,使用进程文件就是重播用户曾经进行的操作,这个重播过程中包含了用户曾经进行过的各种有用和无用的操作过程。因此其使用效率比下面将介绍的描述文件要低。

单击File→Write→Start Journal命令,系统即开始记录进程文件。此时原来的Start Journal(开始进程)菜单变为Stop Journal(终止进程),如单击Stop Journal(终止进程)菜单,则记录过程停止。

单击File→Read→Journal命令,打开选择文件窗口,选择要打开的进程文件,然后单击OK 按钮即可打开进程文件。

3.2.3.4 创建记录文件

与进程文件类似,记录文件(Transcript File)也是用Scheme 语言写成的,可以记录用户的所有键盘输入和菜单输入动作,不同的是,记录文件不能被读入进行重播操作。记录文件只是为计算做一个完整的操作记录,以便在程序出错时可以回过头来进行检查。

录制进程文件菜单的下方就是录制记录文件的菜单,其录制和停止过程也与进程文件的类似。

单击File→Write→Start Transcript命令,即开始录制记录文件。

单击File→Write→Stop Transcript命令,则停止录制过程。

3.2.3.5 读/写边界函数分布文件

边界函数分布文件(Profile File)用于定义计算边界上的流场条件,例如可以用边界函数分布文件定义管道入口处的速度分布。边界函数分布文件的读/写操作如下。

(1)单击File→Read→Profile命令,打开文件选择窗口,然后选择文件,即可读入边界函数分布文件。

(2)单击File→Write→Profile命令,打开Write Profile对话框,如图3-8所示,选择创建新的边界文件还是覆盖原有文件,同时在Surface(表面)中选择要定义的边界区域,再在Value(值)中选择要指定的流场参数,单击Write(写)按钮即可生成边界函数分布文件。

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图3-8 Write Profile(写边界函数分布)面板

边界函数分布文件既可以用在原来的算例中,也可以用在新的算例中。例如,在管道计算中,用户为出口定义了速度分布,并将它保存在一个边界函数分布文件中。在计算另一个新的算例时,用户可以读入这个文件作为新的管道计算的出口条件。

3.2.3.6 保存图像文件

图形显示窗口显示的图像可以用很多种方式和文件格式进行保存。保存操作可以用Fluent软件内部工具进行保存,也可以使用第三方图形软件保存屏幕显示的图像。

Fluent内部有一个Save Picture(保存图形)对话框,在保存图像文件前,可以使用这个对话框对图像文件的保存格式、颜色方案等进行设置,如图3-9所示。

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图3-9 Save Picture(保存图形)对话框

通过该对话框可以选择图像文件格式、颜色方案、文件类型、分辨率和方向,还可预览图像文件。图像文件格式的差别不大,可以根据需要进行选择。颜色方案是选择将文件保存为彩色图像、灰度图像或单色图像。文件类型可以为光栅格式和矢量格式,其区别是光栅格式的文件读/写速度较快,但是图像质量较差;矢量格式读写速度慢但是图像质量高。

在设置完成后,单击Preview(预览)按钮检查图像是否满足需要,如果与预想的效果相去甚远,则可重新调整上述几项参数设置;如果对预览结果满意,则可单击Save(保存)按钮保存图像。如果想了解参数的含义,可以单击Help(帮助)按钮获得在线帮助信息。

3.2.3.7 读入Scheme 源文件

Scheme语言的源文件可以用三种方式读入,第一种是在菜单中作为Scheme文件读入,第二种是在菜单中作为进程文件读入,第三种是用Scheme语言的函数命令读入。

如果Scheme 文件比较大,可以通过File→Read→Scheme命令读入。

或者使用如下函数命令读入:

>(load “file.scm”)

小的Scheme 文件可以用File→Read→Journal命令读入。

或者用命令file/read-journal读入,还可以用“.”或source命令读入,例如:

>.file.scm

>source file.scm