Ansys Fluent 流体仿真简单入门

这里是Dingding的RM飞镖🎯学习笔记：

前言

由于我也只是学习摸索阶段，并没有系统学过流体力学和空气动力学，能教给大家的也就是我能学到的一些经验和成功的例子，仅供参考。且我在学习的途中发现，学习fluent的过程应该以例子为导向，也就是你要进行某项仿真，先去搜索对应的例子，如果没有一模一样的那就只能找类似的，跟着去做，在做的过程中可以多找视频，有些视频中会有解说，一些会没有，但都有借鉴意义。不要一上来就去理论学习，一是学习成本高，二是没有必要，对最终的结果我不太懂理论也能达到不错的效果（在评论区的一些佬也这么认为）。尤其是如果真的一些名词不明白，可以直接搜索或是GPT，好用。然后再最后我会把源文件压缩包放到最后。好了，书归正传，开始仿真之旅。

一、软件下载

首先，在软件下载方面，建议直接在网上找人购买下载，且这个软件大小在20G左右，一次正常仿真的文件就在1G左右，较为吃电脑性能和储存（但可通过不进行过于细致的加密或计算减少此方面的不利影响），如果不想购买下载那就在b站上找资源和教程也可以，但会麻烦。

二、软件界面及简介

ANSYS Fluent 的特点与功能

1. 求解器功能强大

• 多物理场耦合：Fluent 支持多物理场的耦合模拟，包括流体流动、热传导、传热、湍流、化学反应、辐射等现象。
• 稳态与瞬态分析：可以进行稳态和瞬态分析，适用于不同时间尺度的流体模拟。
• 多流体模型：支持多种流体模型，如不可压缩流、可压缩流、高速流（马赫数大于0.3的流体），涵盖亚音速、超音速及高超音速流动。

2. 物理模型广泛

• 湍流模型：支持多种湍流模型，如 k−ϵ 模型、k−ω 模型、LES（大涡模拟）和 RANS（雷诺平均方程）模型，能够准确捕捉流体中的湍流特征。
• 传热模型：包括导热、对流和辐射传热模型，适合复杂的热力学分析。
• 多相流模型：能够模拟液体、气体、固体之间的相互作用，如液滴、泡沫、气泡、颗粒的流动。
• 化学反应与燃烧：可以模拟化学反应、燃烧现象，适用于燃烧设备、发动机、锅炉等工业应用。
• 运动边界条件：支持运动边界条件，适用于旋转设备（如涡轮机、风扇）、移动物体和变形几何体的流体分析。

3. 用户界面友好

• 直观界面：Fluent 的用户界面直观且功能丰富，用户可以通过图形化界面轻松设置模型、定义边界条件、选择物理模型并进行求解。
• 脚本支持：支持脚本编写（如使用 Scheme 脚本）来自动化仿真过程，适用于需要批处理或重复计算的任务。

4. 前处理和网格划分

• 前处理工具：集成了强大的前处理工具，包括 ANSYS Meshing，用于生成高质量的计算网格。支持结构化网格、非结构化网格、混合网格以及适应性网格划分（AMR），能处理复杂几何形状。
• 动态调整网格：可以根据流场的局部变化，动态调整网格大小，从而提高计算精度和效率。

5. 后处理功能

• 丰富的后处理功能：包括二维和三维结果可视化、流线图、等值线图、矢量图、粒子轨迹等。用户可以分析速度场、压力场、温度分布、湍流强度等关键数据。
• 数据导出：支持导出数据用于进一步的处理和分析，或者将结果与实验数据进行对比。

6. 并行计算

• 并行计算支持：能够充分利用多核处理器和集群计算资源，显著加快大规模仿真的计算速度。
• 分布式计算和共享内存架构：适用于复杂的工业级问题求解。

7. 广泛应用领域

• 航空航天：用于模拟飞行器的空气动力学、推进系统的流动分析、外部流场和内部流道的流体动力学。
• 汽车工业：包括车辆外部气动性能模拟、冷却系统、空调系统、发动机燃烧优化等。
• 能源领域：如风力涡轮机的空气动力学优化、太阳能热力设备的传热分析、锅炉和燃烧装置的模拟。
• 建筑环境：HVAC系统、风环境模拟、建筑物通风、气流分布等。
• 化工及过程工业：流体混合器、反应器、传质传热设备的模拟和优化。

Fluent 的优势

• 强大的求解能力：提供了丰富的物理模型和求解器，能够精确处理复杂的流体现象，如湍流、传热、化学反应等。
• 高效的并行计算：能够快速处理大规模的工业问题。
• 直观的用户界面：易于上手的图形化操作界面，同时也支持自动化脚本处理。
• 可靠的仿真结果：已被大量科研机构和工业应用验证，其结果高度可靠和准确。

Fluent 的劣势

• 学习曲线较陡：对于新手而言，由于其功能过于强大，物理模型复杂，初期可能需要一定的时间来学习和掌握。
• 硬件要求高：由于其需要处理大量的数据和复杂的计算，尤其是并行计算，对计算资源的需求较高。

软件界面

我的版本是 2022R1，版本不同不会影响过多，界面基本内容大差不差。因为里面会有一些三维视图的变换以及操作，大家慢慢熟悉就行，不是特别麻烦。

我一直用的这个，像前面他们都大差不差。
直接拖拽就行。
不要忘记加入一个几何结构，也就是模型（一般咱们都是从外部导入，没有必要去多学一种建模方法），他们之间可以通过拖拽的方式链接（通用方法）

正式教学

第零步（预处理）：

导入模型，在DesignModeler中编辑几何结构，画出加密区，设置场的模型等。
导入模型

• 我这里画了一个大概的镖体，大家可以自取
  [Part1.stp]

打开DesignModeler

• DesignModeler界面，注意到现在没有模型，而且还会出现一个闪电⚡的图标，这个图标代表现在处于未更新状态，也就是指在每一步操作后需要点击⚡生成，相当于更新了状态。
  

• 我这里忘记了一步，给整个模型的边缘面命名，补了个视频，问题不大
  [QQ20241023-223933.mp4]
  绘制场

• 操作习惯大家慢慢熟悉，个人觉得还是比较好上手的，深蓝色是完全约束。
  [QQ20241023-2484.mp4]
  这里不要忘记改成冻结，添加冻结（Frozen Option / Frozen Region）通常是指在求解过程中将某个部分或区域的物理状态“冻结”，即不参与流动计算或热传导计算，保持该部分的状态恒定不变。因为是不动的场，所以改成冻结

• 改名字，为了方便在后面与各个边界相对应

Boolean操作（布尔运算）：

• 将场中除飞镖部分分开，便于以后分析
  [QQ20241023-3559.mp4]
  切割、抑制：
• 因为飞镖和场对称，所以分成一半进行分析，方便后续计算，不用的一边抑制一下
  [QQ20241023-31247.mp4]

顺便改个名

• 给一些面命名，为了后续设置边界条件
  [QQ20241023-35113.mp4]
  做完直接关闭即可
  以上就是基本的预处理，其实对于正常的分析最好是加上加密的预处理，但由于是入门教学，暂时不在这里进行讲解（我把所有的网格给密一点就可以了doge）

第一步：

网络——划分网络，是计算流体力学（CFD）仿真中的关键步骤之一。在仿真中，网格将几何模型分割为许多小的单元，使数值方法能够在这些单元上求解控制方程。通过网格划分，可以将复杂的物理空间转换为计算机能够处理的离散空间。
打开并设置

• 对网络进行编辑——打开Fluent，每次启动之前会有这个Fluent Launcher，对计算进行预设，咱们一般开一个双精度，然后下面两个一般给4就行，但需要看你们的电脑配置，我在这里给的8（这里给大家一个惨痛的教训，给大家录视频和gif的时候用的是8，但结果是由于占用cpu量过多32G的运存直接拉满了，最后就是直接强制关机重新做了，在视频和gif的一些数据可以以后面附带的图片数据为准，之前的可能太密了）

1. Meshing Processes（网格生成进程数）：
   • 这个选项表示用于网格生成的进程数。如果你的系统有多个CPU核心或处理器，你可以增加这个数值以加快网格生成速度。通常推荐将该值设置为你的CPU核心数的一部分，以确保计算性能和稳定性之间的平衡。
   • 建议：如果你的系统有4核或8核CPU，可以尝试设置为2-4个进程；如果是16核或以上的高性能系统，可以进一步增加这个数值。避免将其设置得过高以免影响系统稳定性。
2. Solver Processes（求解进程数）：
   • 这个选项决定求解过程使用的并行进程数。更多的求解进程可以显著提高仿真速度，尤其是对于大型或复杂的模型。
   • 建议：同样的，你可以根据系统的核心数设置，通常为4核设置3-4个进程，8核设置4-6个进程，视硬件能力而定。确保不超过系统物理核心数（逻辑核心或超线程可视需求而定）。
     因此，基于图中示例的情况，你已经将这两个选项都设置为4个进程，这在4核或8核的系统上是较为合理的设置。如果你有更多的CPU核心或高性能计算能力，可以适当增加进程数。

• 左侧一栏就是咱们要一步一步进行的流程

导入模型+添加局部尺寸
[QQ20241023-224458.mp4]

生成面网络

• 注意，我这里给的数都很小，计算时也会花更多时间，你们可以比原来数据大一半就可以
  改进表面网络
• 最后的系数最好小于0.7，加一步改进网络

更新边界

• 这步不用改，点是否触发质量改进就行

添加边界层

• 2改成3

生成体网络

• 不用改，直接生成就行，接下来就需要算一会

改进体网络

• 体网络质量最好大于0.1，这个给0.11就行

第二步：

设置——设置（Setup）阶段是非常关键的一步，它决定了仿真的物理模型、边界条件、初始条件和求解方法等。设置阶段确保仿真反映真实物理现象，并能够通过求解得到准确的结果。
打开CFD Solver

• 这里不用管，直接start就行

• 界面是这样的

• 先看看咱们上一步生成的体网络，还是很漂亮的

调整求解类型为密度基，添加重力加速度

• 注：每次由于模型不同，坐标系也不同看好哪个方向是重力方向，要不就白做了

添加能量方程，其他不用管

添加空气，设置为理想气体

设置边界条件

• 对压力远场，其实就是设置风的作用效果，飞镖的出膛速度大约在20m/秒左右，这里给的0.06马赫，方向不要给错，相当于风的流向方向，大家一定要看好坐标轴，加“-”号。由于咱们属于低速飞行，湍流强度给低一点，这样也不容易出现velocity magnitude（速度大小）几乎一致的情况