yangshufeng@
1
1.1 概念
三者的比较：
优点 物理现象和测试结果可靠 实验
(1) 物理概念清晰 (2) 物理规律能公式化 理论 (3) 物理规律简介
缺点
(1) 设备要求高，设计制造周期长 (2) 真实模拟物理问题困难 (3) 测试仪器调试复杂 (4) 只能得到有限的实验数据 (5) 实验经费庞大
University of Science and Technology Beijing
检验 是 实验研究
yangshufeng@
1
1.1 概念
• 目前在工程领域内常用的数值模拟方法和软件有：
– 有限差分法 – 有限元法 – 有限体积法
University of Science and Technology Beijing
计算模型
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@
2
2.1 Fluent模拟气泡的破碎和凝聚
计算之后可以观察气泡粒径分布云图等，如图左所示为气泡 粒径分布。也可以查看整个计算域空间不同粒径气泡数量直方图 分布（右图）。
粒径分布
University of Science and Technology Beijing
不同粒径气泡数量分布
yangshufeng@
2
2.2 Fluent模拟晃动
实现原理有两个关键： （1）运动加载 （2）VOF模型。 这一个极其简化的模型，完 全封闭，二维。 1、运动的加载。 利用UDF来实现，采用 DEFINE_TRANSIENT_PROFILE 宏来设置区域整体运动。 2、选择模型 选择VOF模型，设置空气为 主相，水为第二相。
University of Science and Technology Beijing
计算结果
yangshufeng@
2
2.4 隧道排放产生CO的扩散
本例模拟的是产生的CO气体在隧道中排放后，CO气体的扩散 情况。
模拟结果
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@
1
1.1 概念
• 目前在工程领域内常用的数值模拟方法和软件有：
– 有限体积法(Finite Volume Method, FVM)
将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格 点周围有一个控制体积；将待解的微分 方程对每一个控制体积积 分，便得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量 的 数值。为了求出控制体积的积分，必须假定 值在网格点之间的变 化规律，即假设 值 的分段的分布的分布剖面。
1
1.1 概念
数值模拟概念： 数值模拟也叫计算机模拟。依靠电子计算机，结合有限元或有限容积 等方法，通过数值计算和图像显示，达到对工程问题和物理问题乃至自 然界各类问题研究的目的。 研究工程问题常用方法：
实验测试 理论分析
数值模拟
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@
1
1.4 Fluent软件的基本功能
多运动坐标系下的流动问题 化学组分混合与反应 可以处理热量、质量、动量和化学组分的源项 用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相（颗粒、水滴、气泡等） 多孔介质流动 一维风扇、热交换器性能计算 两相流问题 复杂表面形状下的自由面流动
1
1.4 Flห้องสมุดไป่ตู้ent软件的基本功能
可压缩与不可压缩流动问题 稳态和瞬态流动问题 无粘流、层流及湍流问题 牛顿流体及非牛顿流体 对流换热问题（包括自然对流和混合对流） 导热与对流换热耦合问题 辐射换热 惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@
1
1.1 概念
什么是Fluent？
CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩 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，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成熟的物理 模型，使FLUENT在层流与湍流、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。目前与FLUENT配合最好的标准网格软件是ICEM CFD。
University of Science and Technology Beijing
解是否 收敛
yangshufeng@
2
2.1 Fluent模拟气泡的破碎和凝聚
计算域几何如下图所示。采用如图所示的圆柱形容器。气泡从底部 inlet入口进入，从outlet出口流出。几何尺寸如图所示。Fluent的附加模 型population balance model可以用于计算气泡流的破碎及汇聚。本例使 用欧拉多相流配合PBM模型模拟气泡在流动过程中的破碎及凝聚现象。
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@
1
1.2 Fluent用户界面（以15.0版本为例）
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@
yangshufeng@
1
1.1 概念
三者的比较：
数值模拟发展迅速，但是无论今天还是将来，它发展到何种程度， 都不可能离开实验研究和理论分析。因为实验现象和理论分析是数值模 拟的基础，而计算结果又必须由实验现象和理论分析验证。
物理问题
理论分析
数值模拟
工程应用
否 检验
综合设计方法示意图
Fluent、CFX、Star-CD等
– 前处理软件：Gambit、ICEM、Hypermesh等 – 后处理软件：Fieldview、Ensight、Tecplot等
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@
University of Science and Technology Beijing
模拟结果
结果
yangshufeng@
2
2.3 Fluent滑移网格模拟区域运动
实现目标：杯子中装满水，现 在以速度1rad/s延续1s钟使杯子倾斜 1rad，观察5s钟内水的变化情况。
涉及到内容包括： （1）分界面几何模型的建立。 涉及到多几何体的创建，主要是各 部分模型网格的组装问题。 （2）区域运动的指定。在本例 中主要是指定运动区域的旋转速度 。需要注意的是旋转中心与旋转方 向的设定。 （3）多相流的使用。本例中使 用的是VOF模型。
➢ 在被ANSYS收购后为6.3版本 ➢ 2009年6月发布12.0版本 ➢ 2010年底发布13.0版本 ➢ 2011、2013、2015年底分别发布14.0、15.0、16.0版
本
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@
1
1.3 Fluent软件的发展历史
1975年 谢菲尔德大学（UK）开发了Tempest 1983年 美国的流体技术服务公司creature推出Fluent 1988年 Fluent Inc.成立 1995年 收购最大对手FDI公司（FIDAP） 1997年 收购Polyflow公司（粘弹性和聚合物流动模拟） 2006年 被ANSYS收购
yangshufeng@
1
1.1 概念
• 目前在工程领域内常用的数值模拟方法和软件有：
– 有限差分法（Finite Difference Method, FDM)
一种求偏微分（或常微分）方程和方程组定解问题的数值解 的方法，简称差分方法。
基本思想是先把问题的定义域进行网格剖分，然后在网格点 上，按适当的数值微分公式把定解问题中的微商换成差商，从而 把原问题离散化为差分格式，进而求出数值解。
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@
1
1.5 计算流体动力学的工作流程
建立控制方程
确定初始条件和边界 条件
划分计算网格、生成 计算节点
建立离散方程
离散初始和边界条件
N 给定求解控制参数
求解离散方程
显示和输出计算结果 Y
1、计算流体动力学及Fluent概述 2、Fluent应用领域成果概览 3、Fluent 15.0软件用户界面介绍 4、Fluent模拟原理与过程概览 5、Fluent在矿业安全中的应用介绍
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@
Matlab、FLAC3D/2D等
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@
1
1.1 概念
• 目前在工程领域内常用的数值模拟方法和软件有：
– 有限元法（亦称有限单元法）（Finite Element Method, FEM)
University of Science and Technology Beijing
yangshufeng@
1
1.1 概念
什么是CFD？ 本质上是对控制方程的求解
未知函数ρ,u,v,w,p,T 自变量t,x,y,z
University of Science and Technology Beijing