fluent 模拟例子
第一章 一维稳态导热的数值模拟
一、模拟实验目的和内容
本模拟实验的目的主要有3个：（1）学生初步了解并掌握Fluent 求解问题的一般过程，主要包括前处理、计算、后处理三个部分。（2）理解计算机求解问题的原理，即通过对系统进行离散化，从而求解代数方程组，求得整个系统区域的场分布。（3）模拟系统总的传热量并与傅立叶导热定律的求解结果相比较，验证数值模拟的可靠性。实验内容主要包括：（1）模拟一维稳态导热平板内的温度分布。（2）模拟一维稳态导热总的传热量。
二、实例简介
如图1-1所示，平板的长宽度远远大于它的厚度，平板的上部保持高温h t ，平板的下部保持低温c t 。平板的长高比为30，可作为一维问题进行处理。需要求解平板内的温度分布以及整个稳态传热过程的传热量。
三、实例操作步骤
1. 利用Gambit 对计算区域离散化和指定边界条件类型
步骤1：启动Gambit 软件并建立新文件
在路径C:\Fluent.Inc\ntbin\ntx86下打开gambit 文件（双击后稍等片刻），其窗口布局如图1-2所示。
图1-2 Gambit 窗口的布局
然后是建立新文件，操作为选择File→New 打开入图1-3所示的对话框。 h t c t
图1-1 导热计算区域示意图 x y
图1-3 建立新文件
在ID文本框中输入onedim作为文件名，然后单击Accept按纽，在随后显示的图1-4对话框中单击Yes按纽保存。
图1-4 确认保存对话框
步骤2：创建几何图形
选择Operation→Geometry→Face ，打开图1-5所示的对话框。
图1-5 创建面的对话框
在Width内输入30，在Height中输入1，在Direction下选择+X+Y坐标系，然后单击
Apply，并在Global Control下点击，则出现图1-6所示的几何图形。
图1-6 几何图形的显示
步骤3：网格划分
（1）边的网格划分
当几何区域确定之后，接下来就需要对几何区域进行离散化，即进行网格划分。选择Operation→Mesh→Edge，打开图1-7所示的对话框。
图1-7 边网格划分对话框
在Edges后面的黄色对话框中选中edge.1和edge.3。也可以采用Shift﹢鼠标左键的方法选中edge.1和edge.3。然后在Spacing中选择Interval count，在其左边的对话框中输入100，即将这两个边各划分成100个等份。最后点击Apply确认。则出现图1-8所示的边网格划分。
图1-8 上下边网格的划分
采用同样的方法对面的其它边进行网格划分，设定edge.2和edge.4的Spacing对应的数值为10，注意Spacing的类型仍然为Interval count，可以得到如图1-9所示面上各边的网格划分。
图1-9 各边的网格划分
（2）面的网格划分
对边进行网格划分实际上是对计算区域的边界进行离散化，计算区域的内部同样需要进行离散化，需要对计算区域进行面网格划分。
选择Operation→Mesh→Face ，打开图1-10所示的对话框。
图1-10 面网格划分对话框
在Faces后面的黄色框中选中face.1，选中之后，可以看到面上的边均变成红色，表示选择成功。对话框中的其它选项均保持默认值，此时Spacing的类型为Interval size，它左边的默认值为1。点击Apply确认可以看到图1-11所示的面网格划分情况。
图1-11 面的网格划分
步骤4：边界条件类型的指定
在指定边界条件之前，需要选定一个求解器，因为不同求解器的边界类型不一样。这里选择Solve→Fluent5/6，选择之后Gambit布局窗口标题栏中的Solve:Generic将变成Solve: Fluent5/6。
选择Operation→Zone，打开图1-12所示的对话框,指定边界条件的类型。
图1-12 边界条件指定对话框
首先指定面的上边为热源。具体操作为在Name右边的白色框中输入heat，选择Entity 下面的类型为Edges，然后在Edges右边的黄色对话框中选择热源对应的边edge.3，点击Apply之后就将edge3定义成了热源。用同样的方法可以将下边定义成冷源cold。左右两条边可以不需要定义，保持Gambit默认即可。都定义完之后，可以得到图1-13的边界名称和
边界类型。
图1-13 热源和冷源边界条件的指定
步骤5：指定计算区域的类型
Gambit默认的计算区域的类型为流体，而这里墙体内部的材料为固体，因此需要设置。设置方法为：选择Operation→Zone，打开如图1-14所示窗口，选择Type为Solid，选择Entity为Faces，并在Faces右边的黄色对话框中选择面face.1，然后点击应用，即将计
算区域的类型指定为固体区域。
图1-14 指定计算区域的类型
步骤6：网格文件的输出
选择File→Export→Mesh打开输出文件的对话框，如图1-15所示。
图1-15 输出文件对话框
注意只有选择了Export 2-D(X-Y) Mesh选项之后才能输出为.msh文件。点击Accept
之后，窗口下面的Transcript内出现Mesh was successfully written to onedim.msh，表示网
格文件输出成功。
2. 利用Fluent求解器进行求解
利用Gambit软件绘制出几何图形、划分网格、指定边界类型以及输出Mesh文件，然
后用Fluent将网格文件导入，便可以对其进行数值求解。
步骤1：网格文件的读入、检查及显示
启动Fluent的2D求解器之后，首先需要对网格文件进行读入并检查。
启动Fluent后出现下面的窗口，在Versions中选择2d，点击Run按钮即可。
（1）网格文件的读入
选择File→Read→Case在C:\Fluent.Inc\ntbin\ntx86下找到onedim.msh文件并将其读入，如图1-16所示。
图1-16 导入网格文件
（2）检查网格文件
选择Grid→Check对网格文件进行检查，这里要注意最小的网格体积（minimum volume）值一定要大于0。
（3）显示网格
选择Display→Grid，出现网格显示对话框，如图1-17所示。
图1-17 网格显示对话框
网格文件的各个部分的显示可以通过Surfaces下面列表框中某个部分是否选中来控制。如图1-17所示的Surfaces下面列表框中的都被选中，此时单击Display，就会看到如图1-18所示的网格形状。
图1-18 Fluent中的网格显示
步骤2：选择计算模型
一维导热模型的控制方程只有能量方程，只需要选择Define→Models→Energy，然后在出现的如图1-19所示的对话框中选中Energy Equation,单击OK即完成了方程的选择。
图1-19 能量方程的选择对话框
步骤3：定义固体的物理性质
选择Define→Materials, 打开如图1-20所示窗口，在Material Type选项中选择solid，Fluent默认的固体材料为铝aluminum，我们假定平板的材料为铝，材料的属性取默认值，点击Change/Create按钮，再点击Close即可。
图1-20 固体材料的属性
步骤4：设置边界条件
选择Define→Boundary Conditions，对计算区域的边界条件进行具体设置。对热源heat 的边界类型wall点击set，出现图1-21所示的对话框，将默认的Thermal Condition下的heat Flux改为第一类边界条件Temperature，在Temperature右边的白色文本框内输入310。用同样的方法对冷源进行设置，其温度为300。即热源和冷源的温度差为10K。
图1-21 边界条件的设定
步骤5：求解设置
（1）初始化
选择Solve→Initialize→Initialize，打开如图1-22所示的对话框。依次点击Init、Apply 和Close按钮。
图1-22 初始化对话框
（2）残差设置
选择Solve→Monitors→Residual，打开如图1-23所示的对话框。选择Options下面的Plot复选项，则可在计算时动态地显示计算残差。并将energy右边的残差设定为1e-08，然后点击OK按钮。
图1-23 残差设置对话框
（3）迭代计算
选择Solve→Iterate，打开如图1-24所示的对话框。设置Number of Iterations 为200。然后单击Iterate按钮，就会显示图1-25所示的计算过程。
图1-24 迭代设置对话框
图1-25 迭代求解过程
步骤6：保存结果
选择File→Write→Case & Data，保存所有的设置和所有的数据。
四、模拟实验结果
经过上面的迭代计算，就可以查看模拟计算的结果。模拟结果的主要包括三个方面：（1）平板内部的温度分布；（2）平板内部的温度梯度；（3）平板总的传热量。
（1）平板的温度分布
选择Display→Contours，出现图1-26所示的对话框，在Contours of 下选择Temperature 和Static Temperature，单击Display出现一个窗口，按住鼠标中间向右拖动将等温度图适当放大（图形的缩放、移动可以通过Display -> Mouse Button来打开Mouse Buttons（鼠标按键）面板进行设定。），即可得到如图1-27a所示的温度分布。在Contours窗口中选中Options 中的Filled，可以得到如图1-27b所示的温度分布云图。
图1-26 等温线对话框
图1-27a 平板内的等温线分布（局部放大）
图1-27b 平板内的温度分布云图
从图1-27a可以得到，等温线在平板内部为水平分层，等温线均与壁面平行。符合一维导热定律的理论结果。
（2）平板的温度梯度
Fluent本身的计算结果不包含温度梯度，为了得到温度梯度的值，需要在Fluent里按回车键，然后输入solve回车，接着输入set回车，接着输入expert回车，在接下来出现的询问语句keep temporary sover memory from being freed?后面输入Yes。然后重复“利用Fluent 求解器进行求解”中步骤5的初始化和迭代计算，就能得到温度梯度的分布。具体操作为选择Display→Contours，出现图1-28所示的对话框，在Contours of 下选择Temperature 和Reconsruction dT/dY，单击Compute，即可得到温度梯度的最小值为9.998277，最大值为10.0016，即温度梯度的值为10，与理论结果完全一致。
图1-28 平板内的温度梯度
（3）平板的总传热量
选择Report→Fluxes，打开图1-29所示对话框，在Options下选择Total Heat Transfer Rate，
图1-29 平板的总传热量
Boundaries下选择heat，然后单击Compute即可得到平板的总热流量为60726.6W。根据傅立叶导热定律计算的理论结果为60720W，相对误差为0.01%，表明结果正确。
Fluent保存和编辑图形的方法：
左键（或右键）点击显示窗口左上角的图标，点开后最下面有三个选项：Page Setup、Print及Copy to Clipboard，选择Page Setup，出现如下图所示窗口。
按照上面窗口的设置完成后点击OK，再选择Copy to Clipboard，再到WORD中粘贴，即可得到彩色白底图形。
在Page Setup中，Picture Format（图形格式）一栏中可以将图形格式设为Vector（矢量）或Raster（光栅）。其中Vector（矢量）格式清晰度高，但操作速度较慢，Raster（光栅）格式清晰度稍差，但操作速度较快，可以根据自己的需要决定图形格式。