FLUENT软件在水力学中的应用进展_吴立春

收稿日期：2008－11－19

作者简介：吴立春（1980－），女，重庆奉节人，硕士生，讲师，主要从事计算机软件应用方面的研究。May，2009

第22卷第3期重庆教育学院学报Vol.22No.3 2009年5月Journal of Chongqing College of Education

计算机模拟作为水力学研究的手段之一，具有以下优点：费用低廉，而且随着计算机技术的飞速进步，这一优点越来越突出；省时高效；可实现对多种复杂物理条件下流场的真实和全域的模拟；也可实现理想状态下的模拟，比如可以将某一现象单独隔离开来进行研究；与物理模型试验只能针对某些点进行量测相比，计算机模拟所提供的信息量大而丰富。

随着计算机功能的不断完善与提高，水力学与计算机技术的有机结合将极大的增强解决疑难问题的能力。水力学模型的进步、流场可视化技术的发展以及水力信息学的普及应用，都是这方面的体现。加强水力学的算法研究和软件开发，把计算机和水力学密切结合起来，已成为现代水力学研究的重要任务之一。

近年来，随着计算机技术的迅速发展，计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）作为一门独立的学科逐渐成为流体力学和应用数学的热门研究内容，且发展日趋成熟。在这一趋势下，将理论研究成果与实际工程相结合的CFD［1］商业软件应运而生，FLU-ENT便是其中的杰出代表。FLUENT软件的设计基于“CFD软件群”［2］思想，可针对各种不同流动的特点，采用最佳的数值解法，在计算速度、稳定性、精度等方面达到优化组合，从而高效地解决各领域的复杂流动计算问题，准确模拟流动、传热和化学反映等物理现象。

1FLUENT软件简介

FLUENT公司在CFD商用软件，市场上占有领导地位，其市场占有达40％左右［1］。FLUENT软件的功能很全面，适用性也很广，它将不同领域的计算软件组合起来，成为CFD计算机软件群，包括前处理、数值求解和后处理三大模块，核心部分是N－S方程组的求解模块［3］。FLUENT软件要包括GAMBIT和FLUENT。其中GAMBIT是CFD计算中的前处理器，FLUENT是求解器的一种。

FLUENT软件具有以下一些特点：

（1）采用完全非结构化网格的有限体积法。

（2）具有强大的完全非结构化网格划分能力，能够生成不连续网格，支持变形网格和滑动网格，拥有多种基于解算的自适应网格技术。

（3）包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法和耦合隐式算法。从而使FLUENT适用于低速不可压流动、跨声速流动乃至可压缩性强的超声速和高超声速流动。

（4）包含丰富的物理模型，如无粘流、层流、湍流、传热和多孔介质、化学反应、颗粒运动、多相流、自由表面流、相变流等，能模拟多种流动现象。

（5）具有高效的并行计算、自动分区功能。

（6）提供友好的用户界面，提供二次开发接口（UDF）。

（7）采用C／C＋＋编写，大大提高了对计算机内存的利用率。

FLUENT求解器具有如下模拟能力：

（1）今用非结构自适应网格模拟2D或者3D流场，它所使用的非结构网格主要有三角形、四边形、五边形，或者混合网格，其中混合网格有棱柱形和金字塔

FLUENT软件在水力学中的应用进展

吴立春1，2

（1.重庆大学计算机学院，重庆400044；2.重庆教育学院物业管理系，重庆400067）

摘要：随着计算机技术的迅速发展，水力学与计算机技术的有机结合增强了解决水力学疑难问题的能力。

FLUENT软件是理论研究成果与实际工程相结合的计算水力学商业软件的杰出代表之一。本文首先介绍了FLUENT 软件的一些特点及应用领域，然后总结了它在水力学中的应用现状，指出了它具有计算快速、简捷、方便等优点，最后对FLUENT软件的应用进行了展望。

关键词：FLUENT软件；水力学；计算机模拟；CFD

中图分类法：TP319文献标示码：A文章编号：1008－6390（2009）03－0066-03

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形。

（2）不可压或可压流动

（3）定常状态或者过渡分析

（4）无粘、层流和湍流

（5）牛顿流或者非牛顿流

（6）对流热传导，包括自然对流和强迫对流

（7）藕合热传导和对流

（8）辐射热传导模型

（9）惯性（静止）坐标系非惯性（旋转）坐标系模型

（10）多重运动参考框架，包括滑动网格界面和rotor／stator interaction modeling的混合界面

（11）化学组分混合和反应，包括燃烧子模型和表面沉积反应模型

（12）热、质量、动量、湍流和化学组分的控制体源

（13）粒子、液滴和气泡的离散相的拉格朗日轨迹的计算，包括和连续相的耦合

（14）多孔流动

（15）一维风扇／热交换模型

（16）两相流，包括气穴现象

（17）复杂外形的自由表面流动

上述各功能使得FLUENT具有广泛的应用，主要体现在以下几个方面：

（1）油／气能量的产生和环境应用

（2）航天和涡轮机械的应用

（3）汽车工业的应用

（4）热交换应用

（5）电子／HVAC／应用

（6）材料处理应用

（7）建筑设计和火灾研究．

总之，对于模拟复杂流场结构的不可压缩或可压缩流动来说，FLUENT是很理想的软件。对于不同的流动类型，还可以应用FLUENT提供的其它专业求解器。

2FLUENT软件在水力学中的应用现状

FLUENT软件于1998年进人中国市场。FLUENT 软件在我国应用的也很广泛。FLUENT软件在空气流场中的应用已比较成熟。田铖等［4］模拟了地铁专用轴流风机的内部流场；李磊等［5］模拟了两种风向条件下街区风速分布和CO质量浓度的分布情况；杨伟等［6］计算了大气边界层中单栋高层建筑的定常风流场；赵琴［7］对空调室内的温度场进行了计算机模拟。

FLUENT软件在水流流场中的应用不同于单纯的空气流场。水利工程问题边界复杂，水气混掺，存在多个自由水面，需要采用二相流模型，计算机模拟的成果还不多。Salaheldin等［8］对垂直圆墩周围的三维流场进行了计算机模拟；刘加海等［9］在水槽中对二维规则波进行了计算机模拟；韩龙喜等［10］在环形水槽中对三维流场进行了计算机模拟。Chen等［11］采用双方程紊流模型，对阶梯溢流坝流场进行了三维紊流计算机模拟，得出溢流坝沿程的自由水面位置、速度大小和分以及阶梯面上的压力等重要流场特性。刁明军等［12］采用VOF 法对挑流消能从库区到下游水垫塘进行了水气二相流计算机模拟，得到射流的空中轨迹线、水垫塘的自由水面和计算域的压力、流速、紊动能及紊动能耗散率分布。杨忠超等［13］结合向家坝水电工程，采用VOF法和RNG紊流模型对多股多层水平淹没射流进行三维计算机模拟，得出中孔和表孔联合泄洪时消力池的流速和紊动能分布。陈云良等［14］根据某电站进水口1：50模型试验结果，对进水口流场进行了计算，研究来流、复杂地形边界等对进水口流态的影响。张挺等［15－16］对索风营电站X形宽尾墩和阶梯溢流坝联合消能的三维流场进行数值计算，给出压力特性、流速分布、阶梯及墩后水气两相流的部分特性。周勤等［17］对小南海水库双弯曲型溢洪道原型流场进行三维计算机模拟，得出溢洪道沿程水面线和速度等重要水力参数。叶茂等［18］结合典型工程算例，就复杂水气交界面的处理、模型建体和网格划分等问题作详细介绍。罗挺等［19］以win-dows2000操作系统和通用CFD软件工具FLUENT为基础，研究构建了不同的并行计算硬件平台的力法，计算了典型的山谷污染物扩散过程的湍流流场。

可见，FLUENT软件在水力学中的应用已逐步展开，计算机模拟同试验研究相比，具有成本低、方案变化快、无测量仪器干扰、无比尺效应和数据信息完整等优势，可作为模型试验的有力补充，如进水口模型试验在高水位时，无法用常规仪器测量进口周围的流速，而数值计算则可得到全域流场特性。另外，由于其减少了研究者在计算方法、编程、前后处理等方而投入的重复、低效的劳动，将更多的精力和时间投入到考虑问题的物理本质，优化算法选用，参数的设定，因而提高了工作效率，其必然会获得越来越多的应用，应用效果也必将越来越好。

3结论与展望

通过总结FLUENT在水力学中的应用形状，我们可以知道，FLUENT应用于水流的计算机模拟，能取得和实验很接近的结果，并且有计算快速、简捷、方便的优点。它不仅能给出反映水流运动总体特性的各项运动参数，如流速、压强等，而且可以方便地计算出各项水流参数的全场分布，能给出相关流场的具体信息。

FLUENT的另一个主要的优点就是它的后处理功

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能，它能清晰的显示不同计算时刻、不同位置断面处的水流运动参数，对流线、涡线、速度分布等进行准确而清楚的显示。以流场显示为例，如可以用箭头（或其它标志）代表水质点，箭头方向代表流速方向，箭头长短代表流速大小，将水流流场直观地展示出来，其效果是阅读数据文件所无法达到的，就是实际观测也与之无法比拟。还可以应用它的自定义函数功能显示出不同断面处的其它有效量值，如动能等。

但是，FLUENT作为一种较新的软件，在模拟复杂水流方面的应用还有其很多展望的地方：

（1）水流计算机模拟是一个系统的工程，它涉及到多方面的工作。它需要扎实的数学功底及应用计算机软件的知识，以及对水力学等理论有较深刻的理解。尤其是功能强大的FLUENT软件还有待进一步的开发与应用。

（2）尽管采用FLUENT软件模拟的结果与实验相近，但毕竟将FLUENT软件用于水流的流动模拟还需进一步地进行验证。为此，还需要结合物理模型试验资料，对计算机模拟的成果进行精确度方面的分析，为实际工程提供更为有力的设计依据。

（3）对于模拟不规则边界的水流流动情况，还需要对FLUENT进行二次开发，这将为CFD软件更为有效的使用提供一种新的方法，也为先进CFD软件的更广泛及有效使用提供了新的思路。

参考文献：

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［5］李磊，胡非，程雪玲，等．FLUENT在城市街区大气环境中的一个应用［J］．中国科学院研究生院学报，2004，21（4）：

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［6］杨伟，顾明．高层建筑三维定常风场数值模拟［J］．同济大学学报，2003，31（6）：647－651．

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［12］刁明军，杨水全，王玉蓉，等．挑流消能水气二相流数值模拟［J］．水利学报，2003，9：77－82．

［13］杨忠超，邓军，杨永全，等．多股多层水平淹没射流数值模拟研究［J］．水利学2004，5：31－38．

［14］陈云良，伍超，叶茂．水电站进水口水流流态的研究［J］．水动力学研展，2005，20（3）：340－345．

［15］张挺，伍超，卢红，等．X型宽尾墩＋阶梯滋流坝流场三维数值模拟［J］．水利学报，2004，8：15－20．

［16］ZHANG Ting，WU Chao，LIAO Hue－sheng，et al．3D numerical simulation on water and air two－phase flows of the steps end flaring gate pier［J］．Journal of Hydrodynam-ics：Ser．B，2005，17（3）：338－343．

［17］周勤，伍超，赵元弘，等．＂S＂型溢洪道水流特性试验与数值模拟研究［J］．水力发电学报，2005，24（3）：88－92．［18］叶茂，伍超，陈云良，张挺，周勤．FLUENT软件在水利工程中的应用［J］．水利水电科技进展，2006，26（3）：78－81．［19］罗挺，许雅娟．山谷污染物扩散过程CFD并行计算方法的研究［J］．四川环境，200524（4）：77－84．

［责任编辑何永葱］

Application progress of FLUENT software

in the hydraulics

WU Li－chun1，2

（1．College of Computer Science，Chongqing University，Chongqing400044，China；

2．Department of Estate Management，Chongqing Education College，Chongqing400067，China）Abstract：With the rapid development of computer technology，the organic integration of hydraulics with computer technology enhances the ability to solve hydraulics problems．FLUENT software is one of the outstanding business software in calculation of hy-draulics by combining theoretical research achievements with practical projects．This article first introduces some of the features of FLUENT software and its applications，and then sums up its application status quo in hydraulics，pointing out that its characteristic of calculation is fast，simple and convenient．Finally，the application of FLUENT software in hydraulics is prospected for．Key words：FLUENT software；hydraulics；computer simulation；Computational Fluid Dynamics

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