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Fluent具(ju)有豐富的物理模(mo)型、先進(jin)的數值方(fang)法和(he)強大(da)的前(qian)后處理功能，在航(hang)空航(hang)天(tian)、汽車(che)設計(ji)、石油天(tian)然氣和(he)渦(wo)輪機設計(ji)等方(fang)面都有著廣(guang)泛的應用。

在(zai)fluent計算(suan)前應先設置流(liu)(liu)域的各個邊界面（例(li)如壓力出口、壓力入口以及想要(yao)監測數據的面等等），這里以ANSYS的workbench界面做(zuo)一個相關展示。本(ben)算(suan)例(li)模型來源于航空航天(tian)領域的伺(si)服閥前置級的部分(fen)射流(liu)(liu)流(liu)(liu)域（尺寸、形狀(zhuang)做(zuo)了相應簡化(hua)）。

圖1. Workbench的(de)fluent運算界面

如圖所示(shi)，第(di)一個模(mo)塊是(shi)流域(yu)的(de)(de)(de)(de)三維(wei)模(mo)型；第(di)二個模(mo)塊是(shi)用于流域(yu)網(wang)格(ge)(ge)劃分的(de)(de)(de)(de)專業軟件(jian)，是(shi)業內認為繪(hui)畫結構網(wang)格(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)專業軟件(jian)，結構化網(wang)格(ge)(ge)（六面體）有利于減少計算量，有利于模(mo)型的(de)(de)(de)(de)計算迭代(dai)收斂；第(di)三個模(mo)塊是(shi)fluent，紫色線代(dai)表著他(ta)們之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)文件(jian)連(lian)接關系。前(qian)(qian)處(chu)理主(zhu)要(yao)包括模(mo)型的(de)(de)(de)(de)邊界(jie)面定(ding)義(yi)以及網(wang)格(ge)(ge)繪(hui)制，本節(jie)主(zhu)要(yao)講解前(qian)(qian)處(chu)理的(de)(de)(de)(de)相(xiang)關技巧。

右(you)鍵Geometry打開模型，在(zai)(zai)DesignModeler設置壓力入口和壓力出口，其(qi)他面(mian)(mian)(mian)(mian)均(jun)為墻壁(bi)面(mian)(mian)(mian)(mian)（wall），如圖2所(suo)示(shi)。在(zai)(zai)這一步，需要注(zhu)意的(de)是，不可(ke)(ke)以(yi)重復的(de)定義(yi)(yi)一些面(mian)(mian)(mian)(mian)，否(fou)則你所(suo)定義(yi)(yi)的(de)面(mian)(mian)(mian)(mian)的(de)名稱會在(zai)(zai)fluent里雜亂無章的(de)顯示(shi)以(yi)及生成許多無關的(de)面(mian)(mian)(mian)(mian)。另外，在(zai)(zai)DesignModeler可(ke)(ke)以(yi)定義(yi)(yi)流體(ti)的(de)屬性（fliud默認是solid），不定義(yi)(yi)的(de)話，在(zai)(zai)之后的(de)fluent界面(mian)(mian)(mian)(mian)里可(ke)(ke)以(yi)重新(xin)定義(yi)(yi)。

圖(tu)1. Workbench的fluent運算界面

接下(xia)來就是整個(ge)仿(fang)真(zhen)中最關鍵的(de)(de)(de)(de)一(yi)步——網(wang)格(ge)繪制(zhi)，為什么(me)把(ba)它(ta)放在如此重要的(de)(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)？因為用(yong)于高級的(de)(de)(de)(de)、復雜(za)的(de)(de)(de)(de)計算(suan)網(wang)格(ge)量十分龐大，每個(ge)網(wang)格(ge)點(dian)都對應著基本的(de)(de)(de)(de)物理方(fang)程，同(tong)時利用(yong)ICEM軟(ruan)件(jian)繪制(zhi)的(de)(de)(de)(de)網(wang)格(ge)（分塊繪制(zhi)方(fang)法）具(ju)有(you)網(wang)格(ge)數量少，求解精度高的(de)(de)(de)(de)特點(dian)。

圖3.ICEM繪制的網格(ge)塊形狀(zhuang)以及質量(liang)

如圖3所示，利(li)用ICEM塊繪(hui)制(zhi)的方法，可以(yi)將網(wang)格質(zhi)量提(ti)升(sheng)至0.85以(yi)上(shang)(shang)，一(yi)般認(ren)為網(wang)格的雅各比(bi)矩陣值(zhi)在(zai)0.3以(yi)上(shang)(shang)就可以(yi)進(jin)行有限元計(ji)算，雅各比(bi)矩陣值(zhi)在(zai)0.5以(yi)上(shang)(shang)視(shi)為優質(zhi)網(wang)格，本算例滿足接下來的fluent瞬態仿真。

圖(tu)4.fluent全局(ju)設置

因(yin)為本算例(li)中的(de)伺(si)服閥前置級是(shi)高速(su)射流，最高速(su)度(du)可(ke)達(da)到幾百米(mi)每秒(miao)，因(yin)此必然(ran)會產生氣(qi)(qi)穴(xue)現象，氣(qi)(qi)穴(xue)現象是(shi)由于(yu)液(ye)(ye)體的(de)局部壓(ya)力低于(yu)飽(bao)和蒸(zheng)汽壓(ya)從液(ye)(ye)態(tai)變為氣(qi)(qi)態(tai)的(de)過程，因(yin)此接下來根據伺(si)服閥的(de)射流狀態(tai)選擇湍流模型(xing)以及可(ke)能出(chu)現的(de)氣(qi)(qi)穴(xue)現象進行相應的(de)設(she)置，設(she)置如圖5所示。

圖5.fluent混(hun)合(he)相設置

在混(hun)合相(xiang)中，選擇相(xiang)變模型以及主(zhu)、次相(xiang)的(de)(de)屬(shu)性設置，相(xiang)變的(de)(de)物理引擎(qing)選擇空化(hua)，這(zhe)里用的(de)(de)是Schnerr-Sauer的(de)(de)空化(hua)模型，該模型認為液(ye)、氣混(hun)合物包含大量球形蒸汽泡，模型給出的(de)(de)空化(hua)半(ban)徑(jing)有如下公式：

其中R為空泡(pao)半徑，a為蒸汽(qi)體積分數，需(xu)要注(zhu)意的是(shi)，在此模型中，是(shi)唯一(yi)需(xu)要確定的參(can)數，有大量的研究表(biao)明其最佳(jia)取值在左右，對(dui)于多相流(liu)的詳細設置如圖6所示。

a) Mixture的主、次相設(she)置

(b) 空化(hua)模型的相(xiang)關設(she)置(zhi)(zhi)圖6.混合相(xiang)設(she)置(zhi)(zhi)

圖6.混合相設置

為(wei)(wei)了(le)進一步貼近航空伺服閥的(de)(de)(de)真實工(gong)況，選(xuan)擇(ze)入口壓力為(wei)(wei)10MPa，出口背壓為(wei)(wei)0.1MPa。接(jie)下來選(xuan)用合適的(de)(de)(de)求解(jie)器(qi)，在(zai)(zai)SIMPLE算法中，為(wei)(wei)了(le)求解(jie)方便簡(jian)化了(le)速(su)(su)(su)度(du)(du)(du)修(xiu)正(zheng)值方程，從而把速(su)(su)(su)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)修(xiu)正(zheng)完全歸結為(wei)(wei)壓差(cha)項的(de)(de)(de)直(zhi)接(jie)作用。雖(sui)然不會影響收(shou)斂解(jie),但是(shi)加(jia)重了(le)修(xiu)正(zheng)值的(de)(de)(de)負擔,降低了(le)速(su)(su)(su)度(du)(du)(du)場迭代(dai)收(shou)斂的(de)(de)(de)速(su)(su)(su)度(du)(du)(du)。SIMPLEC在(zai)(zai)求解(jie)NS方程時,沒有簡(jian)化了(le)速(su)(su)(su)度(du)(du)(du)修(xiu)正(zheng)值方程,不再需要(yao)對壓力修(xiu)正(zheng)值進行(xing)欠松(song)弛處(chu)理,加(jia)快(kuai)了(le)求解(jie)速(su)(su)(su)度(du)(du)(du)。SIMPLEC方法能夠(gou)在(zai)(zai)網格扭曲(qu)度(du)(du)(du)大的(de)(de)(de)情況下依然具有良(liang)好的(de)(de)(de)質量守恒效果,而且亞(ya)松(song)弛迭代(dai)可(ke)以加(jia)快(kuai)收(shou)斂速(su)(su)(su)度(du)(du)(du)。

本文通過連續性方(fang)程(cheng)和(he)(he)動量(liang)(liang)方(fang)程(cheng)得到的壓力速(su)度關系不停迭代直到達(da)到質量(liang)(liang)守恒,進而求解速(su)度場和(he)(he)壓力場。梯度項(xiang)采(cai)用(yong)Green-Gauss 單元(yuan)法,壓力項(xiang)離散(san)使(shi)用(yong)PRESTO!格(ge)式(shi)(shi),該格(ge)式(shi)(shi)適用(yong)于(yu)(yu)四面(mian)體(ti)和(he)(he)六面(mian)體(ti)網格(ge)單元(yuan),并且在(zai)高(gao)漩(xuan)渦(wo)流和(he)(he)多相流計算中(zhong)能(neng)夠(gou)達(da)到較高(gao)的精度；動量(liang)(liang)項(xiang)的離散(san)采(cai)用(yong)二階迎風(feng)格(ge)式(shi)(shi)，該格(ge)式(shi)(shi)能(neng)夠(gou)有效的防止小尺度漩(xuan)渦(wo)在(zai)計算過程(cheng)中(zhong)的耗(hao)散(san)；氣體(ti)體(ti)積(ji)分數項(xiang)采(cai)用(yong)二階迎風(feng)格(ge)式(shi)(shi)；同時由(you)于(yu)(yu)LES方(fang)法（湍(tuan)流模型，LES為(wei)大(da)渦(wo)模擬(ni)模型）在(zai)一定程(cheng)度上屬于(yu)(yu)直接數值模擬(ni),所以時間項(xiang)離散(san)選(xuan)用(yong)二階精度格(ge)式(shi)(shi)。相關設置如圖(tu)7所示。

a）求解器設置

（b）求解器設置

圖7.求解方法設置以及(ji)求解步數

需要注意的是，時間步長是瞬態計算中最重要的參數，瞬態計算的步驟通常比較多，我認為造成此現象有兩個原因：時間步長小以及為了有足夠的流動時間。時間步長的問題在網上已有公式可以大概估算：網格最小長度與這個方向的流體速度的比值。

就拿本例來說，網格x方向的(de)(de)(de)(de)(de)長(chang)(chang)度(du)為1e-3m，x方向流速為100m/s，則(ze)時(shi)(shi)(shi)間步(bu)(bu)長(chang)(chang)為1e-5s。而(er)這個(ge)(ge)網格尺寸對應(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)流域尺寸對應(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)流體充滿(man)流域的(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)(shi)間經估算為1e-04s，因此(ci)你需(xu)(xu)要(yao)跑至少100個(ge)(ge)時(shi)(shi)(shi)間步(bu)(bu)，同時(shi)(shi)(shi)為了每個(ge)(ge)時(shi)(shi)(shi)間步(bu)(bu)長(chang)(chang)內的(de)(de)(de)(de)(de)計算收(shou)斂，需(xu)(xu)要(yao)調整每個(ge)(ge)時(shi)(shi)(shi)間步(bu)(bu)長(chang)(chang)內的(de)(de)(de)(de)(de)迭代(dai)步(bu)(bu)數，此(ci)case里(li)調試后(hou)150步(bu)(bu)認為是合(he)適的(de)(de)(de)(de)(de)，運算至流體充滿(man)整個(ge)(ge)流域且到達穩定需(xu)(xu)要(yao)200×150=30000步(bu)(bu)，intel的(de)(de)(de)(de)(de)至強系(xi)列處理(li)器（10核）需(xu)(xu)要(yao)運行一天，普通的(de)(de)(de)(de)(de)i9-9900K （10核）需(xu)(xu)要(yao)計算2天左右。而(er)利(li)用北鯤云超算128核僅(jin)需(xu)(xu)1個(ge)(ge)小時(shi)(shi)(shi)。

全部(bu)設置完成(cheng)后，將(jiang)文件(jian)另(ling)存為LES.cas文件(jian)。

打開北鯤云超算平臺的控(kong)制臺，打開fluent軟件(jian)(jian)（需要有(you)許可證哦！），將LES.cas文(wen)件(jian)(jian)上傳(chuan)至(zhi)Desktop文(wen)件(jian)(jian)夾。然(ran)后連接遠程電腦，提交(jiao)作業。

北鯤云的可視化(hua)圖(tu)形界面最高支持128核計算，非常方(fang)便，小白無需培訓即(ji)可上(shang)手。本文所(suo)使用的ANSYS版本均為2020R1版本。

計算完成后，可以方便(bian)的(de)在遠程(cheng)電腦處理文件(jian)，或(huo)者在控制(zhi)臺的(de)界面對應的(de)文件(jian)傳(chuan)輸欄，下載你所需的(de)文件(jian)，非常方便(bian)，最(zui)重(zhong)要的(de)一點是，CPU不(bu)運行(xing)時(shi)，不(bu)計費，這一點可以說是十分人性化(hua)了。

圖8.北(bei)鯤云超算平臺遠程電腦端操作界(jie)面

圖9.北(bei)鯤云(yun)超算平臺(tai)文件傳輸界面

后處理可以(yi)在遠(yuan)程(cheng)電腦端(duan)直(zhi)接完成(cheng)，也可下(xia)載到(dao)自己電腦處理。計算過程(cheng)中，可以(yi)看到(dao)殘(can)(can)差曲線如圖10所示。可以(yi)看到(dao)每次迭代的(de)殘(can)(can)差下(xia)降三個數量級，可認為計算結果可靠(kao)。

圖10.瞬態計(ji)算殘(can)差(cha)曲(qu)線

計(ji)算(suan)完成(cheng)后，在你運行文(wen)件保(bao)存的(de)(de)文(wen)件夾里（此case計(ji)算(suan)結果存于Desktop文(wen)件夾中）選擇文(wen)件下載到自己的(de)(de)電腦(nao)進行相應的(de)(de)處(chu)理。

LES（大(da)(da)渦(wo)(wo)模擬(ni)）模型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)本思(si)想是使用空間濾波器將大(da)(da)尺度(du)漩渦(wo)(wo)和(he)小尺度(du)漩渦(wo)(wo)分離，大(da)(da)尺度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)渦(wo)(wo)直接求(qiu)(qiu)解(jie)，小尺度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)渦(wo)(wo)用雷諾時(shi)均模型求(qiu)(qiu)解(jie)。適(shi)用于求(qiu)(qiu)解(jie)渦(wo)(wo)流(liu)較多的(de)(de)(de)(de)(de)(de)流(liu)場(chang)。求(qiu)(qiu)解(jie)結(jie)果(guo)為瞬態值。而我(wo)們大(da)(da)家平(ping)常用的(de)(de)(de)(de)(de)(de)標準k-e模型只(zhi)能計(ji)算流(liu)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)平(ping)均運(yun)動，它適(shi)用于高雷諾數完(wan)全湍流(liu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)情況，在伺服閥(fa)前置級模型中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)流(liu)域并非屬于完(wan)全的(de)(de)(de)(de)(de)(de)湍流(liu)。

圖11.兩種模型的區別

引用北交大學者姚(yao)磊(lei)的(de)研究結果，可(ke)以(yi)發現兩種(zhong)模型下對于渦的(de)描(miao)述不同(tong)，LES可(ke)以(yi)很好的(de)描(miao)述小(xiao)尺度(du)渦。

接(jie)下來(lai)可(ke)以分析此case的計(ji)算(suan)結果，瞬態(tai)分析的目的是獲取流場(chang)的瞬態(tai)特(te)性，如氣穴局部(bu)時頻數據、壓力(li)出口的流速脈動以及局部(bu)壓力(li)的脈動數據等(deng)等(deng)。接(jie)下來(lai)就(jiu)以本case流場(chang)為例，分析此流場(chang)的瞬態(tai)特(te)性。

計算得到都是.h5文件，需要用到對(dui)應版(ban)本的專(zhuan)業后處理軟件Tecplot，將所有.h5文件導(dao)入(ru)Tecplot中，然后勾選云圖(tu)按鈕以及(ji)選擇(ze)對(dui)應的變量，即(ji)可生成對(dui)應的時刻的云圖(tu)，設置如圖(tu)13所示。

生(sheng)成的云圖如圖14所示，可以看到由于射(she)流區域(yu)存(cun)在一定的拐(guai)角(jiao)，導致(zhi)在拐(guai)角(jiao)附近(jin)的流速急速變(bian)化(hua)引起壓力發生(sheng)急劇變(bian)化(hua)，有(you)些區域(yu)的壓力低(di)于飽(bao)和蒸汽壓，則會產生(sheng)氣穴(xue)現象，有(you)的區域(yu)氣穴(xue)分(fen)數達到了(le)0.9以上(shang)，這(zhe)意味著局部壓力很低(di)。同時(shi)氣穴(xue)伴隨著周期性的變(bian)化(hua)，導致(zhi)流場發生(sheng)脈動。

圖12.Tecplot的(de)云圖設置

圖13.5e-4s時刻的氣(qi)穴分布圖

要想(xiang)更清(qing)楚的(de)(de)觀察流場氣穴(xue)分布(bu)情況(kuang)，可以(yi)將左側操(cao)作欄(lan)的(de)(de)ISO-Surface勾選(xuan)上，可以(yi)得到氣穴(xue)的(de)(de)等(deng)值面圖(tu)(tu)，如圖(tu)(tu)14所示。

圖14.5e-4s時刻(ke)的氣穴(xue)等值面分(fen)布圖

為了看清楚流(liu)場內部(bu)的(de)流(liu)況，取YX平面，提取切片(pian)，設置(zhi)如圖(tu)16所示(shi)，可以(yi)(yi)得到(dao)相應的(de)切片(pian)位置(zhi)，我(wo)們接下來分流(liu)場的(de)速度(du)云圖(tu)、壓(ya)力云圖(tu)以(yi)(yi)及氣穴云圖(tu)等數據(ju)。

圖15.云圖切片(pian)設置

如(ru)圖16所示，這是(shi)伺服(fu)閥(fa)(fa)前置級(ji)(ji)射(she)流(liu)(liu)流(liu)(liu)場的(de)(de)速度云圖，可(ke)以(yi)看到，流(liu)(liu)場在10MPa的(de)(de)入口壓力下可(ke)以(yi)產生高達(da)百米每(mei)秒的(de)(de)流(liu)(liu)速，伺服(fu)閥(fa)(fa)前置級(ji)(ji)射(she)流(liu)(liu)的(de)(de)目的(de)(de)是(shi)為了(le)放(fang)大滑閥(fa)(fa)級(ji)(ji)的(de)(de)控制，起(qi)到前置級(ji)(ji)放(fang)大的(de)(de)效果，這里的(de)(de)流(liu)(liu)場做了(le)簡化，沒有連接滑閥(fa)(fa)兩端(duan)的(de)(de)接收腔。可(ke)以(yi)看到在射(she)流(liu)(liu)區域，流(liu)(liu)速最高可(ke)以(yi)達(da)到160m/s，在V型槽的(de)(de)上游有部分回流(liu)(liu)。

圖(tu)16.流場速度云圖(tu)

接(jie)下來更改云圖(tu)的變量(liang)選項，選擇壓(ya)力(li)，得到如下圖(tu)所示切片壓(ya)力(li)分(fen)布圖(tu)。

圖17.壓力分布(bu)云圖

可以(yi)看到在(zai)沖擊底部時壓力升高(gao)，這是由于動能(neng)轉化(hua)為壓力能(neng)的結果，其中兩側有些許壓力分(fen)布不均勻的情況(kuang)，通過氣(qi)穴云(yun)圖可以(yi)更好(hao)的觀察此(ci)現象，如圖18所(suo)示為切片的氣(qi)穴云(yun)圖。

圖18.氣(qi)穴分布云圖

可以看到在瞬態運動中，即(ji)使是完(wan)全對(dui)稱的結構(gou)，產生的氣(qi)穴現(xian)象都是不對(dui)稱的，這是因為湍流的影響，湍流的不確定性(xing)帶來了流動的規律性(xing)波動。

到了這里，有的同學(xue)可能要(yao)問，如果想提取(qu)出某點對應的某變量隨時(shi)間變化的曲線該(gai)怎么做？這個問題(ti)很好解決，點擊菜單欄里的tools，選(xuan)擇Probe to Create time series Plot 選(xuan)擇你想要(yao)的點，即可得(de)到如圖19所示的曲線。

圖19.某點速度隨時間變化

以(yi)上就(jiu)是本(ben)教程(cheng)的(de)所(suo)有內容，涵蓋了完整(zheng)的(de)一次(ci)fluent瞬態計算(suan)的(de)全部過程(cheng)，包(bao)括前處理(li)，求解器設置(zhi)，以(yi)及后(hou)處理(li)等(deng)，而(er)所(suo)有的(de)操作均(jun)可以(yi)在(zai)北(bei)鯤(kun)云里完成，無需配備高性能計算(suan)機(ji)以(yi)及節(jie)省了安裝繁瑣(suo)的(de)工具的(de)時間(jian)(jian)，同時調研(yan)了多種超算(suan)平臺(tai)，發現北(bei)鯤(kun)云的(de)價格優勢巨大，同等(deng)算(suan)例(li)下耗費的(de)同等(deng)時間(jian)(jian)下，其他平臺(tai)的(de)計算(suan)成本(ben)是北(bei)鯤(kun)云的(de)1~4倍。

經過我(wo)這段(duan)時間的測試，發現北鯤云吸引我(wo)的幾點優勢：