Fluent具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車(chē)設(shè)計(jì)、石油天然氣和渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。

1. 前處理

在fluent計(jì)算前應(yīng)先設(shè)置流域的各個(gè)邊界面（例如壓力出口、壓力入口以及想要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的面等等），這里以ANSYS的workbench界面做一個(gè)相關(guān)展示。本算例模型來(lái)源于航空航天領(lǐng)域的伺服閥前置級(jí)的部分射流流域（尺寸、形狀做了相應(yīng)簡(jiǎn)化）。

圖1. Workbench的fluent運(yùn)算界面

如圖所示，第一個(gè)模塊是流域的三維模型；第二個(gè)模塊是用于流域網(wǎng)格劃分的專(zhuān)業(yè)軟件，是業(yè)內(nèi)認(rèn)為繪畫(huà)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的專(zhuān)業(yè)軟件，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（六面體）有利于減少計(jì)算量，有利于模型的計(jì)算迭代收斂；第三個(gè)模塊是fluent，紫色線(xiàn)代表著他們之間的文件連接關(guān)系。前處理主要包括模型的邊界面定義以及網(wǎng)格繪制，本節(jié)主要講解前處理的相關(guān)技巧。

右鍵Geometry打開(kāi)模型，在DesignModeler設(shè)置壓力入口和壓力出口，其他面均為墻壁面（wall），如圖2所示。在這一步，需要注意的是，不可以重復(fù)的定義一些面，否則你所定義的面的名稱(chēng)會(huì)在fluent里雜亂無(wú)章的顯示以及生成許多無(wú)關(guān)的面。另外，在DesignModeler可以定義流體的屬性（fliud默認(rèn)是solid），不定義的話(huà)，在之后的fluent界面里可以重新定義。

圖2. DesignModeler中的流域模型

接下來(lái)就是整個(gè)仿真中最關(guān)鍵的一步——網(wǎng)格繪制，為什么把它放在如此重要的位置？因?yàn)橛糜诟呒?jí)的、復(fù)雜的計(jì)算網(wǎng)格量十分龐大，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著基本的物理方程，同時(shí)利用ICEM軟件繪制的網(wǎng)格（分塊繪制方法）具有網(wǎng)格數(shù)量少，求解精度高的特點(diǎn)。

圖3.ICEM繪制的網(wǎng)格塊形狀以及質(zhì)量

如圖3所示，利用ICEM塊繪制的方法，可以將網(wǎng)格質(zhì)量提升至0.85以上，一般認(rèn)為網(wǎng)格的雅各比矩陣值在0.3以上就可以進(jìn)行有限元計(jì)算，雅各比矩陣值在0.5以上視為優(yōu)質(zhì)網(wǎng)格，本算例滿(mǎn)足接下來(lái)的fluent瞬態(tài)仿真。

2.求解器設(shè)置

圖4.fluent全局設(shè)置

因?yàn)楸舅憷械?span style="font-weight:bold;white-space:pre-wrap;">伺服閥前置級(jí)是高速射流，最高速度可達(dá)到幾百米每秒，因此必然會(huì)產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，氣穴現(xiàn)象是由于液體的局部壓力低于飽和蒸汽壓從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的過(guò)程，因此接下來(lái)根據(jù)伺服閥的射流狀態(tài)選擇湍流模型以及可能出現(xiàn)的氣穴現(xiàn)象進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，設(shè)置如圖5所示。

圖5.fluent混合相設(shè)置

在混合相中，選擇相變模型以及主、次相的屬性設(shè)置，相變的物理引擎選擇空化，這里用的是Schnerr-Sauer的空化模型，該模型認(rèn)為液、氣混合物包含大量球形蒸汽泡，模型給出的空化半徑有如下公式：

其中為空泡半徑，為蒸汽體積分?jǐn)?shù)，需要注意的是，在此模型中，是唯一需要確定的參數(shù)，有大量的研究表明其最佳取值在左右，對(duì)于多相流的詳細(xì)設(shè)置如圖6所示。

(a) Mixture的主、次相設(shè)置

(b) 空化模型的相關(guān)設(shè)置

圖6.混合相設(shè)置

為了進(jìn)一步貼近航空伺服閥的真實(shí)工況，選擇入口壓力為10MPa，出口背壓為0.1MPa。接下來(lái)選用合適的求解器，在SIMPLE算法中，為了求解方便簡(jiǎn)化了速度修正值方程，從而把速度的修正完全歸結(jié)為壓差項(xiàng)的直接作用。雖然不會(huì)影響收斂解,但是加重了修正值的負(fù)擔(dān),降低了速度場(chǎng)迭代收斂的速度。SIMPLEC在求解NS方程時(shí),沒(méi)有簡(jiǎn)化了速度修正值方程,不再需要對(duì)壓力修正值進(jìn)行欠松弛處理,加快了求解速度。SIMPLEC方法能夠在網(wǎng)格扭曲度大的情況下依然具有良好的質(zhì)量守恒效果,而且亞松弛迭代可以加快收斂速度。

本文通過(guò)連續(xù)性方程和動(dòng)量方程得到的壓力速度關(guān)系不停迭代直到達(dá)到質(zhì)量守恒,進(jìn)而求解速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。梯度項(xiàng)采用Green-Gauss 單元法,壓力項(xiàng)離散使用PRESTO!格式,該格式適用于四面體和六面體網(wǎng)格單元,并且在高漩渦流和多相流計(jì)算中能夠達(dá)到較高的精度；動(dòng)量項(xiàng)的離散采用二階迎風(fēng)格式，該格式能夠有效的防止小尺度漩渦在計(jì)算過(guò)程中的耗散；氣體體積分?jǐn)?shù)項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式；同時(shí)由于LES方法（湍流模型，LES為大渦模擬模型）在一定程度上屬于直接數(shù)值模擬,所以時(shí)間項(xiàng)離散選用二階精度格式。相關(guān)設(shè)置如圖7所示。

（a）求解器設(shè)置                     （b）求解器設(shè)置

圖7.求解方法設(shè)置以及求解步數(shù)

需要注意的是，時(shí)間步長(zhǎng)是瞬態(tài)計(jì)算中最重要的參數(shù)，瞬態(tài)計(jì)算的步驟通常比較多，我認(rèn)為造成此現(xiàn)象有兩個(gè)原因：時(shí)間步長(zhǎng)小以及為了有足夠的流動(dòng)時(shí)間。時(shí)間步長(zhǎng)的問(wèn)題在網(wǎng)上已有公式可以大概估算：網(wǎng)格最小長(zhǎng)度與這個(gè)方向的流體速度的比值。

就拿本例來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格x方向的長(zhǎng)度為1e-3m，x方向流速為100m/s，則時(shí)間步長(zhǎng)為1e-5s。而這個(gè)網(wǎng)格尺寸對(duì)應(yīng)的流域尺寸對(duì)應(yīng)的流體充滿(mǎn)流域的時(shí)間經(jīng)估算為1e-04s，因此你需要跑至少100個(gè)時(shí)間步，同時(shí)為了每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的計(jì)算收斂，需要調(diào)整每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的迭代步數(shù)，此case里調(diào)試后150步認(rèn)為是合適的，運(yùn)算至流體充滿(mǎn)整個(gè)流域且到達(dá)穩(wěn)定需要200×150=30000步，intel的至強(qiáng)系列處理器（10核）需要運(yùn)行一天，普通的i9-9900K （10核）需要計(jì)算2天左右。而利用北鯤云超算128核僅需1個(gè)小時(shí)。

全部設(shè)置完成后，將文件另存為L(zhǎng)ES.cas文件。

3.利用超算平臺(tái)輕松計(jì)算

打開(kāi)北鯤云超算平臺(tái)的控制臺(tái)，打開(kāi)fluent軟件（需要有許可證哦！），將LES.cas文件上傳至Desktop文件夾。然后連接遠(yuǎn)程電腦，提交作業(yè)。

北鯤云的可視化圖形界面最高支持128核計(jì)算，非常方便，小白無(wú)需培訓(xùn)即可上手。本文所使用的ANSYS版本均為2020R1版本。

計(jì)算完成后，可以方便的在遠(yuǎn)程電腦處理文件，或者在控制臺(tái)的界面對(duì)應(yīng)的文件傳輸欄，下載你所需的文件，非常方便，最重要的一點(diǎn)是， CPU不運(yùn)行時(shí)，不計(jì)費(fèi)，這一點(diǎn)可以說(shuō)是十分人性化了。

圖9.北鯤云超算平臺(tái)遠(yuǎn)程電腦端操作界面

圖10.北鯤云超算平臺(tái)文件傳輸界面

后處理可以在遠(yuǎn)程電腦端直接完成，也可下載到自己電腦處理。計(jì)算過(guò)程中，可以看到殘差曲線(xiàn)如圖11所示。可以看到每次迭代的殘差下降三個(gè)數(shù)量級(jí)，可認(rèn)為計(jì)算結(jié)果可靠。

圖11.瞬態(tài)計(jì)算殘差曲線(xiàn)

計(jì)算完成后，在你運(yùn)行文件保存的文件夾里（此case計(jì)算結(jié)果存于Desktop文件夾中）選擇文件下載到自己的電腦進(jìn)行相應(yīng)的處理。

4.后處理結(jié)果

LES（大渦模擬）模型的基本思想是使用空間濾波器將大尺度漩渦和小尺度漩渦分離，大尺度的渦直接求解，小尺度的渦用雷諾時(shí)均模型求解。適用于求解渦流較多的流場(chǎng)。求解結(jié)果為瞬態(tài)值。而我們大家平常用的標(biāo)準(zhǔn)k-e模型只能計(jì)算流體的平均運(yùn)動(dòng)，它適用于高雷諾數(shù)完全湍流的情況，在伺服閥前置級(jí)模型中的流域并非屬于完全的湍流。

圖12.兩種模型的區(qū)別

引用北交大學(xué)者姚磊的研究結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)兩種模型下對(duì)于渦的描述不同，LES可以很好的描述小尺度渦。

接下來(lái)可以分析此case的計(jì)算結(jié)果，瞬態(tài)分析的目的是獲取流場(chǎng)的瞬態(tài)特性，如氣穴局部時(shí)頻數(shù)據(jù)、壓力出口的流速脈動(dòng)以及局部壓力的脈動(dòng)數(shù)據(jù)等等。接下來(lái)就以本case流場(chǎng)為例，分析此流場(chǎng)的瞬態(tài)特性。

    計(jì)算得到都是.h5文件，需要用到對(duì)應(yīng)版本的專(zhuān)業(yè)后處理軟件Tecplot，將所有.h5文件導(dǎo)入Tecplot中，然后勾選云圖按鈕以及選擇對(duì)應(yīng)的變量，即可生成對(duì)應(yīng)的時(shí)刻的云圖，設(shè)置如圖13所示。

生成的云圖如圖14所示，可以看到由于射流區(qū)域存在一定的拐角，導(dǎo)致在拐角附近的流速急速變化引起壓力發(fā)生急劇變化，有些區(qū)域的壓力低于飽和蒸汽壓，則會(huì)產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，有的區(qū)域氣穴分?jǐn)?shù)達(dá)到了0.9以上，這意味著局部壓力很低。同時(shí)氣穴伴隨著周期性的變化，導(dǎo)致流場(chǎng)發(fā)生脈動(dòng)。

圖13.Tecplot的云圖設(shè)置

圖14.5e-4s時(shí)刻的氣穴分布圖

要想更清楚的觀察流場(chǎng)氣穴分布情況，可以將左側(cè)操作欄的ISO-Surface勾選上，可以得到氣穴的等值面圖，如圖15所示。

圖15.5e-4s時(shí)刻的氣穴等值面分布圖

為了看清楚流場(chǎng)內(nèi)部的流況，取YX平面，提取切片，設(shè)置如圖16所示，可以得到相應(yīng)的切片位置，我們接下來(lái)分流場(chǎng)的速度云圖、壓力云圖以及氣穴云圖等數(shù)據(jù)。

圖16.云圖切片設(shè)置

如圖17所示，這是伺服閥前置級(jí)射流流場(chǎng)的速度云圖，可以看到，流場(chǎng)在10MPa的入口壓力下可以產(chǎn)生高達(dá)百米每秒的流速，伺服閥前置級(jí)射流的目的是為了放大滑閥級(jí)的控制，起到前置級(jí)放大的效果，這里的流場(chǎng)做了簡(jiǎn)化，沒(méi)有連接滑閥兩端的接收腔。可以看到在射流區(qū)域，流速最高可以達(dá)到160m/s，在V型槽的上游有部分回流。

圖17.流場(chǎng)速度云圖

接下來(lái)更改云圖的變量選項(xiàng)，選擇壓力，得到如下圖所示切片壓力分布圖。

圖18.壓力分布云圖

可以看到在沖擊底部時(shí)壓力升高，這是由于動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能的結(jié)果，其中兩側(cè)有些許壓力分布不均勻的情況，通過(guò)氣穴云圖可以更好的觀察此現(xiàn)象，如圖19所示為切片的氣穴云圖。

圖19.氣穴分布云圖

可以看到在瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)中，即使是完全對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的氣穴現(xiàn)象都是不對(duì)稱(chēng)的，這是因?yàn)橥牧鞯挠绊懀牧鞯牟淮_定性帶來(lái)了流動(dòng)的規(guī)律性波動(dòng)。

到了這里，有的同學(xué)可能要問(wèn)，如果想提取出某點(diǎn)對(duì)應(yīng)的某變量隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)該怎么做？這個(gè)問(wèn)題很好解決，點(diǎn)擊菜單欄里的tools，選擇Probe to Create time series Plot 選擇你想要的點(diǎn)，即可得到如圖20所示的曲線(xiàn)。

圖20.某點(diǎn)速度隨時(shí)間變化

以上就是本教程的所有內(nèi)容，涵蓋了完整的一次fluent瞬態(tài)計(jì)算的全部過(guò)程，包括前處理，求解器設(shè)置，以及后處理等，而所有的操作均可以在北鯤云里完成，無(wú)需配備高性能計(jì)算機(jī)以及節(jié)省了安裝繁瑣的工具的時(shí)間，同時(shí)調(diào)研了多種超算平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)北鯤云的價(jià)格優(yōu)勢(shì)巨大，同等算例下耗費(fèi)的同等時(shí)間下，其他平臺(tái)的計(jì)算成本是北鯤云的1~4倍。

經(jīng)過(guò)我這段時(shí)間的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)北鯤云吸引我的幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1. 計(jì)算資源豐富，高性能，極大的節(jié)省了花在計(jì)算上的時(shí)間，杜絕“無(wú)效科研時(shí)間”耗費(fèi)；

2. 支持多種計(jì)算工具，冷門(mén)的熱門(mén)的應(yīng)有盡有，而且無(wú)需繁瑣操作，即開(kāi)即用；

3. 價(jià)格透明，價(jià)格優(yōu)勢(shì)巨大，同時(shí)平常的福利很多；

4. 客服耐心，工程師對(duì)接及時(shí)，技術(shù)支持到位。