一文读懂Fluent求解器

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Ansys Fluent 是目前国际上比较流行的商用 CFD (Computational Fluid Dynamics, 计算流体力学)软件包求解器，在美国的市场占有率为 60%。与流体、热传递和化学反应等有关的行业均可使用它。它具有丰富的物理模型、先进的数值计算方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油、天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。例如，在航空航天、汽车、化工、能源、工业上的应用就包括燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散与聚积、多相流、管道流动等。另外，通过 Fluent 提供的用户自定义函数可以改进和完善模型，从而处理更加个性化的问题。

Fluent能够模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。其应用领域极为广泛：机械工程，能源领域，化工工程，环境工程，，生物医药。

Fluent 的软件组成

Fluent 软件主要由以下几个部分组成：

前处理器: 前处理器（preprocessor）用于完成前处理工作。前处理环节是向 CFD 软件输入所求问题的相关数据，用于定义模型几何形状、网格划分、物理模型、边界条件等。

Fluent 求解器介绍

1. 求解压力器：算法，使用SIMPLE算法及其变体，通过迭代求解压力-速度耦合问题。应用范围：大多数工业流体流动问题，如管道流动、换热器、风扇和泵等。计算特点：适用于不可压缩流体和低马赫数可压缩流体的流动模拟。

2. 密度求解器：算法：基于Eulerian框架，使用AUSM+或Roe等通量差分方案。应用范围：航空、燃烧、喷射和多相流问题。计算特点：适用于高马赫数流动和多组分流动问题。

3. 离散相模型：算法：跟踪每个粒子的轨迹，同时考虑粒子与连续相之间的相互作用。 应用范围：粉尘收集、喷雾干燥、催化剂床层流动。计算特点：用于模拟气固两相或多相流，例如颗粒输送和喷雾。

4. VOF模型：算法：使用体积分数追踪不同流体的界面。 应用范围：船舶设计、液滴撞击、液-液混合。 计算特点：适用于自由表面流动和两相流问题。

5. 滑移网格模型：算法：在不同的网格区域之间使用接口，允许网格间的相对运动。 应用范围：涡轮机、风力发电机、活塞发动机。 计算特点：用于模拟旋转或相对移动的部件。

6. 湍流模型： 算法：基于雷诺平均Navier-Stokes方程（RANS），使用各种湍流封闭方案。应用范所有涉及湍流流动的场景，如飞机翼型、汽车空气动力学、烟囱排放。计算特点：包括Spalart-Allmaras、k-ω SST、k-ε等模型，用于描述湍流的统计特性。

选择求解器

在选择 Fluent 求解器时，需要综合考虑分析模型的复杂程度、计算精度和计算效率等因素。

1．操作系统要求

（1）Ansys Workbench 2022 R1 可运行于 Linux x64（linx64）、Windows x64（winx64）等计算机

及操作系统中，其数据文件是兼容的，Ansys Workbench 2022 R1 不支持 32 位系统。

（2）确定计算机安装有网卡、TCP/IP，并将 TCP/IP 绑定到网卡上。

2. 硬件配置推荐：

处理器（CPU）：推荐使用具有多核心和高频率的CPU，如Intel Xeon或AMD EPYC处理器。

GPU计算与关联求解器

（1）GPU型号：基于NVIDIA的CUDA API实现并行计算，只支持NVIDIA的GPU，包括NVIDIA Tesla和Quadro系列

单个Nvidia A800 80GB的性能比采用80个Xeon 铂金8380核心的集群高5倍；如果扩展到8个NVIDIA A800 GPU，仿真速度可提升30倍以上

（2）GPU内存容量：GPU显存消耗取决于案例的大小、网格类型、启用的模型、精度和某些求解器设置。例如，用六面体网格，单精度，一百万单元模拟湍流时，需要约1GB的GPU内存

（3）求解问题：支持3D几何、单精度/双精度、可压缩流动、共轭传热、湍流模型（如Standard k-epsilon、k-omega SST等）以及瞬态和稳态计算。

显卡（GPU）：推荐使用支持CUDA或OpenCL的高性能显卡，如NVIDIA Tesla或AMD Radeon Instinct。

内存（RAM）：推荐使用大容量内存，如64GB或更高容量的DDR4内存。

存储（Storage）：推荐使用高速硬盘或固态硬盘（SSD）作为系统盘和数据盘，以提高数据读写速度。

网络（Network）：推荐使用高速网络连接，如Infiniband或Omni-Path，以支持高效的并行计算。

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