Fluent仿真基础案例练习

该章节中的练习案例均被保存在D:\Project\Fluent Simulation\Practice\Resources\Bili_simulation show\case_input_1014下
案例练习来源于https://www.bilibili.com/video/BV1vT4y1z7on/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=3d05655e912261bce2a9d4c7d27ab69d

案例总结

名称	对象	仿真重点与特点
排气歧管内流场仿真	排气歧管	三通管式的几何模型，常规内流场仿真
飞行器外气动可压缩流场仿真	NACA0012翼型	马赫数0.7，迎角1.55° 压力远场边界条件，可压缩流动，对照实验结果
催化转化器模型仿真	多孔介质催化剂	多孔介质材料仿真，单元区域条件更改
后台阶流仿真	台阶	湍流模拟，报告观测湍流粘性比，观察 $Y+$ 的数值，分布式入口条件导入
电子芯片散热模型仿真	芯片及其散热板	热源、自然对流散热、热辐射、层流、不可压缩理想气体
圆柱绕流模型模拟	圆柱	单向流、层流、瞬态仿真、动画录制
基于SCDM的球阀模型仿真	球阀	参数化仿真、基于Workbench的参数化及优化
离心泵模型仿真	离心泵	旋转机械内流场仿真、液态水模拟、新检测量（表达式）创建

1.排气歧管内流场仿真

排气歧管，是与发动机气缸体相连的，将各缸的排气集中起来导入排气总管，带有分歧的管路。
对它的要求主要是，尽量减少排气阻力，并避免各缸之间相互干扰。

流程	软件	技术要点
几何	SCDM	固体区域实体模型、包含命名
网格	Fluent Meshing水密工作流	Poly多面体+边界层、流体&固体区域
求解器	Fluent	单相流、湍流、速度压力耦合、无温度
后处理	Fluent	云图、速度矢量图、流线图、等值面、定量分析
备注	无	无

模型提前通过第三方软件建模——导入SpaceClaim进行预处理——另外导出为【.scdoc】格式文件

1.1前处理网格划分

选择工作流类型——点击左侧边栏【Select Workflow Type】——选择水密工作流【Watertight Geometry】

导入几何模型——确认文件格式与单位——选择工作目录下的文件

对模型的鼠标操作：【中键】—缩放；【中键+鼠标移动】—旋转；【右键】—选择；【左键】—平移
工作区域左下方可以控制选择对象类型（点、线、面），也可以执行取消选择操作

==鼠标操作可以在【File-Navigation】中进行偏好修改==

添加局部尺寸——无需添加

生成表面网格——根据计算需要调整最小尺寸与最大尺寸

描述几何结构——判断几何结构类型——选择是否封堵开口——确认后【描述几何结构】

封闭流体区域设置：
速度进口设置——选择区域类型【velocity-inlet】——盖面类型【单一表面】——选择固体表面作为流体封堵的进出口——创建封堵面
压力出口设置——选择区域类型【pressure-outlet】——盖面类型【单一表面】——选择固体表面作为流体封堵的进出口——创建封堵面

创建区域：预估流体区域数量——一个——创建流体区域

该步骤后得到了抽取出来的流体区域

更新区域——得到抽离后的区域包括：dead（死亡区域，闭合区域），fluid （流体区域），solid up（几何区域）

添加边界层——该区域可以设置边界层相关信息，此处暂不更改——添加边界层

创建得到流体外层边界

生成体网格——设置网格类型【polyhedra（多面体网格）】，其余默认——生成体网格

在工作流控制台中查看生成网格质量

231280 cells were created in : 0.65 minutes（划分网格数量与历时）
The mesh has a minimum Orthogonal Quality of: 0.08 （最小正交质量，用于评价网格划分品质，0.1以上视为优良）

1.2求解

设置：

【通用设置】——保持默认选项

【模型】——该案例为单相流动且不考虑传热行为——开启粘性模型
粘性模型——选择k-epsilon (2 eqn)——Realizable——可扩展壁面函数(SWF)——可应对有一定湍流存在的仿真，增加仿真稳定性
其余模型设置为关闭状态

【材料】——流体选择默认流体“空气”并维持默认设定——固体区域由于不参与计算无需更改

【单元区域条件】——维持默认

【边界条件】——更改【速度入口】设定——设定入口处速度大小为10m/s，方向垂直于壁面
——更改【压力出口】设定——物理模型—工作条件中设定了基础的工作压力——压力出口处的表压若设置0，则代表基础工作压力（标准大气压）
可以右键单击设置好的入口——选择复制将设置好的信息复制到其他入口壁面，（其他边界同理）

求解：

【方法】——定义了求解的路径——主要影响求解速度和收敛情况

【控制】——与求解方法相匹配的参数调节
这两者在前期无特殊需求可以选择默认设定

【报告定义】——与仿真目的对应，在仿真过程中输出某些感兴趣的物理量——
该仿真的目的是为了观察进出口的压降情况，判断内部流场是否稳定——
创建，表面报告，面积加权平均（根据网格划分面积大小进行加权，相较于直接平均，得到的结果更加合理）——
勾选【每个表面】（得到每个表面单独的数值，否则输出三个表面共同的加权数值）——
【创建】报告文件（显示每一个时间步的迭代数据），报告图（X-Y曲线，X表示迭代步数，Y表示输出变量），打印到控制台（输出变量具体数据）——选择需要关注的三个速度入口表面

【计算监控】——【残差】通过设定的方程和对应标准判断仿真是否收敛——可以设置为0.0001，当方程残差小于该数值，停止计算

【初始化】——对计算域进行赋初值，也就是初始化，然后FLUENT才能根据初始值以及边界条件等进行方程的迭代求解。
其类型包括：

Standard Initialization：对于多相流或者瞬态问题，Fluent默认采用Standard初始化。通过指定Initial Values列表中的各参数的值来实现整个计算域初始化。在进行参数设置过程中，可以通过Compute from下方的下拉框辅助设置。
**Hybrid Initialization：**不需要指定任何任何参数，软件通过读取用户设定的边界参数自动估算初始值。通过求解拉普拉斯方程求解得出计算域中压力场与速度场初始分布。对于其他的物理量（如温度、湍流、组分、体积分数等）则自动基于区域平均插值得到。对于单相稳态问题，Fluent默认采用Hybrid初始化。
**Full Multigrid Initialization：**常用于非常复杂的流动问题，如旋转机械中的复杂流动问题、扩张管或螺旋管中的流动等，若能在计算之前能够使用更好的初始值，则能够加速收敛过程。目前FMG初始化只能用于稳态计算中。

具体讲解可以参考这两篇文章：
https://blog.csdn.net/wsxww11/article/details/124378279（Fluent中的各种初始化）

https://www.bilibili.com/read/cv20360706 （混合初始化的介绍和不收敛状况时的相关设置方法）

【运行计算】——【迭代次数】300（最大迭代次数，若中途收敛，仿真亦会终止）

设置完成求解步骤之前，在文件中写出【Case&Data】——Case包含模型、边界等设置情况与网格信息——Data包含网格初始化的数值信息——可避免仿真失败（结果发散）需要重新读入网格进行设置

方程收敛，计算完成

1.3结果后处理

查看全局通量守恒：【结果】——【报告】——【通量】——质量流率——选中流入口与流出口——计算对应物理量
判断方程完全收敛

定性分析：

创建云图：
输出流体对壁面位置压力的分布情况

云图设置与输出壁面的压力云图

**云图标尺的设定与更改：**双击标尺——显示标尺控制面板

观察非指定壁面、进出口平面的物理场信息：【域】——【表面】——【创建平面】

创建矢量图：

矢量图设置矢量图速度矢量

创建迹线图：

迹线图设置颗粒特性——ID迹线图

定量分析：

**表面积分：**设置获得入口表面和出口表面的压力、密度、速度等信息，点击计算将数据导出到控制台

体积积分：

**查看特定点位物理场的数据信息：**通过【域】在几何区域创建一个点——在表面积分控制面板——创建【Vertex Average】

得到：Average of Surface Vertex Values

Static Pressure [Pa]

point-12 533.47302

同理，可以得到点，线，面等多维度的自定义观测参考物的物理场数据信息。

**观测一条线上的物理场信息：**创建三维区域中的线（鼠标选点时需要用右键）——显示线上流体流速与Y坐标的关系

XY图沿线的Y方向流速图像

得到的数据图像可以通过【写出到文件】，将数据导出至第三方软件进行下一步的处理

结果演示处理：

多维信息图像同时显示：【图形】——【网格】——显示除流体边界层以往的实体区域
设置显示【场景】——勾选需要显示的项【迹线】、【网格】以及【矢量】——同时修改网格的显示透明度

动画：【动画】——【场景动画】——通过设置不同关键帧时的动画场景再连续补帧的方法，完成动画创建

2.飞行器外气动可压缩流场仿真

弦长1m，NACA0012翼型，在飞行马赫数0.7，迎角1.55°，计算区域：44m×60m半弧形区域。
该案例介绍了仿真与风洞试验数据联合对照的处理方法。

主要外气动参数：

流程	软件	技术要点
几何	SCDM	已包含边界命名
网格	Fluent Meshing水密工作流	Poly、仅包含流体区域、多区域局部网格尺寸、边界层网格
求解器	Fluent	可压缩外气动、空气材料属性、攻角与压力远场、升力与阻力系数
后处理	Fluent	云图、定量分析、与实验数据对比
备注	无	首次介绍了仿真数据与试验数据的对照方法

2.1前处理网格划分

选择工作流——导入模型（面对大尺度计算区域，单位需要扩大到m）

检查模型最小特征尺寸——启用选择过滤器——选中最小特征的两个端点——【检查】——【Distance】——最小的网格尺寸应取该距离的一半左右

添加局部尺寸——更改名称（若局部尺寸过多且需要重点区分时）——选择类型【Face Sice】——选择上、下翼面——更改目标区域网格，0.015——添加局部尺寸
创建第二个局部尺寸——类型【Proximity】临近度（适用于相邻极短的区域）——填充单元层数，2——局部最小尺寸，0.0003——作用于，edges——选择翼梢位置——添加局部尺寸
该操作可以单独选择需要加密的区域而不干扰其他区域（较大网格）的生成

生成表面网格——最小尺寸与局部尺寸中的最小尺寸一致，0.00035——最大尺寸，0.5——
对于外气动研究，外形曲率影响较大，尺寸函数选择【Curvature】——设置为12（表示采用360/12=30，利用30边形等价圆形）

描述几何区域——几何图形仅由没有空隙的流体区域组成（该案例无几何模型）——描述几何结构

更新边界——

Boundary Name	Boundary Type
airfoil lower（上翼面）	wall（壁面）
airfoil te（翼梢）	wall（壁面）
airfoil upper（下翼面）	wall（壁面）
farfield	pressure-far-field（压力远场，描述无穷远处自由来流状态，只对可压缩流动适合）
sym-1（翼型剖面）	symmetry（对称边界）
sym-2（翼型剖面）	symmetry（对称边界，关注的物理几何形状和流动/热解的预期模式具有镜像对称性）

对于边界知识的了解，可以查看https://zhuanlan.zhihu.com/p/528203426

更新区域——更新

添加边界层——偏移方法类型【uniform】，不论边界处网格大小，生成一致的边界层厚度（适合研究外气动特征）——层数，20——第一层高度，2e-5——只在壁面上添加

生成体网格——选择多面体网格——其余默认

网格生成情况：

---------------- 187159 cells were created in : 0.17 minutes

---------------- The mesh has a minimum Orthogonal Quality of: 0.20

2.2求解

检查网格——【检查】——查看控制台，是否有报错信息，若无错误，应当显示”Done“

模型——打开【能量】开关——做可压缩流动的外气动特征，需要在理想气体密度条件下，这与温度有关，所以需要打开
【粘性】模型——k-omega (2 egn)——SST——Production Limiter——适用于外形计算，具有良好的精度和收敛性

材料——流体，空气——密度，ideal-gas——粘性，sutherland（萨瑟兰定律），三系数方法

单元区域条件——工作条件，工作压力，0（面对可压缩问题，常设置）

边界条件——压力远场——表压，73048（根据风洞试验数值给定）——马赫数，0.7——热量，283.24

利用给出的飞行迎角1.55°，创建一个常熟表达式，attack angle
流方向（根据飞行迎角计算给出）——X方向分量，选择数值类型【expression】，创建函数cos(attack angle)——Y方向分量，函数sin(attack angle)

湍流——湍流强度和湍流粘度比——常用搭配5，10；1，1（适合压力远场边界）；10，100

参考值——为了得到升力系数和阻力系数——计算参考，farfield——面积，0.1

方法与控制——设置默认

报告定义——创建——力矩监控器——阻力——输出类型，阻力系数——力矢量，及X方向分量cos(attack angle)，Y方向分量sin(attack angle)——选择区域上下翼面——生成报告图并打印到控制台——同样创建升力

初始化——混合初始化——初始化

运行计算——迭代次数，500

保存网格文件和设置文件——文件——写出——Case&Data

方程收敛

2.3结果后处理

【云图】——翼型上下翼面的飞行马赫数

【数据对比】——验证仿真数据与试验数据之间的匹配程度——XY图——建立穿过特征区域的线，筛除无用结果（等值面方法）——导入外部数据判断

等值面创建——【创建】——【等值面】——设置等值，Mesh——沿Z坐标方向——【计算】，得到当前模型下最小与最大Z方向的网格位置——设置等值为中间的Z坐标位置——【从表面】，选择上、下翼面

XY图绘制——Y轴输出压力系数——【表面】，选择刚刚创建的环线面——【曲线】，更改曲线图像相关显示特征

外部数据导入——【加载文件】，找到外部对应的数据文件——加载——【绘图】绘制外部的数据文件

3.催化转化器模型仿真

流程	软件	技术要点
几何	SCDM	包含多孔介质的模型处理
网格	Fluent Meshing水密工作流	Poy、流体&固体区域、多孔介质区域、边界层网格
求解器	Fluent	单相流、多孔介质模型
后处理	Fluent	云图、速度矢量图、剖面结果展示
备注	无	首次涉及了多孔介质仿真这一特殊流体

多孔介质材料：蜂窝陶瓷；特征：各向异性多孔介质

3.1前处理网格划分

选择工作流【Watertight Geometry，水密工作流】——导入模型

添加局部尺寸——【尺寸函数类型】，Curvature——局部最小尺寸，0.1——最大尺寸，1.2——选择传感器区域——添加局部尺寸

生成表面网格——调整【最小尺寸】，1.5（有效限制总体网格数量）——【高级选项】——【质量优化的偏度限值】，0.95
质量优化的偏度限值：表示超过该限值的网格将被优化，但若太小会影响网格划分效率，(不能高于 0.95,最好在 0.90 以下;越小越好)

![](https://gitee.com/david-li119/PigGo_img/raw/master/images/202301011355358.png)

描述几何结构——【几何结构类型】，几何结构同时由流体和固体区域和/或空隙组成——【是否封堵开口】，是——【是否将所有流体-流体区域交界面类型从“壁面”改为“内部”】，是（多孔介质常被认为是流体和固体同时存在的一种情况，需要更改，保证流体从多孔介质流向非多孔介质时顺畅流通）——【描述几何结构】

封堵流体区域——在进口处创建速度进口封堵面——流出口处创建压力出口封堵面

更新边界——

Boundary Name	Boundary Type
in1	wall
out1	wall
pres outlet 1	pressure-outlet
velo-inlet 1	velocity-inlet

创建区域——3（一个常规流体区域，两个多孔介质流体区域）

更新区域——需要将两块多孔介质区域囊括在内——honeycomb-solid 1；honeycomb af0-solid1，修改为fluid

添加边界层——保持默认选项

生成体网格——选择多边形区域填充——设置保持默认

生成网格信息：

---------------- 554760 cells were created in : 0.87 minutes

---------------- The mesh has a minimum Orthogonal Quality of: 0.06

3.2求解

模型——【粘性模型】——k-omega (2 egn)——SST——Production Limiter
【能量模型】——开启

材料——【流体】——【空气】——【Fluent数控】选择氮气材料数据——【复制】

单元区域条件——【流体】——纯流体区域（fluid:0，fluid:1，fluid:3）——修改为氮气
对于多孔介质区域的调整——修改材料为，氮气——开启层流区域，多孔区域面板——指定【Viscous resistance】粘性阻力，1e6，1e6，1e3——【Inertial resistance】惯性阻力，1000，1000，1000

边界条件——【速度入口】——【速度大小】，125——【湍流模型】，Intensity and Hydraulic Diameter（强度和水力直径）——回流湍流强度[%]，5；回流水力直径[m]，0.5——【热量】——温度，800k（决定了氮气在该温度下的一些物理属性）
【压力出口】——表压[Pa]，0（一个标准大气压）——【湍流模型】，Intensity and Hydraulic Diameter（强度和水力直径）——回流湍流强度[%]，5；回流水力直径[m]，0.5

==注意：边界条件一个窗口设置完毕之后即刻需要点击【应用】，随后再切换至下一个设置项目==

求解——【方法】，维持默认——【报告定义】，观测出口表面质量流率

初始化——“混合初始化”不能应用在多孔介质条件下——选择【标准初始化】——【计算参考位置】，选择入口区域——【初始化】

运行计算——迭代次数，150

计算收敛——【文件】——写出——Date文件保存运行结果数据

方程物理量收敛报告文件收敛

3.3结果后处理

创建观测平面——创建一个与ZX平面平行的平面

确认多孔介质对于流体的阻碍作用：建立观测平面上的压力云图和矢量图

压力云图速度矢量，压力图

加入几何模型，联合显示：

建立垂直于进口的多平行平面，建立多平面上的速度云图

流体在流入多孔介质后显示出较均匀的速度分布，多孔介质体现整流作用

4.后台阶流仿真

流程	软件	技术要点
几何	SCDM	局部加密
网格	Fluent Meshing水密工作流	Poly、边界层网格
求解器	Fluent	单相流、湍流、速度压力耦合、无温度
后处理	Fluent	速度矢量图、定量分析、wall Y+、壁面剪切应力与回流点
备注	无	对湍流的模拟展开了详细的介绍，再次讲解了实验数据的对比

4.1前处理网格划分

选择工作流【Watertight Geometry，水密工作流】——导入模型

添加局部尺寸——【尺寸函数类型】，Body Of Influence（体加密效果）——目标网格尺寸1.3——在后台阶流两处易发生湍流的位置——添加局部尺寸
再添加【尺寸函数类型】，Face Size——目标网格尺寸0.65——选择两个湍流矩形区域的边界台面——添加局部尺寸

生成表面网格——调整【最大尺寸】，5——【尺寸函数】，Curvature（曲率）——18——生成表面网格

描述几何结构——【几何结构类型】，几何图形仅由没有空隙的流体区域组成——其余默认

封堵流体区域——在进口处创建速度进口封堵面——流出口处创建压力出口封堵面

更新边界——默认即可（这一环节的边界类型会根据命名进行自动匹配）

更新区域——默认

添加边界层——【偏移方法类型】，Uniform——【层数】，15——【增长率】，1.2——【第一层高度】，0.1——存在于流体区域对固体边界设置——添加边界层
对于【Smooth trasition】的方法，将层状网格和三角形网格进行平滑的过渡

生成体网格——选择多边形区域填充——设置保持默认

生成网格信息：

---------------- 34252 cells were created in : 0.07 minutes

---------------- The mesh has a minimum Orthogonal Quality of: 0.20

4.2求解

模型——【粘性模型】——k-omega (2 egn)——SST——Production Limiter

材料——【流体】——【空气】——修改部分数据【密度(kg/m3)】，constant，1.18——【粘度kg/(ms)】constant，1.85e-05（依据官方案例）

边界条件——【速度入口】——【速度大小】，41.7——【湍流模型】，Intensity and Hydraulic Diameter（强度和水力直径）——回流湍流强度[%]，5；回流水力直径[m]，0.2032
==对于案例中近二维的问题，或者是在Z向无限长度问题，水力直径的计算：2倍截面高度==

求解——【方法】，维持默认——【报告定义】，采用面积加权平均观测出口表面壁面剪切应力（Wall Fluxes…Wall Shear Stress）
采用面积加权平均观测出口表面湍流粘性比（Turbulence…Turbulent Viscosity Ratio），这个量较难稳定
湍动粘度比是指湍动粘度 $μt$ 与动力粘度 $μ$ 的比值 $μt/μ$ ，表征湍流耗散相对于分子粘度耗散的相对重要性，这个比值越大，那么湍流耗散相对分子耗散越强，作用越明显。

初始化——选择【混合初始化】——【初始化】

运行计算——迭代次数，300

计算收敛——【文件】——写出——Date文件保存运行结果数据

方程物理量收敛壁面剪切应力收敛

4.3结果后处理

观察后台阶流速度分布情况：

云图显示速度矢量与台阶流回流显示

显示台阶流的外围轮廓，在此基础上于下地面中间位置加入线

观察 $Y+$ 的数值：

Y轴函数：Turbulence…；Wall Yplus。X轴函数：Direction Vector。line-10

**壁面剪切应力：**用于观测回流点的位置、

Y轴函数：Wall Fluxes…，Wall Shear Stress。X轴函数：Direction Vector。

壁面剪切应力沿X方向的壁面剪切应力

左图表现为最低点的剪切应力位置，右图表现为剪切应力穿越0数值的位置。

在XY图中X轴的数据类型除依据X方向的位置信息以外（取消在X轴上的位置的勾选），还可以选择为自定义场函数、压力、密度、速度、湍流等。
自定义的场函数——上方工具栏【用户自定义】——【场函数】——【自定义】——设置函数

对比仿真结果和实验结果：

【加载外部文件】——绘图——【曲线】——改变方正数据线性为直线——绘图

分布式入口条件导入：

上方工具栏——【读入】——【Profile】——导入
导入数据的查看——【结果】——【Profile数据】——绘制Profile数据——该文件中有X、Y坐标位置及其对应的速度，湍动能和指定扩散率。

数据结果的修正：

为了修正实验数据在边界条件给定中统一数据的误差，需要用新导入的Profile文件中给定的数据重新设置
打开速度入口设置界面——【速度定义方法】，Components——X-速度，Y-速度，【湍流（K and Omega）】湍流动能以及比耗散率都按照导入文件中的数值进行设计

重新进行初始化、求解计算。完成计算后，绘制结果数据。得到修验证后仿真数据、修正前仿真数据、实验数据的对比。

黑色线条表示修正后的实验数据，红色电线表示修正前的实验数据，绿色点表示实验采集的数据。

5.电子芯片散热模型仿真

流程	软件	技术要点
几何	SCDM	共享拓扑
网格	Fluent Meshing水密工作流	Poy、边界层网格、流固共轭模型、进出口封闭
求解器	Fluent	自然对流散热、热辐射
后处理	Fluent	输出对比图片、定量分析对比
备注	无	设计流体换热仿真

5.1前处理网格划分

选择工作流【Watertight Geometry，水密工作流】——导入模型

添加局部尺寸——【尺寸函数类型】，Proximity（邻近度）——目标网格尺寸调整最大和最小网格尺寸 ——【作用于】face——选择散热块的底部以及散热片区域——添加局部尺寸
再添加【尺寸函数类型】，Face Size——目标网格尺寸0.65——选择两个湍流矩形区域的边界台面——添加局部尺寸

生成表面网格——调整【最大尺寸】，18——【尺寸函数】，Proximity（靠近）——【每个间隙的单元】，0.5——生成表面网格

表面网格（整体）表面网格（局部）

Surface Meshing of heat_sink_v3 complete in 0.12 minutes, with a maximum skewness of 0.54 .

描述几何结构——【几何结构类型】，几何图形仅由固体区域组成——其余默认

封堵流体区域——在进口处创建压力进口封堵面——流出口处创建压力出口封堵面（正常散热情况，若添加风冷，将入口改为速度入口）

创建流体区域——1

更新区域——修改solid housing（流体封闭箱体），dead

添加边界层——【偏移方法类型】，smooth-transition——【层数】、3——【增长率】，1.2——【添加】，fluid-regions——【在…上增长】，only-walls——添加边界层
对于【Smooth trasition】的方法，将层状网格和三角形网格进行平滑的过渡

生成体网格——网格类型选择【poly-hexcore】——设置保持默认

生成网格信息：

---------------- 315626 cells were created in : 0.38 minutes

---------------- The mesh has a minimum Orthogonal Quality of: 0.20

5.2求解

设置：

【通用设置】——保持默认选项

【模型】——【能量】，打开——【粘性】，层流
其余模型设置为关闭状态

【材料】——流体选择默认流体“空气”——【密度】，incompressible-ideal-gas（不可压缩理想气体，近似将气体视为不可压缩，密度仅随温度变化而变化，二者之间的关系遵循理想气体方程）

【创建、编辑材料】——【Fluent数据库材料】——Copper（Cu）

添加PCB板材料属性——密度[kg/m3]，constant，1250——Cp(比热)[J/(kgK)]，constant，1300——热导率[W/(mK)]，constant，0.35

添加CPU材料属性——密度[kg/m3]，constant，1900——Cp(比热)[J/(kgK)]，constant，795——热导率[W/(mK)]，constant，10

【单元区域条件】——将新建的各类材料赋予不同的部位

需要注意：在CPU（发热源）需要勾选（源项）——【编辑】——能量源项数量，1——【确定热功】，新表达式，75[W]/Volume([‘solid_heatsource’])（函数，Reduction，Volume；位置，单元区域，选择CPU位置）

【边界条件】——【压力入口】设定——【热量】，45℃——压力，0
【压力出口】设定——【热量】，45℃——压力，0

【工作条件】——开启重力—— $Y[m/s^2]:-9.81$ ——可变密度参数——☑指定的操作密度（当前条件下的环境温度）——工作密度 $[kg/m^3]：1.11$ （45℃下的温度）

求解：

【方法】——【压力】，Body Force Weighted
自然对流条件下的仿真，压力函数只能选择Body Force Weighted Or PRESTO！若采用通用设置或者二阶离散格式，易出现非物理解。

【控制】——默认

【报告定义】——【创建】——【表面报告】——【节点平均】——在区域中创建一个新的点，并观测该点在仿真中的温度变化情况，判断仿真是否完全收敛

【创建】——【体积报告】——【最大】——输出全部计算区域中温度的最大值

【计算监控】——【残差】——设置为0.0001，当方程残差小于该数值，停止计算

【初始化】——混合初始化——初始化

【运行计算】——【伪瞬态设置】——流体时间尺度，User-Specified——时间步方法，Pseudo Time Step Size [s]，3

固体时间尺度，User-Specified——时间步方法，Pseudo Time Step Size [s]，2000

由于固体只计算导热，所以时间步长可以扩大，一般在流体步长1000倍左右

【迭代次数】200（最大迭代次数，若中途收敛，仿真亦会终止）

设置完成求解步骤之前，在文件中写出【Case文件】——Case包含模型、边界等设置情况与网格信息

方程收敛，计算完成

5.3结果后处理

快速筛选观测区域——【域】——【区域】——【相邻】

图像：

与流体相接触的固体边界的热量分布情况。——云图

绘制沿散热块对称线引出，与Y方向平行的线段。并输出该线段上温度随线段的变化情况。——XY图

5.4对比仿真——开启热辐射模型

模型参数定义：

开启辐射模型——【辐射】，开启——【模型】，表面到表面(S2S)——【角系数与群组】，【设置】，保持默认

点击，【计算/写出/读取】

边界条件参数：

【壁面】——设置热源的热辐射系数为0.3——底部PCB板、外壳以及散热片的热辐射系数为0.9

求解收敛：

后处理：

与流体相接触的固体边界的热量分布情况。——云图

绘制沿散热块对称线引出，与Y方向平行的线段。并输出该线段上温度随线段的变化情况。——XY图

红色线条只考虑自然对流换热，黑色线段考虑辐射换热情况

外部机箱温度对比：

6.圆柱绕流模型模拟

模型介绍：

圆柱绕流和雷诺数的关系：

流程	软件	技术要点
几何	SCDM	局部加密
网格	Fluent Meshing水密工作流	Poy、边界层网格
求解器	Fluent	单向流、层流、瞬态仿真
后处理	Fluent	速度矢量图、定量分析、动画录制、傅里叶变换
备注	无	首次进行的瞬态仿真，关注设置、数据获取以及处理

6.1前处理网格划分

选择工作流【Watertight Geometry，水密工作流】——导入模型

添加局部尺寸——【尺寸函数类型】，Body of Influence——目标网格尺寸调整最大和最小网格尺寸 ——添加局部尺寸

生成表面网格——调整【最大尺寸】，0.6——【最小尺寸】，0.02——【尺寸函数】，Curvature（曲率）——【曲率法向角[度]】，12——生成表面网格

描述几何结构——【几何结构类型】，几何图形仅由没有空隙的流体区域组成——其余默认

封堵流体区域——在进口处创建速度进口封堵面——流出口处创建压力出口封堵面

更新区域——修改圆柱，壁面——速度入口——压力出口——其余面对称

添加边界层——【偏移方法类型】，Uniform——【层数】、5——【增长率】，1.2——【第一层】，0.02——【添加】，fluid-regions——【在…上增长】，only-walls——添加边界层
对于【Smooth trasition】的方法，将层状网格和三角形网格进行平滑的过渡

生成体网格——网格类型选择【poly-hexcore】——设置保持默认

6.2求解

设置：

【通用设置】——保持默认选项

【模型】——【粘性】，层流
其余模型设置为关闭状态

【材料】——流体选择默认流体“空气”——方案设计在雷诺数100（密度×速度×特征尺寸/粘度）下的效果，假定密度、速度、特征尺寸均为1，粘度为0.01

【边界条件】——【速度入口】设定——【速度大小】，1
【压力出口】设定——【热量】，45℃——压力，0

求解：

【方法】——【方案】，SIMPLE（分离求解器）——其余默认

【控制】——默认

【报告定义】——【创建】——【表面报告】——【节点平均】——在圆柱绕流的后上方创建一个观察点，观察该点在Y方向上的速度

【计算监控】——【残差】——设置为0.0001，当方程残差小于该数值，停止计算

【初始化】——混合初始化——初始化

【运行计算】——【迭代次数】400（最大迭代次数，若中途收敛，仿真亦会终止）

设置完成求解步骤之前，在文件中写出【Case and Date文件】——Case包含模型、边界等设置情况与网格信息

残差与检测的量：

检测的量

该问题的瞬态性较强，方程无法收敛，不能得到稳态解。

6.3结果后处理

图像：

流场中的速度分布情况——云图——表现出明显的不对称分布

流场中的速度矢量——矢量图——在圆柱后方表现出涡街的形态

6.4对比仿真——开启瞬态计算

【设置】——【通用】——【时间】——瞬态

求解：

【求解方法】——【方案】——PISO
【时间项离散格式】——First Order Implicit（默认）；Second Order Implicit（高精度）；Bounded Secorsrder Implic（极高精度）

【控制】——【亚松驰因子】——压力，0.5

【初始化】——采用当前稳态计算的结果作为初始化

【计算检测】——【编辑报告图】——X轴标签，flow-time

【运行计算】——【时间步长】，0.1——【时间步数】，120——【最大迭代数/时间步】，20

后处理：

瞬态仿真的残差与检测的量

检测的量

6.5对比仿真——动画设置预备录制

生成动画预文件：

【计算设置】——【解决方案动画】——【存储类型，HSF File】（一种硬盘占用量较小的文件格式）——【动画对象】，云图——【预览】——更改视角——使用激活（保存并使用自己设置的视角）

【计算设置】——【自动保存】（可以避免由于计算中的中途发散和意外而导致的数据流大量损失）——【保存数据文件间隔，10，Time Steps】——【文件名】后可以增加后缀名（.h5/.gz，两款压缩文件格式）

求解：

【求解】——【方法】——Fractional Step——无迭代时间推进(NITA)

一般来说，分离算法单次迭代速度更快，而耦合算法通常需要更少的迭代来收敛。因此，常建议将耦合求解器用于稳态模拟。对于瞬态仿真，耦合求解器具有最佳的稳健性，尤其是在大时间步长时，但 SIMPLEC、PISO 或 NITA 等分离散发可能会为小时间步长提供更快的整体求解时间。

【运行计算】——【时间步长】——0.05（s）——【时间步数】，240

文件夹：

.cxa——动画录制的设置文件

.hsf——保存的图片文件

.cas.gz——10个时间间隔保存的数据文件

**结束求解：**右下方选项——时间步结束时停止（再迭代一个完整时间步后停止）

后处理：

可以直接导出视频文件，也可以导出单帧的图片文件采用第三方视频处理软件处理

**傅里叶变换：**得到时域与频域之间的关系

输出原始报告文件中的数值文件——将数值文件导入【绘图】，【FFT】

7.基于SCDM的球阀模型仿真

模型介绍：

流程	软件	技术要点
几何	SCDM	参数化仿真，基于标注平面的输入参数设置（阀芯的开度）
网格	Fluent Meshing水密工作流	参数化仿真流程中的水密工作流
求解器	Fluent	速度入口、压力出口、输出参数指定
后处理	Fluent	基于Workbench的参数化及优化
备注	无	介绍了基于SCDM的参数化仿真和基于Workbench的优化

7.1基于SCDM软件的球阀开度参数化设定

特征尺寸表述：

标记球阀开关与中间阀体之间的角度：【详细】——【尺寸】——选择阀开关边缘线与下方阀体圆面

更改参数：

【设计】——【移动】——三击选择球阀阀芯实体——更改角度尺寸标注

参数自动化更改：

点击蓝色旋转符号——选中需要更改的角度，如上图（39°）——左侧工具栏——【群组】——【创建参数】

创建边界命名：

选择流体进口——左侧工具栏——【群组】——【创建NS】——命名流体进口与出口

共享拓扑：

【结构】——选择整体模型（BallValve）——【属性面板】——【分析】——【共享拓扑】——共享

将模型导入WB，创建工作流程

创建工作流程开始网格划分

7.2球阀内流场网格划分

在WB中打开Fluent Mesh，

选择工作流【Watertight Geometry，水密工作流】——导入模型

添加局部尺寸——no

生成表面网格——调整【最大尺寸】，2.5——其余默认——生成表面网格

描述几何结构——【几何结构类型】，几何图形仅由固体区域组成——其余默认

封堵流体区域——在进口处创建速度进口封堵面——流出口处创建压力出口封堵面

创建区域——一个流体区域

更新区域——默认

添加边界层——【偏移方法类型】，smooth-transition——【层数】、5——其余默认——添加边界层
对于【Smooth trasition】的方法，将层状网格和三角形网格进行平滑的过渡

生成体网格——网格类型选择【poly-hexcore】——仅生成流体区域的网格

[Quality Measure : Inverse Orthogonal Quality]

---------------- 71164 cells were created in : 0.08 minutes

---------------- The mesh has a minimum Orthogonal Quality of: 0.11

创建下一个任务——【改进体网格】——【单元质量限制，0.15】

【文件】——【保存项目】——将保存至WB中形成.wbpj文件

7.3Fluent中的求解设置

设置：

【通用设置】——保持默认选项

【模型】——【粘性】，默认，其余模型设置为关闭状态

【材料】——默认

【边界条件】——【速度入口】设定——【速度大小】，5
【压力出口】设定——默认

求解：

【方法】——默认

【控制】——默认

【报告定义】——【创建】——【表面报告】——【面积加权平均】——创建位于速度入口的压力报告

【计算监控】——【残差】——设置为0.0001，当方程残差小于该数值，停止计算

【初始化】——混合初始化——初始化

【运行计算】——【迭代次数】300（最大迭代次数，若中途收敛，仿真亦会终止）

关闭软件，过程文件将自动保存在WB中。

7.4基于Workbench的参数化仿真

开启求解：

【参数集】——对应参数——【更新选定的设计点】

查看模型收敛情况：

收敛

参数收敛压力收敛

角度参数的优化对比：

在表格新增角度参数的其余数值，并选择希望保留Date文件的参数，勾选其后方框。

左上工作栏——【更新全部设计点】

得到不同球阀阀芯角度下的试验数值

7.5优化设计

响应面优化：【设计探索】——响应面优化——拖动至项目原理图

实验设计：【项目】面板——点击【实验设计】
【试验设计面板】——原理图C2【试验设计】——属性轮廓A2【实验设计】——实验类型设计【拉丁超立方体抽样设计】

选定数据范围：——原理图C2【试验设计】——P1-angle——【下届】，15——【上界】，30

**布点，计算：**上方工具栏【预览】——在”轮廓A5:实验设计的设计点“中会自动布点

上方工具栏【更新】，即可开始计算——计算结果会根据选定实验设计类型所对应的方法进行处理

响应面生成：【项目】面板——点击【响应面】
选定【响应面类型】——上方工具栏【更新】——原理图C3【响应面】——【响应点】——【响应】

通过拟合曲线，可以实验由几何条件直接推到结果
轮廓A15:响应点中输入初始角度，可以得到由拟合结果推导的数据值

优化：【项目】面板——点击【优化】

轮廊原理图c4:优化——确定【目标与约束】——输入目标量以及目标类型——【优化】——【更新】

8.离心泵模型仿真

模型概述：

流程	软件	技术要点
几何	——	——
网格	——	——
求解器	Fluent	冻结转子模型，交界面模型，湍流，表达式
后处理	Fluent	速度失量图、云图等
备注	无	典型的旋转机械流场仿真