Fluent軟件的學(xué)習(xí)包含基礎(chǔ)部分和進(jìn)階部分，通常我們學(xué)習(xí)Fluent軟件，都是從一個(gè)最簡(jiǎn)單的三通管開始的。

圖1 Fluent的標(biāo)準(zhǔn)初學(xué)案例——三通管混合換熱

ANSYSFluent官方的基礎(chǔ)培訓(xùn)課程表，通常只包括以下幾個(gè)方面：

●幾何與網(wǎng)格的前處理

●基本界面操作

●邊界條件及材料設(shè)定

●求解設(shè)定及收斂條件

●仿真后處理

關(guān)于Fluent基礎(chǔ)物理模型的培訓(xùn)，也只包含3個(gè)最為常用的物理場(chǎng)景：

●基礎(chǔ)湍流模型

●基礎(chǔ)傳熱模型

●瞬態(tài)問題分析

通常情況下，學(xué)完了以上的課程，可以認(rèn)為我們掌握了基本的Fluent技能，可以解決一般性的、簡(jiǎn)化后的流體分析問題，具備了初級(jí)的流體仿真能力。

圖2 基礎(chǔ)Fluent培訓(xùn)課表

當(dāng)然，僅僅具備這些基礎(chǔ)的流體仿真技能還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，F(xiàn)luent軟件的本質(zhì)仍舊屬于工程，仿真的目的是為了解決實(shí)際的工業(yè)問題。因此，如果我們使用Fluent進(jìn)行計(jì)算的情形不能應(yīng)用在產(chǎn)品上，不能為研發(fā)、設(shè)計(jì)提供支持，那么這一切將毫無意義。

隨著Fluent軟件十幾年的發(fā)展，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、電力、石油、化工、機(jī)械、傳播、電子、生物等多個(gè)行業(yè)。對(duì)于絕大多數(shù)的工業(yè)品，也都對(duì)應(yīng)有相對(duì)成熟的流體仿真方案。

但是，幾乎所有的Fluent行業(yè)應(yīng)用，都不能僅僅依靠基礎(chǔ)的流體技術(shù)來完成，必須要借助進(jìn)階的Fluent模型才能夠滿足不同產(chǎn)品的特有需求。這也對(duì)我們Fluent 工程師提出了更高的要求，只有掌握高級(jí)的Fluent模型和適合產(chǎn)品的仿真方法，才能真正的成為一名合格的仿真工程師。

那么，在各個(gè)行業(yè)中，有哪些Fluent的進(jìn)階模型是需要我們學(xué)習(xí)和掌握的呢？不同的工業(yè)品對(duì)應(yīng)的仿真思路和方法又有哪些側(cè)重？接下來就簡(jiǎn)單的做以介紹。

圖3Fluent工程師的進(jìn)階之路

★ 進(jìn)階之路一：多相流模型

FLUENT中的多相流模型廣泛的應(yīng)用于石油、化工、核工業(yè)、能源等行業(yè)，涉及到的工業(yè)品有鼓泡塔、旋風(fēng)分離器、流化床、核工業(yè)品等。如果我們已經(jīng)從事或希望在以后的工作中從事這一類產(chǎn)品的仿真工作，那么多相流模型就是必不可少的技能。

多相流可以幫助我們研究難以探測(cè)的設(shè)備，理解復(fù)雜的相間現(xiàn)象。歐拉多相流模型利用流體方程的分離方法，可以有效求解流體或相間的相互滲透；拉格朗日多相流（DPM）模型適用于離散相的仿真計(jì)算，如噴霧干燥器、煤炭燃燒、液體燃料注入等；VOF模型可以追蹤不相溶相間的界面，但并不過多的增加計(jì)算的規(guī)模；相變模型（Phase Changes）可以計(jì)算蒸發(fā)/冷凝、融化/凝固等現(xiàn)象，很多都是當(dāng)下最為熱門的仿真需求。

圖3 Fluent中的多相流仿真

★ 進(jìn)階之路二：多重參考系和動(dòng)網(wǎng)格模型

FLUENT的多重參考系和動(dòng)網(wǎng)格模型是非常強(qiáng)大的，允許我們模擬任意的、復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如內(nèi)燃機(jī)、閥門、漂浮船只、火箭發(fā)射等場(chǎng)景，都可以使用Fluent進(jìn)行仿真。如果我們希望以后在航空、航天、汽車、能源等行業(yè)繼續(xù)仿真的工作，那么掌握多重參考系和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，則是一個(gè)明智的選擇。攪拌器、水泵、離心機(jī)、壓氣機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用都離不開仿真的支持。因此，多重參考系與動(dòng)網(wǎng)格模型，也是一條實(shí)用的Fluent工程師進(jìn)階之路。

圖4 Fluent中的旋轉(zhuǎn)機(jī)械仿真

★ 進(jìn)階之路三：聲學(xué)模型

氣動(dòng)聲學(xué)對(duì)許多工業(yè)應(yīng)用而言，都是一個(gè)關(guān)注的重點(diǎn)，F(xiàn)LUENT則可以計(jì)算由不穩(wěn)定壓力波引起的噪聲。如果我們的工程師希望以后在電機(jī)、風(fēng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械領(lǐng)域拓展自我的技術(shù)特長(zhǎng)，或是工作在汽車、航空、航天等涉及到NVH的行業(yè)，那么對(duì)于氣動(dòng)聲學(xué)（噪聲）的仿真需求，仍舊是非常巨大的。

Fluent中具備多種聲學(xué)模型，可以計(jì)算氣動(dòng)噪聲來源的相關(guān)問題，如：瞬態(tài)的大渦模擬，可以預(yù)測(cè)并得到壓力分布，隨后通過內(nèi)置的快速傅立葉變換工具，可以將其轉(zhuǎn)換為頻率頻譜；FW-H模型可以模擬從鈍體障礙物到旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉片等氣動(dòng)聲源的傳播。寬頻噪聲源模型允許基于穩(wěn)態(tài)進(jìn)行仿真，是一個(gè)快速評(píng)估修改設(shè)計(jì)的實(shí)用工具。當(dāng)然，F(xiàn)LUENT還可以與其他聲學(xué)軟件如ACTRAN，SYSNOISE進(jìn)行耦合，聯(lián)合對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行精確仿真。因此，掌握Fluent的聲學(xué)技術(shù)，實(shí)際上是相當(dāng)一部分流體工程師穩(wěn)妥可靠的進(jìn)階之路。

圖5 Fluent中的聲學(xué)仿真

★ 進(jìn)階之路四：熱輻射與高級(jí)傳熱模型

雖然換熱模型是Fluent中最為基礎(chǔ)的求解設(shè)置，但是對(duì)于行業(yè)內(nèi)的一些復(fù)雜問題，仍舊要求我們工程師掌握更多的進(jìn)階技能才能準(zhǔn)確完成任務(wù)。無論是傳統(tǒng)的電子散熱行業(yè)，還是當(dāng)下最受歡迎的新能源電池行業(yè)，或是相對(duì)冷門的室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化（如農(nóng)學(xué)等），對(duì)于仿真的需求還是相對(duì)較高的。因此，掌握高級(jí)的傳熱模型和熱輻射技術(shù)，也是Fluent工程師進(jìn)階的一條快速道路。

圖6 Fluent中的高級(jí)傳熱仿真

★ 進(jìn)階之路五：燃燒與化學(xué)反應(yīng)

Fluent中的燃燒與化學(xué)反應(yīng)模型可以仿真絕大多數(shù)的氣體、煤、液體燃料等進(jìn)行燃燒的過程，也具備仿真氣體和固體表面（給定材料）之間的反應(yīng)的能力。與此同時(shí)，F(xiàn)luent還能夠?qū)Ox、SOx和其它污染物的形成進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。這些燃燒與化學(xué)反應(yīng)的仿真方法在多個(gè)行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用，如石油、石化、能源、電力、汽車、航空等。

大量的相關(guān)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)之初，也都希望擁有仿真的支持，比如LNG儲(chǔ)罐的泄露、鍋爐燃燒效率、噴霧器的燃燒、顆粒表面沉降等。當(dāng)然，這些問題對(duì)應(yīng)的難度也相對(duì)較大，往往需要與多相流模型、高級(jí)湍流模型、熱輻射模型等聯(lián)合使用。

可以毫不夸張的講，熟練掌握Fluent燃燒與化學(xué)反應(yīng)技能的工程師，是整個(gè)流體仿真行業(yè)中最炙手可熱、最具技術(shù)含量的。

圖7 Fluent中的燃燒與化學(xué)反應(yīng)仿真

★ 進(jìn)階之路六：多物理場(chǎng)（流固）耦合

流固耦合是流體力學(xué)與結(jié)構(gòu)力學(xué)交叉而生的一門力學(xué)學(xué)科，主要研究變形固體在流場(chǎng)作用下的各種行為以及固體位移對(duì)流場(chǎng)的影響。

因此，能夠熟練使用流固耦合的工程師必須要同時(shí)掌握結(jié)構(gòu)和流體兩類完全不同的軟件，本質(zhì)上可以認(rèn)為也屬于Fluent工程師的進(jìn)階方向。需要注意的是，我們所熟識(shí)的自然界中大部分現(xiàn)象都是流固耦合的結(jié)果，而日常單純的流體仿真計(jì)算，則是需要忽略固體的變形才能有效進(jìn)行下去。

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，越來越多的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段無法忽視多場(chǎng)之間的相互影響，而是希望主動(dòng)去研究，以得到更加準(zhǔn)確的結(jié)論。在這樣的環(huán)境下，多場(chǎng)耦合技術(shù)將在不遠(yuǎn)的未來變成Fluent工程師的“必修課”，因此，學(xué)習(xí)額外的多物理場(chǎng)耦合仿真知識(shí)（結(jié)構(gòu)、電磁等），也是對(duì)流體工程師推薦的前進(jìn)方向。

圖8 基于Fluent的流固耦合仿真

雖然“條條大路通羅馬”，但“藝多不壓身”

雖然每條進(jìn)階的Fluent之路看似相對(duì)獨(dú)立，但是實(shí)際上對(duì)于每個(gè)流體工程師而言，具備完整全面的仿真能力也是必要的。正所謂“藝多不壓身”，下面幾條“看家本領(lǐng)”無疑能夠廣泛應(yīng)用在所有的工業(yè)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，成為流體工程師的技能支撐。

★ 看家本領(lǐng)一：參數(shù)化與優(yōu)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化仿真，其主要的作用是實(shí)現(xiàn)多工況的重復(fù)執(zhí)行工作，可以為CAE工程師節(jié)省大量的時(shí)間成本，將人工的操作交由電腦來完成。因此，掌握參數(shù)化技術(shù)，可以高效解放工程師的雙手，也可以讓工程師把更多的精力放在更為復(fù)雜的研究分析之中，避免陷入簡(jiǎn)單重復(fù)勞動(dòng)的低效陷阱。

優(yōu)化設(shè)計(jì)也是全行業(yè)需求的技能，F(xiàn)luent可以與Workbench聯(lián)合使用，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化；并結(jié)合DOE等多種算法，進(jìn)行響應(yīng)面的計(jì)算，從而獲得最優(yōu)解。同時(shí)，F(xiàn)luent還具備基于伴隨求解器（adjoint solver）的拓?fù)鋬?yōu)化技能，可以進(jìn)行高自由度的流體仿真優(yōu)化，是強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具。

★ 看家本領(lǐng)二：用戶自定函數(shù)

Fluent中的用戶自定義函數(shù)UDF是靈活、強(qiáng)大的二次開發(fā)工具，廣泛的應(yīng)用在幾乎所有的流體仿真產(chǎn)品之中。由于Fluent的基本界面功能相對(duì)有限，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)際產(chǎn)品的特殊要求（如材料屬性隨時(shí)間變化、發(fā)熱功率和溫度有關(guān)等），這就需要我們進(jìn)行額外的編程來擴(kuò)展案例的可靠性。

因此，UDF也屬于Fluent工程師必備的“武藝”之一，如果我們希望在流體仿真領(lǐng)域具備獨(dú)立完成任務(wù)的能力，那就必須掌握UDF。

★ 看家本領(lǐng)三：湍流技術(shù)

湍流是流體區(qū)別于固體特性的最主要因素，也是隨機(jī)性的代名詞，可以說，流體的仿真研究其實(shí)就是各種湍流的研究，難點(diǎn)也集中在湍流。

Fluent軟件中的湍流模型，實(shí)際上是匯集了幾代流體力學(xué)學(xué)家的智慧和心血，當(dāng)然也提供了多種多樣的選擇。

如果一名Fluent仿真工程師不懂湍流，那恐怕也是對(duì)不起自己流體從業(yè)者的名頭。因此，掌握湍流技術(shù)是任何一名流體相關(guān)人員的必修課。

對(duì)于想要從事流體仿真工程師崗位的高校學(xué)生和轉(zhuǎn)行工程師來說，僅僅是掌握了Fluent軟件的操作方法，并不等于會(huì)做仿真。

編輯：黃飛