fluent软件的技术特点及其在暖通空调领域的应用

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1、Fluent软件的技术特点及其在暖通空调领域的应用赵琴（.西华大学能源与环境工程系）摘要介绍了计算流体动力学（CFD）技术的一般结构，着重阐述了商用CFD软件中市场占有率最大的FLUENT软件的主要特点，并举例说明FLUENT在暖通空调领域中的应用，以传统壁挂式空调环境下的气流组织为例，用该软件进行数值模拟，分析室内温度场的变化情况。关键词CFD技术FLUENT软件暖通空调1．CFD技术概况CFD(ComputationalFluidDynamics)即计算流体动力学是20世纪60年代起伴随计算机技术迅速崛起的学科，经过半个世纪

2、的迅猛发展，这门学科已经相当成熟。各种CFD通用性软件包陆续出现，成为商品化软件，为工业界广泛接受，性能日趋完善，应用范围不断扩大，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水力、环境化工等诸多领域，暖通空调行业是CFD技术应用的重要领域之一。http://www.chinagb.net各种CFD通用软件的数学模型的组成都是以纳维-斯托克斯方程组与各种湍流模型为主体，再加上多相流模型、燃烧与化学反应流模型、自由面模型以及非牛顿流体模型等。大多数附加的模型是在主体方程组上补充一些附加源项、附加输运方程与关系式。随着应用范围的不断扩大

3、和新方法的出现，新的模型也在增加[1]。能源世界—中国建筑节能网CFD数值求解方法主要有有限差分法、有限单元法、边界元法以及有限分析法。其中以有限差分法和有限单元法为主。有限差分法从微分方程出发，将计算区域经过离散处理后，近似的用差分、差商来代替微分、微商，这样微分方程和边界条件的求解就可以归纳为一个线形代数方程组的数值求解。空调室内的流场、温度场和浓度场的数值模拟，长期以来几乎全部采用有限差分法。有限单元法汲取了有限差分法中离散处理的内核，同时又继承了变分计算中选择试探函数并对求解区域积分的合理方法。在有限单元法中，试探函数的

4、定义和积分范围不是整个区域，而是从区域中按实际需要划分的单元。经过比较发现对于边界形状较规则的研究区域如矩形区域，二者模拟效果相同；而对于边界形状较复杂的区域，有限单元法模拟效果更好。目前大多数的商用CFD软件都采用的是有限单元法。此外，CFD软件都配有网格生成（前处理）与流动显示（后处理）模块。网格生成质量对计算精度与稳定性有很大的影响，因此网格生成能力的强弱是衡量CFD软件性能的一个重要因素。网格分为结构性网格和非结构性两大类。目前广泛采用的是结构性网格。对于较复杂的求解域，构造结构性网格时要根据其拓扑性质分成若干子域，各子

5、域间采用分区对接或分区重叠技术来实现。非结构性网格不受求解域的拓扑结构与边界形状限制，构造起来很方便，而且便于生成自适应网格，能根据流场特征自动调整网格密度，对提高局部区域计算精度十分有利。但是非结构性网格所需内存量和计算工作量都比结构性网格大很多。因此，两者结合的复合型网格是网格生成技术的发展方向。目前，FLUENT软件（后面要专门介绍）已具有这种功能。CFD软件的流动显示模块都具有三维显示功能来展现各种流动特性，有的还能以动画功能演示非定常过程。尽管流动显示与流场计算没有内在联系，但为方便用户，流场计算的输出端应与图形处理软

6、件方便连接。FLUENT软件的后处理模块做的比较好。http://www.chinagb.net下面具体针对目前市场占有率最高的FLUENT软件阐述其应用。2．FLUENT软件的主要特点CFD通用软件包的出现与商业化，能源世界—中国建筑节能网对CFD技术在工程中应用的推广起了巨大的促进作用。1998年，全球市场占有率最高的CFD软件——FLUENT正式进入中国市场，为目前CFD主流商业软件，其市场占有率达40%左右。FLUENT软件设计基于“CFD计算机软件群的概念”，针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法以在计

7、算速度、稳定性和精度等方面达到最优[2]。FLUENT软件的结构由前处理、求解器及后处理三大模块组成。FLUENT软件中采用GAMBIT作为专用的前处理软件，使网格可以有多种形状。对二维流动可以生成三角形和矩形网格；对于三维流动，可以生成四面体、六面体、三角柱和金字塔等网格；结合具体计算，还可以生成混合网格，其自适应功能，能对网格进行细分或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。FLUENT软件采用的二阶上风格式是Barth与Jespersen针对非结构网格提出的多维梯度重构法（multi-dimensionalgradie

8、ntreconstruction），后来进一步发展，采用最小二乘法估算梯度，能较好的处理畸变网格的计算。FLUENT率先采用非结构网格使其在技术上处于领先。FLUENT软件的核心部分是纳维-斯托克斯方程组的求解模块。用压力校正法作为低速不可压流动的计算方法，包括