1.2 FLUENT 14介绍
在本节中，将向读者展示最新版本的FLUENT 14的一些基本特征，方便读者对于最新版本的FLUENT有一个大概的了解。
1.2.1 FLUENT软件简介
FLUENT软件采用有限体积法，提供了三种数值算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，分别适用于不可压、亚声速、跨声速、超声速乃至高超声速流动。下面具体说明一下。
1.非耦合隐式算法（Segregated Solver）
该算法源于经典的SIMPLE算法。其适用范围为不可压缩流动和中等可压缩流动。这种算法不对纳维-斯托克斯（Navier-Stoke S，N-S）方程联立求解，而是对动量方程进行压力修正。
该算法是一种很成熟的算法，在应用上经过了很广泛的验证。这种方法拥有多种燃烧、化学反应及辐射、多相流模型与其配合，适用于低速流动的CFD模拟。
2.耦合显式算法（Coupled Explicit Solver）
这种算法由美国FLUENT公司与NASA联合开发，主要用来求解可压缩流动。该方法与SIMPLE算法不同，其对整个N-S'方程组进行联立求解，空间离散采用通量差分分裂格式，时间离散采用多步Runge-Kutta格式，并采用了多重网格加速收敛技术。
对于稳态计算，还采用了当地时间步长和隐式残差光顺技术。该算法稳定性好，内存占用小，应用极为广泛。
3.耦合隐式算法（Coupled Implicit Solver）
该算法是其他所有商用CFD软件都不具备的。该算法也对N-S'方程组进行联立求解，由于采用隐式格式，因而计算精度与收敛性要优于Coupled Explicit方法，但却占用较多的内存。该算法另一个突出的优点是可以求解全速度范围，即求解范围从低速流动到高超声速流动。
注意
在最新版本的FLUENT中，已经将原来使用的这三种算法去掉，取而代之的是压力基准（Pressure-Based）算法和密度基准（Density-Based）算法。
一般来说，压力基准算法用于求解不可压缩流动，密度基准算法用于求解可压缩流动。但新版的FLUENT为了提升适用性，在一些情况下，两者区分不是非常明显。
1.2.2 FLUENT软件功能
FLUENT软件几乎已成为航空领域CFD分析的标准，特别是在ANSYS公司收购FLUENT以后针对航空领域做了大量高技术含量的开发工作。FLUENT可以用于但不限于以下技术领域：
● 内置六自由度刚体运动模块配合强大的动网格技术用于模拟飞行器外挂物分离；
● 领先的转捩模型精确计算层流到湍流流场；
● 非平衡壁面函数和增强型壁面函数及压力梯度修正大大提高边界层回流计算精度；
● 多面体网格技术大大减小网格量并提高计算精度、基于密度算法解决高超声速流动；
● 高阶格式可以精确捕捉激波、噪声模块解决航空领域的气动噪声问题；
● 非平衡火焰模型用于航空发动机燃烧模拟；
● 旋转机械模型及虚拟叶片模型广泛用于螺旋桨旋翼CFD模拟；
● 先进的多相流模型及动网格技术，用于恶劣飞行条件下的结冰数值模拟；
● 中文（HPC）大规模高效并行技术。
1.2.3 网格技术
网格是FLUENT求解的基础，下面介绍FLUENT计算中采用的网格技术。
1.网格自适应技术
FLUENT采用网格自适应技术，可根据计算中得到的流场结果反过来调整和优化网格，从而使得计算结果更加准确。
该技术是目前在CFD技术中提高计算精度最重要的技术之一，尤其对于有波系干扰、分离等复杂物理现象的流动问题，采用自适应技术能够有效地捕捉到流场中的细微的物理现象，可大大提高计算精度。
FLUENT软件具有多种自适应选项，可以对物理量值、物理量的空间微分值（如压力梯度）、网格容积变化率、壁面y*/y+值等进行自适应。
2.多重网格初始化（FMG）技术
较好的初始流场能够大大提高问题的收敛速度。FLUENT提供了自动在后台操作的FMG方法，在粗网格上先用一阶精度的无黏欧拉方程计算得到较好的初始化流场，然后一步步细化网格求解N-S'方程得到精确解。
FMG方法对于包含较大压力、速度梯度的流动问题非常有用，在某些情况下收敛时间可缩短至原来的1/5。
3.多面体网格技术
FLUENT新版本增加了多面体网格功能，可以把四面体网格量减少约2/3，而且计算精度可大大提高。多面体网格的最大的优点是有很多邻居单元（通常为10），所以，能更精确地计算控制体的梯度（采用线性分布和利用最近的邻居单元即可）。甚至在边部和角部，多面体网格通常也会有多个邻居单元，这样可以正常计算梯度和局部流动分布。当然邻居控制体越多，需要内存和每个网格上计算量越大，这些可在精度上得到补偿。
多面体网格尤其适用于处理回流问题。测试表明在顶盖驱动流要达到一定精度，需要的多面体网格数量甚至比六面体网格还少。
这种现象可这样解释：对于六面体网格，它有3个流动方向可能导致最大的精度，而对于有12个面的多面体网格由于它有更多的邻居单元，存在6个最优的方向，这样可能采用更少的网格就能取得更高的精度。
说明
通过很多例子比较可知，采用多面体网格，相比于四面体网格，只需要1/4网格量，1/2的内存，1/10的计算时间就能得到相同的计算精度，此外收敛性能更好，而且通常不需要调整求解器的参数。
1.2.4 FLUENT求解器
FLUENT软件基于有限体积法，提供了三种数值算法，包括基于压力的分离算法（Pressure Based Segregate Solver）、基于密度的耦合显式算法（Density Based Explicit Solver）、基于密度的耦合隐式算法（Density Based Implicit Solver），是商用软件中最多的。
1.基于压力的分离算法
该算法源于经典的SIMPLE算法，其适用范围为不可压缩流动和中等可压缩流动。这种算法不对N-S'方程联立求解，而是对动量方程进行压力修正，是一种很成熟的算法，在应用上经过了很广泛的验证。这种方法可以与燃烧、化学反应、辐射、多相流模型配合，解决流动传热问题。
2.基于密度的耦合显式算法
这种算法是由FLUENT公司与NASA联合开发的，主要用来求解可压缩流动（跨声速、超声速流动乃至高超声速）。该方法与SIMPLE算法不同，其对整个N-S方程组进行联立求解，空间离散采用通量差分分裂格式，包括ROE-FDS格式及目前最先进的算法之一AUSM格式，在间断分辨率、黏性分辨率及稳定性方面均有良好表现，时间离散采用多步Runge-Kutta格式，并采用了自动多重网格加速收敛技术。
3.基于密度的耦合隐式算法
该算法对N-S'方程组进行联立求解，由于采用隐式格式，因而计算精度与收敛性要优于基于压力的分离算法，但却占用较多的内存。该算法另一个突出的优点是可以求解全速度范围，即求解范围从低速流动到高超声速流动。
说明
FLUENT 6.3版本以后在压力-速度耦合方法中新增了耦合压力基算法，比压力基算法有更好的收敛性，比密度基算法计算代价小。
在方程离散格式新增了三阶精度的MUSCL格式，而且新增的密度基算法可以用于高马赫（Ma）数流动计算中，可以实现隐式耦合计算（和ANSYS CFX算法类似），在通量离散中ROE格式基础上新增AUSM三阶离散精度格式，可以更好地捕捉高马赫数下的激波。
ANSYS FLUENT 14在算法的稳定性和精确性上也有明显改进，借鉴ANSYS CFX算法，可以实现一阶到高阶的混合格式。而且在激波处理上也作了改进，可以选择不可压、亚声速、跨声速、超声速、高超声速四种不同的流动计算类型，FLUENT求解器中可以自动选择不同的Courant Number开始计算。这种处理方法可以大大提高激波计算的收敛性和稳定性。
1.2.5 动网格
FLUENT的动网格功能在商业CFD软件中是非常强大的，它提供了弹簧压缩法、动态铺层法、局部重构法三种网格重建方法，三种方法可以任意组合模拟流场的复杂运动。FLUENT还提供了三种专用的动网格模型：活塞运动、六自由度投放及两维半模型。
1.2.6 材料库
FLUENT具有丰富的物质材料库，包括常用的流体物质（如液态水、蒸汽状态水、酒精、煤油、空气等）、固体物质（如铝、铜、石墨等）及混合物，各种物质的密度、比热容、导热系数、黏度、汽化潜热等参数都可以直接从数据库中得到，并且这些物质属性可以为常数、函数形式的变量，或者用用户自定义函数（Vser Defined Function，VDF）设置成用户想要的形式。
例如，传热计算中，比热容对系统的温度模拟结果影响非常大，采用输入变比热容的形式可以提高计算精度。如果自带的材料库不能满足用户需求，那么FLUENT会提供方便的界面供用户输入自己所需要材料的物性，以便在计算中使用。
1.2.7 UDF
FLUENT软件不仅提供了以上各种丰富的物理模型及灵活的参数设置方式，而且为了满足用户的特殊需求还提供了二次开发接口功能。
UDF采用用户所熟悉的C/C++语言编写，然后动态加载到FLUENT环境中使用，可以使用户方便地在FLUENT中实现自己所需要的特定功能。
1.2.8 后处理功能
FLUENT 12版本采用CFD-Post做通用后处理，CFD-Post具有强大的后处理功能，能够显示CFD计算所需要的参数，包括矢量图、等值线图、等值面图、流动轨迹图；可以清晰地显示压强、Ma数、Re数、温度等参数；并具有积分功能，可以求得通过壁面的热流通量、辐射热流量、质量流率等。
对于用户关心的参数和计算中的误差可以随时进行动态跟踪显示；对于多相流，还提供组分、蒸发率分布等参数。
CFD-Post的后处理可以生成有实际意义的图片、动画、报告，这使得CFD的结果可非常容易地被转换成工程师和其他人员可以理解的图形。
1.2.9 并行技术
单CPU计算往往难以满足现代设计的要求，因而并行计算能力也是考核CFD软件的重要指标之一。涉及点火初始流场压力的剧变、燃烧、火焰面的捕捉等一系列复杂的物理过程，而且几何非常复杂；燃烧和复杂化学反应等问题要计算多组分方程组，比单相流动的计算量要大得多；另外，整个计算要考虑动边界问题，这种非定常过程的计算量也相当巨大，传统单CPU的计算是难以承受的。FLUENT并行功能具有以下技术和特点。
（1）自动分区技术：FLUENT软件采用自动分区技术，自动保证各CPU的负载平衡，并且能够在计算中自动根据CPU负荷重新分配计算任务。
（2）并行效率：FLUENT软件的并行效率很高，加速比随CPU数目增加几乎为线性增长，因而大大缩短了计算时间。
（3）支持网络并行：除支持单机多CPU的并行计算外，FLUENT还支持网络分布式并行计算。FLUENT内置了MPI并行机制，大幅提高了网络分布式并行计算的并行效率。
ANSYS FLUENT 14在计算速度上有明显提高，求解内核加速了10%～30%，而且在并行效率和数据传输速度上也有大大提高。