Введение. 
Расчет течений жидкостей и газов с помощью универсального программного комплекса Fluent

Программный комплекс Fluent позволяет решать задачи:

• — течения жидкостей и газов в каналах произвольной формы;
• — внешнего обтекания;
• — теплопередачи (вынужденная и свободная конвекция, теплопередача и лучистый теплообмен);
• — течения со свободными поверхностями;
• — течения многофазных сред;
• — течения реагирующих потоков, включая горение;
• — движения твердых частиц и капель жидкости в потоке;
• — изменения фазового состояния вещества (плавление, кипение, кристаллизация, испарение, кавитация);
• — течения в движущихся каналах (например, в смесительных устройствах и турбомашинах);
• — моделирования течения в каналах с меняющейся в процессе решения геометрией (например, в цилиндрах ДВС);
• — акустики.

Типичный процесс исследования потока с помощью программного комплекса Fluent показан на блок-схеме (рис. 1).

Первые три этапа решения задачи выполняются в программе Gambit, являющейся составной частью программного комплекса. Остальные этапы реализуются непосредственно в программе Fluent.

Данное методическое пособие посвящено работе в основной части комплекса — программе Fluent и освящает пункты 4…7 на блок схеме.

Рис. 1. Этапы решения газодинамических задач в программном комплексе Fluent

Программный код Fluent написан на модификации алгоритмического языка Си, и одинаково хорошо работает на всех известных платформах.

Программа Fluent позволяет решать двухмерные, осесимметричные и трехмерные задачи в стационарной или нестационарной постановках в большом диапазоне скоростей потока. Течение рабочего тела может рассматриваться как невязкое, ламинарное или турбулентное.

Программный комплекс Fluent использует неструктурированную сеточную технологию. Это значит, что он может решать задачи на конечно-элементных сетках, состоящих из элементов разнообразной формы: шестиугольников, четырехугольников и треугольников, гексэдеров и тетраэдеров, призм, пирамид и др.

Конечноэлементная сетка может адаптироваться (сгущаться или укрупняться) по результатам расчета. Это позволяет получить более точное решение для областей с большими градиентами параметров потока, например, для пограничных слоев и скачков уплотнения. Указанная возможность снижает требования к качеству сетки, сокращает время ее создания и проведения расчета, а также позволяет снизить объем оперативной памяти.

Программа Fluent обладает большой базой данных свойств рабочих тел, которая включает в себя сведения о жидкостях, газах и твердых телах. Она может быть расширена за счет пользовательских баз. Параметры рабочего тела в расчете могут быть как постоянными, так и меняться в зависимости от параметров потока.

Программный комплекс использует для решения метод конечных объемов и позволяет проводить решение задач с помощью одного из трех алгоритмов:

• — неявного алгоритма Pressure Based (в российской литературе его называют алгоритмом установления);
• — явного алгоритма Density Based (в российской литературе — алгоритм расщепления);
• — неявного алгоритма Density Based.

Решатель программного комплекса позволяет проводить решение на вложенных сетках. Исходные уравнения могут быть дискретизированы по первому, второму или частично третьему порядку точности. Решение может быть распараллелено и осуществляться на нескольких процессорах.

Во Fluent включены различные физические модели таких процессов, как: теплопередача, фазовые переходы, кавитация и др.

В программном комплексе доступны следующие модели турбулентности: Рейнольдса, Спаларта — Аламарса, k-, k-, V2 °F, LES, DES. Повышение точности моделирования пограничных слоев достигается за счет использования пристеночных функций.

Программа Fluent позволяет использовать большое количество граничных условий на входе и выходе из расчетной области, моделировать подвижные стенки каналов.

В программе реализованы широкие возможности визуализации результатов решения. Возможно построение полей распределения параметров потока, векторов, линий тока, создание анимации, управление отображением модели и т. п. Результаты могут быть представлены в виде графиков, текстовых файлов или интегральных значений параметров.

К сожалению, объем данного издания не позволяет показать всех возможностей препроцессора и рассказать обо всех командах. Поэтому информация, приведенная в методическом пособии, дает представление лишь об основных и наиболее применимых командах, применяемых при решении задач течения жидкостей и газов.

Авторы выражают благодарность Рабкесову И. В., Шаблию Л. С., Попову Г. М., Ворошнину Д. В. и Беляеву В. В., оказавшим помощь при написании данной книги.