仿真学习 | Fluent版本迭代一览及选择指南

   计算流体动力学（CFD）领域的领军软件Fluent，在过去五年中进行了多次更新，每个版本都各有侧重地进行了性能、功能、界面等不同纬度的优化。本文将系统地探讨Fluent近五年的重大版本变迁，重点解读每次升级带来的技术创新、功能差异、性能优化，及这些变化对用户的实际使用体验产生的影响，以帮助同行们在选择和使用CFD工具时，按需做出更明智的决策。

1. 用户体验

• 新的开始页面提供对用户最近使用文件的快速访问及链接；

• 允许使用表达式指定边界条件和源项；

• 计算过程中有新状态栏；

• 支持各种操作的拖放；

• 对象定义可导入 / 导出；

• 可编辑表面定义；

• 文本命令自动完成；

• 用户界面可使用日语。

2. 瞬态求解器改进

    基于 CFL 条件的自适应时间步进、LES 模拟的 NITA 加速、变密度流动优化、混合湍流 Rans 更新、基于流动时间间隔的监测。

3. 共轭传热

   流体域与固体域之间默认映射方法改为隐式映射。

4. 辐射模拟

   改进扩大蒙特卡罗辐射法在照明和光学系统中的应用，提高计算效率，可在内部半透明耦合壁面上指定非零扩散分数，太阳荷载模型可与蒙特卡罗模型一起使用，允许计算网格中包含完全重叠的映射非保形网格 interface。

2020R1 重点更新

1. 文件

   用户可以在ANSYS Fluent与Funcitonal Mock-up Unit（FMU）文件之间实现联合仿真。

   注：FMU 是 FMI 建模的文件类型，常用于系统仿真建模中

2. 用户体验

• 用户可以通过选择图形窗框中的边界快速设置边界条件；

• 重新设计了创建平面的 Plane Surface 对话框，使其更易于使用；

• 改进了 Point Tool 对话框，允许用户快速且容易地在图形窗口中识别所需的目标点的位置；

• 改进了 Fluent 启动界面；

• 用于设置残差标准的 Residual Monitors 对话框进行了简化；

• 用户可以选择指定一个空闲超时，当空闲时间达到设定值时，ANSYS ∙ FLUENT 会话将关闭；

• ANSYS Fluent 界面目前已包含中文版与韩文版；

• 模型树中某些操作的慢 / 不响应问题已经修复，现在用户可以在图形窗口中利用 shift + 拖动鼠标左键来框选多个对象。

2021R1 重点更新

1. 文件读写

• Workbench 中的 Fluent 在新版本中默认使用通用流体格式（CFF），新文件格式拥有比旧版更好的性能；

• 导出为Common Fluid Format-Post的与单元相关的数量时，仅导出单元中心的值；

• 默认情况下 CGNS 导出 HDF5 格式的求解数据，可在 Windows 计算机上导出单文件容量大于 2GB 的文件；

• 无论是 HDF5 还是 ADF 格式，导出 CGNS 结果数据都要快得多；

• 以 CDAT for CFD-Post 和 EnSight 格式导出的结果数据将始终包括传统 (.cas) 格式的 case 文件；

• 在图形用户界面 (GUI) 中运行 Fluent 时，具有多个区域的 case 文件的读取和写入速度更快；

• 默认通用流体格式 (CFF) 的数据文件读取速度更快。

2. 用户体验

• 可以在单个图形窗口中嵌入一个或多个图形窗口，以创建用于监控求解进度的图表；

• 深色主题为Fluent提供了一种现代的外观；

• ANSYS Fluent支持在4K监视器上渲染；

• Fluent 智能处理图形窗口。

3. 通用功能

• 新版本对图形窗口工具栏进行了重新组织；

• 直接在图形窗口中显示剪切平面，并同时显示剪切平面的空间坐标轴，用户可以直接在图形窗口中操纵剪切平面；

• 网格划分和网格更新过程中，在 Fluent 窗框底部会显示相关消息与进度条；

• 新版本中可以读取和写入通用流体格式（.msh.h5）的网格文件；

• 新版本中可以使用 +/- 图标来显示 / 隐藏高级选项；

• 几何区域将不再使用 “geom-” 前缀，转而使用 “origin-” 前缀；

• 几何标签将不再使用 “object” 前缀。

2022R1 重点更新

1. 前处理

   前处理性能提升，针对含有大量计算域的问题，在各种命令执行、图形显示以及读写方面都有全面改进，对于含有 10000 个以上计算域或边界的问题，速度可提升 5-6 倍。

2. 部件替换

   容错几何网格流程中增加部件替换选项，可增加、移除或替换模型中的几何对象，无需对整个模型重划网格，功能支持所有类型网格，能在面网格和体网格两个级别实现部件替换。

3. 后处理

   添加边界层任务增加后处理方法，当相邻计算域之间边界层分辨率不同时，可选择 Continuous 非一致连接，改善边界层区域厚度一致性。

4. 表达式

   表达式功能增强，可使用 Reduction Function 获取自定义面上的数据，若模型中包含多孔介质域，同样适用。

解决需求痛点：    

提升复杂模型的处理性能，使设计变更迭代更加高效，改善边界层过渡问题，增强表达式功能。

2023R1 重点更新

1. 性能优化

• 在其经过验证的求解器基础上改进工作流程，同时不会影响准确度，实现了全新的 ANSYS Fluent 用户体验。ANSYS Fluent 的完整单窗口解决方案可加速和简化每个仿真步骤；

• 基于任务的并行处理工作流程现在可用于生成支持 Mosaic 的 Poly-Hexcore 网格，最高可实现 10 倍提速，这样用户就能在更短的时间内完成更多仿真；

• 可缩短仿真求解时间，应对氢价值链中的可持续性挑战，并构建自定义工作流程。fluent multi - gpu 求解器可减少仿真求解时间、硬件成本和功耗。

2. 功能扩展

• 支持额外的求解设置和物理特性，在 PyFluent 的扩展方面取得进展，实现更深度的自动化和整合，针对 Fluent 2023 R1 引入的参数化设计优化和形变能力，性能和报告方面都进行了改进；

• License Pro 版本中现在可以进行瞬态模拟。Aero 模块目前只能在Enterprise 版本中使用。

3. 用户体验

Fluent Launcher改进：

• 选项卡总是可见；

• 工作目录指定移到 Home 选项卡；

• Recent Files 列表功能增强；

• 鼠标悬停在工作区名称上可看到描述；

• learn resource 移到 Help 按钮下；

• 双击 Modified Settings Summary 表中的设置可打开相应对话框或任务页；

• 现在可以通过图形窗口中的右键单击关联菜单创建报告定义；

• 嵌入式窗口仪表板可存为对象；

• 点创建可通过启用 TUI 命令使点捕捉到域中最近的有效位置。

自动保存 ：

• Autosave功能保存的 case 和 data 文件现在默认保存到工作目录中。

02 实际应用影响

03 选择指南

➢ 对于初学者来说，最新版本Fluent会有更多的功能可以体验。此外，高版本可以兼容低版本的算例，而低版本却无法兼容高版本的算例和功能。选择最新的版本，可以避免算例无法读取的情况。

➢ 对于有经验的工程师来说，优先选择最熟悉的版本。新版本的 UI 界面会有所改动，原先熟悉的按键可能会出现偏移，不符合原先的使用习惯。

➢ 对于科研工作者来说，Fluent 2021及以上版本在智能化求解和新模型支持方面更具优势。能够应对复杂的流动现象，提升研究的准确性与效率。

➢ 对于在汽车、航空航天等特定行业深耕数年的用户来说，Fluent 2021和2022在计算效率、多物理场模拟能力和稳定性等方面的综合表现较好。

➢ 对于需要远程工作、项目报告和可视化的工程师来说，Fluent 2022和2023版本提供了更强的可视化工具和自动化处理功能，能够更高效地完成项目报告和结果展示。

04 结语    

   总体而言，随着版本演进，Fluent的优化迭代，正不断地解决CFD学习曲线陡峭问题，扩充了功能和模型，提升了用户的仿真效率和准确性。了解各个版本的特点和适用场景，能够帮助不同需求的用户做出更明智的选择，从而最大化地利用Fluent工具。    

   而「神工坊」推出的一站式高性能工业仿真平台，让用户通过web端即可享受“PC式高性能体验”，随时随地都能访问Fluent等软件，大大降低了软件试用门槛。    

   此外，「神工坊」高性能仿真平台基于超算HPC集群的硬件支撑，对仿真软件进行了CPU平台的高性能适配与优化，同时还能根据用户需求进行兼容性适配，真正做到，按需最大化每一核时的价值。