Fluent 2021R1更新｜02 Solution模式

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了使用设计工具时的新变形方法-径向基函数，它在生成网格、处理设计条件及减少用户设置方面取得平衡。文章还概述了图形及后处理的新功能，包括动画保存格式、多孔介质区域的报告定义、属性面板的快速编辑等。此外，文章提及了表达式和UDF的改进，以及电池模型和耦合计算的新增功能。这些更新提高了工作效率，为用户提供了更灵活和强大的工具集。

下面列出了ANSYS Fluent 2021 R1的Solution模式下可用的新功能。

注：本文译自Fluent Release文档。

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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），文件扩展名为* .cas.h5和* .dat.h5，这与以前版本在独立Fluent中进行的默认更改保持一致。新文件格式拥有比旧版更好的性能。用户依然可以在Fluent的Preferences对话框中指定使用旧文件格式
• 导出为Common Fluid Format-Post的与单元相关的数量(如Active Cell Partition\Cell Reynolds Number等)的值时，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，因此可以在Windows计算机上导出单文件容量大于2 GB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，以确保数据可以在CFD-Post和EnSight中能够正确显示
• 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。这适用于默认通用流体格式(CFF)和传统格式的case文件。与以前的版本相比，具有15,000个区域的case文件的读取速度提高了2倍，写入速度提高了3倍
• 默认通用流体格式(CFF)的数据文件读取速度更快，特别是对于(但不限于)具有多个区域的数据文件。与以前的版本相比，读取此类文件的速度最高可提高5倍。

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。图表可以包括二维和三维绘图。

• 深色主题为Fluent提供了一种现代的外观，体验更容易让人看起来更舒服。可以通过从Preferences对话框的Color Theme主题下拉列表中选择Dark来启用深色主题。

• (仅限Windows)ANSYS Fluent支持在4K监视器上渲染
• Fluent智能处理图形窗口，因此不再需要用户管理。有两种类型的图形窗口：用户指定的和保留的。开始迭代时会自动创建保留窗口，包括动画定义、报告绘图和残差。用户不能用其他显示覆盖保留窗口的内容。用户指定窗口用于在设置和后处理时创建的所有其他显示。这两种类型的图形窗口的图形窗口限制均从20增加到50
• 可以为您的模拟生成可定制的HTML和PDF计算报告。报告内容可以包括有关模型设置、求解参数及计算过程、计算结果和可视化的详细信息
• 通过快速编辑面板对边界条件所做的更改将输出到到控制台，包括任何更改的先前值和新值
• 通过控制台按钮访问的错误和警告消息将直接定位到警告/错误在控制台中出现的位置，以方便查看消息的上下文
• 对图形窗口工具栏进行了重新组织和增强，以便更好地控制图形窗口的内容。您还可以使用View功能区选项卡控制显示哪些工具栏

3 网格

这里的网格指的是导入到Solution模式中的网格。

• 对重叠网格算法进行了改进，提高了运动网格和动网格模拟的计算速度

• 改进了重叠网格求解性能，新版本支持以下分离的压力-速度耦合格式：SIMPLEC、SIMPLEC和PISO。这些算法与默认耦合方案相比，具有提高瞬态模拟的计算效率(内存消耗和每次迭代的成本)的潜力

• 使用包含相对运动的重叠网格作为移动与动网格模拟的一部分时，新版本完全支持将执行动态重叠自适应的功能，以便网格更新后在每个时间步长都可以自动标记和调整网格。这意味着在仅需要临时细化的地方细化网格，而不需要对初始网格进行不必要的细化

• 创建网格interface时，新版本默认情况下启用一对一的界面方法，以便为所有生成的网格界面的每一侧指定一个区域。使用这种方法通常更方便、更有利。如果需要改为创建多对多界面(例如，如果需要创建使用某些选项的网格界面，如周期边界条件或map)，则可以使用以下TUI命令禁用一对一方法：define/mesh-interfaces/one-to-one-pairing?

  作为此默认更改的一部分，请注意一对一接口的以下改进和新功能：

  
• 对于仅具有一对一网格界面的情况，现在可以更轻松地在大纲视图树中对其进行管理：各个网格界面具有可展开的节点，以列出所有关联的边界区域(具有指示其类型的图标)；所有网格界面的列表不再仅显示在列表视图中，而是可以按名称、相邻单元区域、两边的材质(例如，流体-流体)和区域类型(即，是否包括内部边界或墙，因为。请注意，除相邻单元区选项外，所有分组选项现在也都可在Mesh Interfaces对话框的Mesh Interfaces分组框中使用。
• 现在，通过使用模型树中的右键单击菜单，可以在图形窗口中显示一对一网格界面的相交区域。相交区域是在网格界面创建过程中生成的interior类型或耦合壁面(wall或wall shadow)，它表示两个界面区域之间的“重叠”区域
• 创建一对一interface所需的时间大大减少，因为此过程现在更快(对于具有大量interface的情况，速度大约快10倍)
• 新版本可以使用TUI命令define/mesh-interfaces/removeleft-handed-interface-faces？移除left-handed面。请注意这适用于所有网格界面，但对于使用默认的一对一界面方法创建的网格界面尤其有效
• 现在可以通过TUI命令define/mesh-interfaces/enhance-gradients-at-interior-interfaces？对内部网格界面使用增强的梯度计算。当在具有流体-流体网格分界面的情况下遇到收敛问题时，尤其是在涉及left-handed面的情况下会很有帮助。注意这适用于所有网格界面，但对于使用默认的一对一界面方法创建的网格界面尤其有效
• 创建一对一界面时，现在可以指定生成的网格界面的名称带有包含相邻单元区名称的后缀。

• 提高了滑动网格模拟性能，新版本应该有更快的计算速度。这种计算速度的提高与滑移边界网格的数量与总单元数量的比例成正比

• 使用预定义标准设置VOF多相模拟的自适应控制时，会改进默认值和设置(在Adaption Criteria Settings对话框中)以提高可用性

• 通过TUI命令mesh/adapt/set/aniso-tropic-adaption?提供了一种新的各向异性自适应方法。该方法基于PUMA方法，并在以下几个方面对传统的各向异性自适应方法进行了改进：

• 它可用于细化所有单元格类型。请注意只有棱柱型网格(正确排列的六面体、楔形和多面体单元格)是各向异性细化的；所有其他类型网格都是各向同性细化的
• 可以对通过此方法细化的网格进行粗化
• 当执行多个优化时，它不会在网格中产生较大的突变
• 现在可以对具有多个拆分方向的网格进行细化

• 对于动网格，现在可以完整地使用统一的重新网格划分方法。这使用了一种结合了各种重新划分网格方法的方面的算法，以提高三角形或四面体单元的网格质量。与其他方法相比，该方法简化了重新划分网格的设置，且可以提供更强的稳健性，特别是在并行模拟时

4 区域与边界

• 新的Solid Motion选项卡可用于固体区域相对于相邻固体区域运动的传热模拟(如旋转转子与固定制动垫接触的汽车盘式制动器模拟)。注意作为此新的选项的一部分：

• 新版本中可以在FLUENT中使用TUI将实验阻抗数据转换为边界条件对话框的Impedance Parameters组框所需的设置，这与impedance程序类似。生成的设置将输出在控制台中，并可写入文件。
• 改进了impedance程序以便于使用：不再需要为数据拟合指定实数和复数共轭极数(因为FLUENT现在可以自动确定产生最低均方根误差的极数)，并且打印结果时使用的标签更加友好
• 增加了穿孔墙边界条件（perforated wall boundary condition）。它可以用来模拟穿孔壁面流动的质量、能量和动量传递，例如燃气轮机燃烧室中的渗流冷却，而不需要在网格中划分孔洞网格，这可以降低网格划分的复杂性和计算量
• 现在可以将固体运动与运动参考系相结合，每个参考系都有一个唯一的坐标轴。如可以模拟一个汽车盘式制动器组件，其中与刹车片接触的旋转转子使用固体运动建模，而组件围绕垂直轴的旋转(由于方向盘的输入)使用运动参考系建模
• 如果以前使用Frame Motion设置了相对移动的相邻固体区域的问题，新版本中会收到警告消息，提示应该改用固体运动；此时可以使用以下TUI命令转换此类问题：mesh/modify-zones/convert-all-solid-mrf-to-solid-motion.
• 新版本改进了运动参考系(MRF)模型，以防止在固体区域使用Frame Motion选项与相邻流体区域(例如转动轴被旋转空气包围的电动机模拟)一起运动时计算发散。
• 新版本可以完全使用二次梯度限制（Secondary gradient limiting）功能。当启用该功能后，当耦合的双侧壁面附近存在正交性较差的计算网格时，可以帮助防止发散
• 以下新功能可用于设置阻抗边界条件( impedance boundary condition，IBC)：

5 材料介质

• 比热(CP)增加了一种新的定义方法nasa-9-piecewise-polynomial。此方法可以用于分段多项式温度分布无效的高超声速流动

• 使用真实气体特性(RGP)表文件将外部来源的材料特性合并到ANSYS Fluent模拟中的功能已升级为完整功能。这是在2019 R3版本的Fluent中的测试版功能。现在支持混合使用可变成分和在HDF5文件中嵌入RGP数据。除了空化和蒸发-冷凝模型外，现在还支持RGP表格文件定义以下模型的饱和度属性：

• 沸腾模型：Saturation Temperature
• Species-mass-transfer model，Raoult’s law：Saturation Pressure
• Phase Interaction Forces：Surface Tension Coefficient
• Droplet/Particle evaporation (DPM)：Saturation Vapor Pressure

• 可压缩体积加权（compressible-volume-weighted）密度指定方法(以前是测试版)现在可以用于对可压缩多组分混合物的依赖于组成的密度建模，其中单个组分可以是使用真实气体属性(RGP)表的真实流体或理想气体

6 传热/辐射

• 显式热耦合以相同的间隔推进流体和固体求解，但固体时间步长大于流体时间步长，并在流体和固体区域之间进行时间平均结果交换。这允许固体求解物理时间比流体求解中的演变更快。如果要模拟固体区域中的准稳态温度求解，但由于流体的原因，需要流体区域中以小时间步长进行求解，这一点尤其有用，否则将使模拟不切实际。例如，为非稳态燃烧模拟模拟给定工作点的准稳态燃烧衬里温度
• 在求解固体区域的时间步长大于流体区域的时间步长的瞬态共轭换热(CHT)模拟时，现在可以在单个FLUENT会话中使用多区域架构松散耦合CHT，从而提高模拟的性能
• 现在可以在非一致界面上启用cluster to cluster S2S辐射。当存在多个界面时，这可以显著提高角系数计算和求解性能
• 热传导管理器(Conduction Manager)对话框为管理、定义和显示多个热传导和/或壳区域提供了一种新的、方便的方法。这是壳传导管理器的扩展，包括使用薄壁近似和零厚度壁的墙的热属性的配置、导入和导出。

• 当使用密度基求解器时，现在可以使用双温度模型来模拟高超声速流动中的热非平衡现象
• 蒙特卡罗辐射模型现在可用于欧拉-欧拉多相模型(VOF、Mixture、欧拉模型)

7 声学

• 新版本对声源的FFT进行了扩展，建立了流压时间导数功率谱密度的表面场，这些场是针对用户指定的频带计算的，有助于在感兴趣的频率范围内识别偶极子声源
• 您可以对声压执行VRXExperience声音分析，以确定响度和频率等因素，此外还可以编写一个WAV文件，您可以回放该文件来收听生成的声音

8 湍流模型

• 现在，在Viscous Model对话框中设置湍流模型时，可以包括Corner Flow Correction。这有助于解释流经矩形通道、非圆形截面的管道和翼身连接型几何图形的湍流，这些几何图形在垂直于主流方向的平面上呈现二次流，沿平分线流入拐角
• 现在，当激活带有可伸缩壁面函数的Realizable k-ε模型时，可以使用应力混合(SBES)/屏蔽DES选项

9 透平机械

• 新版本中可以使用气动阻尼(叶片颤振分析)
• 在通用涡轮接口下提供的Mixing Plane模型中，新创建的混合平面使用intersector-base方式，而不是side-base方式
• 这些设置将适应更广泛的叶轮机械拓扑并提高建模精度。这些参数可以通过以下TUI命令进行调整：define/turbo-model/general-turbo-interface-settings/mixing-plane-model-settings

10 反应流

对于带有FGM的部分预混燃烧情况，现在可以直接在图形或文本用户界面中指定自己的火焰面和PDF表格参数的网格点分布。

11 离散相模型

• 高分辨率粒子跟踪方法现在与密度离散相模型(DDPM)兼容，这是ANSYS Fluent版本2020 R2的测试版功能。
• 增加了一个新的冲蚀模型：DNV模型
• 对于DEFINE_DPM_BODY_FORCE用户定义函数(UDF)的示例已更新，以显示具有高分辨率追踪的案例的UDF使用情况
• 对于涉及拉格朗日壁膜的情况，现在可以使用二次速率模型来预测液滴材料和多组分材料的颗粒和膜的热分解速率
• 对于在求解过程中生成新粒子(例如，从喷嘴喷射粒子)的离散相模型模拟，解算器性能得到了加强，并且这种改进会随着使用的处理器数量的增加而提高
• 对于不涉及拉格朗日壁膜的情况，高分辨率粒子跟踪方法现在与重叠网格兼容，该方法允许通过重叠网格跟踪路径线、单向耦合粒子和双向耦合粒子

12 多相流模型

• 对于表面张力驱动的问题(启用了Surface Tension Force Modeling)，现在后处理中可以使用以下场变量（在Phase…下拉框中）

  该场变量基于平滑后的体积分数场，并可用作动态网格适应的判据。

• Smoothed VOF Gradient-dX, Smoothed VOF Gradient-dY及Smoothed VOF Gradient-dZ
• Smooth VOF Gradient Magnitude

• 对于VOF和Mixture多相流模型，现在可以在执行标准初始化时启用Localized Turbulence Initialization选项，以获得更好的湍流变量初始值。这将带来更好的启动和运行稳定性

• 对于显式VOF多相情况，现在可以使用体积分数过滤处理（advanced volume fraction filtering treatment）来提高解决方案的稳定性和健壮性

• 对于使用多相指定时间步长的瞬态VOF模拟，现在可以使用基于物理的和运动网格的时间步长约束来改进对时间步长的估计

• 场变量Multiphase Minimum Time Scale（位于Velocity下拉列表中）可以用于可视化整个计算域中的最小时间步长

• 对于涉及动网格或具有参考系运动或网格运动的网格区域的瞬态VOF模型，可以在velocity…下拉框中选择场变量Moving Mesh Courant Number，该变量可以帮助正确估计时间步长

• 对于泡状流，Hessenkemper等人提出了一个新的升力系数模型。该模型改善了升力驱动的空气-水系统中的整体空隙分布，并提高了椭圆形气泡的系数大小。它还考虑了Ziegenhein和Tomiyama对去离子水和自来水的修正

• 增加了一种新的壁面润滑模型(Lubchenko模型)，该模型考虑了气泡横截面积的减小。与其他壁面润滑模型不同，该模型不需要校准系数

• 增加了新的Shaver和Podowski升力修正，Shaver-Podowski模型对壁面附近的升力进行了阻尼，当气体靠近壁面的气泡半径小于一个气泡半径时，将其直接减小到零，从而避免了非物理行为。该模型提高了壁面附近空泡峰值预测的准确性，并提高了对涉及湍流弥散和壁面润滑的情况的整体稳健性。在考虑湍流弥散和壁面润滑的情况下，Shaver-Podowski模型提高了预测壁面附近空泡峰值的准确性和整体稳健性。

• 湿蒸汽模型现在默认使用Young的液滴生长速率公式，该公式比Hill公式能更准确地预测平均液滴尺寸分布

• 新版本已经完全支持 DPM-to-VOF的所有功能。当DPM粒子撞击VOF界面时，该机制将DPM粒子替换为相应数量的VOF相。在这个模型转变过程中，无论液滴和网格单元的大小如何，质量、动量、热量和组成都是守恒的。此外，拉格朗日相可以过渡到VOF相。这些功能在Fluent 2020 R2中是测试版。此外，现在可以模拟从附着在薄壁上的VOF相返回到拉格朗日壁膜的反向转变。这些新选项将使对涉及液体射流、液滴以及液壁薄膜和液池形成的应用进行详细模拟成为可能。

• 现在可在GUI中设置压力空间离散时选择使用Modified Body Force Weighted，此方法在之前的版本中只能通过TUI激活

• 现在GUI中提供了用于求解稳定的Hybrid NITA和Instability Detector。在以前的版本中这些功能需要通过文本用户界面访问

• 图形用户界面中提供了Advanced Stabilization和Velocity Limiting，以实现更好的稳定性

• 为了清楚起见，已将Evaporation-Condensation Model对话框中的Evaporation Frequency和Condensation Frequency 文本框分别重命名为From Phase Frequency和To Phase Frequency

• 在MultiPhase Model对话框中，为改善用户体验交换了“Mass”和“Heat”选项卡

13 PBM模型

• 添加了新的Liao聚集和破碎核模型。这些模型考虑了气液两相流动中更广泛的物理现象，与现有的ANSYS聚集和破碎模型相比，能产生更真实的结果。Liao聚集模型允许考虑各种碰撞机制的影响，例如湍流、旋涡捕获、均匀流中的速度梯度、体积力和尾迹夹带(Liao聚集核)。Liao破碎模型允许考虑湍流波动、速度梯度、湍流涡流和相互作用的影响
• 新版本可以使用尺寸计算器。该工具旨在通过根据最佳实践估计气泡大小和/或液滴大小限制

14 欧拉壁膜模型

• 现在能够完全支持欧拉壁膜和VOF多相模型的耦合功能。当单独使用EWF由于膜液积累增加而变得不合适时，耦合为壁膜流动提供了一种混合求解方法。它还为VOF模型提供了一种补充的求解方法，当求解壁面边界附近的小体积液体由于高网格分辨率要求而变得不切实际或昂贵时，这在Fluent 2020 R2中是作为测试版提供的。此外该功能还增强了控制模型转换的松弛因子的能力，并增加了新的后处理物理量
• 为方便壁面边界条件设置，现在将壁面对话框的壁膜选项卡下的输入分组到以下选项卡中：
• Boundary Type
• Source Terms
• Phase Change
• Surface Contact
• DPM Interaction
• VOF Interaction

15 内置结构求解器及FSI模型

• 结构模型允许执行热弹性分析，以模拟热载荷对实体结构变形的影响
• 新版本结构模型允许通过调用增强应变单元来修正剪切锁定的影响
• 现在结构模型允许选择Total Displacement作为后处理场变量
• 结构后处理变量现在可用于显示矢量
• 结构模型的对称平面边界条件现在可用于任意方向上的一般对称
• 结构模型现在支持UDF，该UDF可用于为实体网格区域模拟体积力(DEFINE_SOURCE_FE)

16 求解器

• 现在可以使用基于网格梯度量和/或求解和单元质量的条件来应用较差的网格数值。这些条件可以提高具有较差质量单元的网格的求解器稳定性，并且每个条件都有一个可用于后处理的关联场变量
• 使用密度基求解器时，现在可以使用高速数值(High-speed Numerics，HSN)。它们是内置的定制数值设置，可以帮助稳定和加速高速流动的收敛性
• 在压力基求解器中实现了对BCD（ Bounded Central Differencing）格式的改进，允许用户可以控制边界强度，以降低湍流尺度解析模拟中BCD格式的耗散

17 Adjoint求解器

• 启用伴随湍流作为伴随求解方法时，现在可以使用场变量对曲率校正参数(CCURV)的敏感度进行后处理
• 现在伴随解算器支持某些非常量材料特性
• 现在可以在计算过程中输出伴随方程残差，并将其保留用于后处理。这可以为问题的收敛诊断提供有用的信息
• 使用设计工具时，现在可以使用一种新的变形方法-径向基函数(Radial Basis Function)。通常建议使用此方法，因为它在生成高质量网格、有效处理设计条件以及需要较少用户设置之间取得了平衡
• 使用设计工具时，现在可以使用一种新的变形方法-径向基函数(Radial Basis Function)。通常建议使用此方法，因为它在生成高质量网格、有效处理设计条件以及需要较少用户设置之间取得了平衡

18 图形及后处理

• 可以将动画保存为MP4格式，并控制视频的分辨率
• 现在支持多孔介质区域的力、阻力、升力和力矩报告定义以及合力和力矩计算
• 现在，禁用Node Values时，使用XY Polot将显示边界面上的值，而不是输出相邻单元中心值。此时可以使用TUI命令plot/set-boundary-val-off恢复到早期版本的行为
• 现在，快速编辑属性面板可用于直接在图形窗口中更新colormap设置。通过双击图形窗口中显示的相关图形对象(如云图、矢量图、流线图、粒子轨迹或场景绘图)的colormap，可以快速访问编辑面板
• 现在可以在colormap对话框中控制字体和字体大小以及colormap的尺寸

19 Surface

• 现在可以一次创建多个平面和等值面。

20 表达式

• 现在表达式和表达式编辑器对话框中提供了语法高亮显示
• 现在下拉列表中列出了场变量的兼容命名表达式以及用于将遍历指定为参数或常量的选项
• 简化的折算操作现在可用于质量流量和体积平均值等计算
• 现在，梯度、叉积和正则化函数可用于编写表达式
• 可以在表达式中使用profile文件来指定边界和单元区域条件，以进行后处理和缩减操作。profile文件可以是空间相关的，也可以是时间相关的
• 表达式管理器允许对命名表达式执行各种操作，如编辑、复 制、计算、删除等

21 UDF

• 现在支持用C99版C编程语言编写的用户定义函数
• Clang 10.0.0现在安装在计算机上，替代Microsoft Visual Studio用于编译用户定义的函数

22 电池模型

• 基于双电位MSMD的电池模型不再是附加模块。现在可以通过模型树或功能区选项卡(模型组)以标准方式访问它。现有脚本和日记文件仍可以不加修改的运行
• 对于基于双电位MSMD的电池模型，用户可访问的函数已被弃用，取而代之的是以下用户定义函数(UDF)，使用户可以更轻松地自定义电池模型参数
• DEFINE_BATTERY_ECHEM_MODEL：指定用户定义的电化学模型中使用的电压-电流关系
• DEFINE_BATTERY_ENTROPIC_HEAT：计算电池热分析中的熵热项
• DEFINE_BATTERY_NEWMAN_BV_RATE：自定义Newman P2D模型中使用的Butler-Volmer比率
• DEFINE_BATTERY_NEWMAN_OCP：自定义Newman P2D模型中用于阳极和阴极的开路电位
• DEFINE_BATTERY_NEWMAN_POSTPROCESSING：导出Newman P2D模型结果
• DEFINE_BATTERY_NEWMAN_PROP_ELECTRODE：计算电极材料属性(如锂在固体阳极或阴极中的扩散系数)
• DEFINE_BATTERY_NEWMAN_PROP_ELECTROLYTE：计算电解质材料属性(如锂离子扩散系数、离子电导率、转移数和活度函数)
• DEFINE_BATTERY_PARAMETER_ECM：为ECM模型指定您自己的参数
• DEFINE_BATTERY_PARAMETER_NTGK：指定NTGK模型中使用的U和Y函数
• 除了现有的基于表面的文件格式外，现在还可以提供基于活动区域体积格式的虚拟电池连接文件
• 对于CHT耦合和FMU-CHT耦合求解，现在可以使用profile文件指定能量源

23 耦合计算

• 当在命令行下运行时，现在支持两个Fluent应用程序之间的主动表面热耦合，一个在瞬态下运行，另一个在稳态下运行
• 如果需要在Workbench外部执行协同仿真运行，现在可以将相关的Fluent输入文件(.cas、.dat、.scp)从Workbench导出到指定目录。一般方法为：右键单击System Coupling单元，然后选择Export System Coupling Setup
• 对于通过System Coupling与AEDT求解器进行体积热耦合的问题，耦合代码已扩展为支持耦合界面上的运动不加。支持使用基于profile的指定的平移和旋转运动

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