Fluent軟件的學習包含基礎部分和進階部分，通常我們學習Fluent軟件，都是從一個最簡單的三通管開始的。

圖1 Fluent的標準初學案例——三通管混合換熱

ANSYSFluent官方的基礎培訓課程表，通常只包括以下幾個方面：

●幾何與網(wǎng)格的前處理

●基本界面操作

●邊界條件及材料設定

●求解設定及收斂條件

●仿真后處理

關(guān)于Fluent基礎物理模型的培訓，也只包含3個最為常用的物理場景：

●基礎湍流模型

●基礎傳熱模型

●瞬態(tài)問題分析

通常情況下，學完了以上的課程，可以認為我們掌握了基本的Fluent技能，可以解決一般性的、簡化后的流體分析問題，具備了初級的流體仿真能力。

圖2 基礎Fluent培訓課表

當然，僅僅具備這些基礎的流體仿真技能還是遠遠不夠的，F(xiàn)luent軟件的本質(zhì)仍舊屬于工程，仿真的目的是為了解決實際的工業(yè)問題。因此，如果我們使用Fluent進行計算的情形不能應用在產(chǎn)品上，不能為研發(fā)、設計提供支持，那么這一切將毫無意義。

隨著Fluent軟件十幾年的發(fā)展，目前已經(jīng)廣泛應用于航空、航天、能源、電力、石油、化工、機械、傳播、電子、生物等多個行業(yè)。對于絕大多數(shù)的工業(yè)品，也都對應有相對成熟的流體仿真方案。

但是，幾乎所有的Fluent行業(yè)應用，都不能僅僅依靠基礎的流體技術(shù)來完成，必須要借助進階的Fluent模型才能夠滿足不同產(chǎn)品的特有需求。這也對我們Fluent 工程師提出了更高的要求，只有掌握高級的Fluent模型和適合產(chǎn)品的仿真方法，才能真正的成為一名合格的仿真工程師。

那么，在各個行業(yè)中，有哪些Fluent的進階模型是需要我們學習和掌握的呢？不同的工業(yè)品對應的仿真思路和方法又有哪些側(cè)重？接下來就簡單的做以介紹。

圖3Fluent工程師的進階之路

★ 進階之路一：多相流模型

FLUENT中的多相流模型廣泛的應用于石油、化工、核工業(yè)、能源等行業(yè)，涉及到的工業(yè)品有鼓泡塔、旋風分離器、流化床、核工業(yè)品等。如果我們已經(jīng)從事或希望在以后的工作中從事這一類產(chǎn)品的仿真工作，那么多相流模型就是必不可少的技能。

多相流可以幫助我們研究難以探測的設備，理解復雜的相間現(xiàn)象。歐拉多相流模型利用流體方程的分離方法，可以有效求解流體或相間的相互滲透；拉格朗日多相流（DPM）模型適用于離散相的仿真計算，如噴霧干燥器、煤炭燃燒、液體燃料注入等；VOF模型可以追蹤不相溶相間的界面，但并不過多的增加計算的規(guī)模；相變模型（Phase Changes）可以計算蒸發(fā)/冷凝、融化/凝固等現(xiàn)象，很多都是當下最為熱門的仿真需求。

圖3 Fluent中的多相流仿真

★ 進階之路二：多重參考系和動網(wǎng)格模型

FLUENT的多重參考系和動網(wǎng)格模型是非常強大的，允許我們模擬任意的、復雜的相對運動，如內(nèi)燃機、閥門、漂浮船只、火箭發(fā)射等場景，都可以使用Fluent進行仿真。如果我們希望以后在航空、航天、汽車、能源等行業(yè)繼續(xù)仿真的工作，那么掌握多重參考系和動網(wǎng)格技術(shù)，則是一個明智的選擇。攪拌器、水泵、離心機、壓氣機等旋轉(zhuǎn)機械在各個行業(yè)的應用都離不開仿真的支持。因此，多重參考系與動網(wǎng)格模型，也是一條實用的Fluent工程師進階之路。

圖4 Fluent中的旋轉(zhuǎn)機械仿真

★ 進階之路三：聲學模型

氣動聲學對許多工業(yè)應用而言，都是一個關(guān)注的重點，F(xiàn)LUENT則可以計算由不穩(wěn)定壓力波引起的噪聲。如果我們的工程師希望以后在電機、風機等旋轉(zhuǎn)機械領(lǐng)域拓展自我的技術(shù)特長，或是工作在汽車、航空、航天等涉及到NVH的行業(yè)，那么對于氣動聲學（噪聲）的仿真需求，仍舊是非常巨大的。

Fluent中具備多種聲學模型，可以計算氣動噪聲來源的相關(guān)問題，如：瞬態(tài)的大渦模擬，可以預測并得到壓力分布，隨后通過內(nèi)置的快速傅立葉變換工具，可以將其轉(zhuǎn)換為頻率頻譜；FW-H模型可以模擬從鈍體障礙物到旋轉(zhuǎn)的風扇葉片等氣動聲源的傳播。寬頻噪聲源模型允許基于穩(wěn)態(tài)進行仿真，是一個快速評估修改設計的實用工具。當然，F(xiàn)LUENT還可以與其他聲學軟件如ACTRAN，SYSNOISE進行耦合，聯(lián)合對聲場進行精確仿真。因此，掌握Fluent的聲學技術(shù)，實際上是相當一部分流體工程師穩(wěn)妥可靠的進階之路。

圖5 Fluent中的聲學仿真

★ 進階之路四：熱輻射與高級傳熱模型

雖然換熱模型是Fluent中最為基礎的求解設置，但是對于行業(yè)內(nèi)的一些復雜問題，仍舊要求我們工程師掌握更多的進階技能才能準確完成任務。無論是傳統(tǒng)的電子散熱行業(yè)，還是當下最受歡迎的新能源電池行業(yè)，或是相對冷門的室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化（如農(nóng)學等），對于仿真的需求還是相對較高的。因此，掌握高級的傳熱模型和熱輻射技術(shù)，也是Fluent工程師進階的一條快速道路。

圖6 Fluent中的高級傳熱仿真

★ 進階之路五：燃燒與化學反應

Fluent中的燃燒與化學反應模型可以仿真絕大多數(shù)的氣體、煤、液體燃料等進行燃燒的過程，也具備仿真氣體和固體表面（給定材料）之間的反應的能力。與此同時，F(xiàn)luent還能夠?qū)Ox、SOx和其它污染物的形成進行準確的預測。這些燃燒與化學反應的仿真方法在多個行業(yè)都有廣泛的應用，如石油、石化、能源、電力、汽車、航空等。

大量的相關(guān)產(chǎn)品在設計之初，也都希望擁有仿真的支持，比如LNG儲罐的泄露、鍋爐燃燒效率、噴霧器的燃燒、顆粒表面沉降等。當然，這些問題對應的難度也相對較大，往往需要與多相流模型、高級湍流模型、熱輻射模型等聯(lián)合使用。

可以毫不夸張的講，熟練掌握Fluent燃燒與化學反應技能的工程師，是整個流體仿真行業(yè)中最炙手可熱、最具技術(shù)含量的。

圖7 Fluent中的燃燒與化學反應仿真

★ 進階之路六：多物理場（流固）耦合

流固耦合是流體力學與結(jié)構(gòu)力學交叉而生的一門力學學科，主要研究變形固體在流場作用下的各種行為以及固體位移對流場的影響。

因此，能夠熟練使用流固耦合的工程師必須要同時掌握結(jié)構(gòu)和流體兩類完全不同的軟件，本質(zhì)上可以認為也屬于Fluent工程師的進階方向。需要注意的是，我們所熟識的自然界中大部分現(xiàn)象都是流固耦合的結(jié)果，而日常單純的流體仿真計算，則是需要忽略固體的變形才能有效進行下去。

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，越來越多的產(chǎn)品在設計階段無法忽視多場之間的相互影響，而是希望主動去研究，以得到更加準確的結(jié)論。在這樣的環(huán)境下，多場耦合技術(shù)將在不遠的未來變成Fluent工程師的“必修課”，因此，學習額外的多物理場耦合仿真知識（結(jié)構(gòu)、電磁等），也是對流體工程師推薦的前進方向。

圖8 基于Fluent的流固耦合仿真

雖然“條條大路通羅馬”，但“藝多不壓身”

雖然每條進階的Fluent之路看似相對獨立，但是實際上對于每個流體工程師而言，具備完整全面的仿真能力也是必要的。正所謂“藝多不壓身”，下面幾條“看家本領(lǐng)”無疑能夠廣泛應用在所有的工業(yè)品設計環(huán)節(jié)，成為流體工程師的技能支撐。

★ 看家本領(lǐng)一：參數(shù)化與優(yōu)化設計

參數(shù)化仿真，其主要的作用是實現(xiàn)多工況的重復執(zhí)行工作，可以為CAE工程師節(jié)省大量的時間成本，將人工的操作交由電腦來完成。因此，掌握參數(shù)化技術(shù)，可以高效解放工程師的雙手，也可以讓工程師把更多的精力放在更為復雜的研究分析之中，避免陷入簡單重復勞動的低效陷阱。

優(yōu)化設計也是全行業(yè)需求的技能，F(xiàn)luent可以與Workbench聯(lián)合使用，進行參數(shù)優(yōu)化；并結(jié)合DOE等多種算法，進行響應面的計算，從而獲得最優(yōu)解。同時，F(xiàn)luent還具備基于伴隨求解器（adjoint solver）的拓撲優(yōu)化技能，可以進行高自由度的流體仿真優(yōu)化，是強大的設計工具。

★ 看家本領(lǐng)二：用戶自定函數(shù)

Fluent中的用戶自定義函數(shù)UDF是靈活、強大的二次開發(fā)工具，廣泛的應用在幾乎所有的流體仿真產(chǎn)品之中。由于Fluent的基本界面功能相對有限，無法實現(xiàn)實際產(chǎn)品的特殊要求（如材料屬性隨時間變化、發(fā)熱功率和溫度有關(guān)等），這就需要我們進行額外的編程來擴展案例的可靠性。

因此，UDF也屬于Fluent工程師必備的“武藝”之一，如果我們希望在流體仿真領(lǐng)域具備獨立完成任務的能力，那就必須掌握UDF。

★ 看家本領(lǐng)三：湍流技術(shù)

湍流是流體區(qū)別于固體特性的最主要因素，也是隨機性的代名詞，可以說，流體的仿真研究其實就是各種湍流的研究，難點也集中在湍流。

Fluent軟件中的湍流模型，實際上是匯集了幾代流體力學學家的智慧和心血，當然也提供了多種多樣的選擇。

如果一名Fluent仿真工程師不懂湍流，那恐怕也是對不起自己流體從業(yè)者的名頭。因此，掌握湍流技術(shù)是任何一名流體相關(guān)人員的必修課。

對于想要從事流體仿真工程師崗位的高校學生和轉(zhuǎn)行工程師來說，僅僅是掌握了Fluent軟件的操作方法，并不等于會做仿真。

編輯：黃飛