Ansys Fluent流體仿真計(jì)算分析、算法及硬件配置推薦
Ansys FLUENT 是一款廣泛使用的商用 CFD (Computational Fluid Dynamics, 計(jì)算流體力學(xué)) 求解器，由 ANSYS 公司開發(fā)。FLUENT 可以用來模擬各種流體流動和傳熱問題，在航空航天、汽車、化工、能源等多個行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用
Fluent能夠模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動。其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛
- 機(jī)械工程：模擬機(jī)械系統(tǒng)中的熱傳導(dǎo)、流體動力學(xué)、換熱和氣動噪聲等問題。例如，在飛機(jī)設(shè)計(jì)中優(yōu)化氣動性能，在汽車工程中優(yōu)化車身流線型設(shè)計(jì)以減少空氣阻力。
- 能源領(lǐng)域：模擬電池的充放電過程，優(yōu)化電池性能和壽命；模擬燃燒過程，提高燃燒效率和環(huán)境友好性；模擬風(fēng)力渦輪機(jī)、太陽能集熱器等設(shè)備，優(yōu)化能源轉(zhuǎn)換效率。
- 化工工程和環(huán)境工程：模擬化學(xué)反應(yīng)過程，幫助工程師設(shè)計(jì)反應(yīng)器以提高生產(chǎn)效率；模擬空氣污染和水污染等環(huán)境問題，優(yōu)化環(huán)境治理方案。
- 生物醫(yī)藥：模擬生物流體的運(yùn)動、傳熱和傳質(zhì)過程，用于研究血液流動、藥物輸送等生物醫(yī)學(xué)問題。
- 其他領(lǐng)域：還應(yīng)用于建筑工程、船舶設(shè)計(jì)、食品加工和天然資源開發(fā)等多個行業(yè)。
專業(yè)分析
- 空氣動力學(xué): 分析流體對物體（如飛機(jī)、汽車）的作用力。
- 水動力學(xué): 分析流體對物體（如船舶、水下潛艇）的作用力。
- 傳熱分析: 分析流體流動中的傳熱過程。
- 燃燒分析: 分析燃燒過程中的化學(xué)反應(yīng)和流動現(xiàn)象。
- 多相流分析: 分析多相流體之間的相互作用。
- 其他: 湍流分析、聲學(xué)分析、粉體工程等。
Fluent 的軟件組成
Fluent 軟件主要由以下幾個部分組成：
- 前處理器: 用于定義模型幾何形狀、網(wǎng)格劃分、物理模型、邊界條件等。
- 求解器: 用于求解控制方程組。
- 后處理器: 用于分析和可視化求解結(jié)果。
Fluent 提供了多種前處理器、求解器和后處理器，可以滿足不同用戶的需求。
Fluent 求解器介紹
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種類 |
算法 |
應(yīng)用范圍 |
計(jì)算特點(diǎn) |
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1 |
壓力求解器 |
使用SIMPLE算法及其變體，通過迭代求解壓力-速度耦合問題 |
大多數(shù)工業(yè)流體流動問題，如管道流動、換熱器、風(fēng)扇和泵等 |
適用于不可壓縮流體和低馬赫數(shù)可壓縮流體的流動模擬 |
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2 |
密度求解器 |
基于Eulerian框架，使用AUSM+或Roe等通量差分方案 |
航空、燃燒、噴射和多相流問題 |
適用于高馬赫數(shù)流動和多組分流動問題 |
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3 |
離散相模型 |
跟蹤每個粒子的軌跡，同時考慮粒子與連續(xù)相之間的相互作用 |
粉塵收集、噴霧干燥、催化劑床層流動 |
用于模擬氣固兩相或多相流，例如顆粒輸送和噴霧 |
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4 |
VOF模型 |
使用體積分?jǐn)?shù)追蹤不同流體的界面。 |
船舶設(shè)計(jì)、液滴撞擊、液-液混合 |
適用于自由表面流動和兩相流問題 |
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5 |
滑移網(wǎng)格模型 |
在不同的網(wǎng)格區(qū)域之間使用接口，允許網(wǎng)格間的相對運(yùn)動 |
渦輪機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、活塞發(fā)動機(jī) |
用于模擬旋轉(zhuǎn)或相對移動的部件 |
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6 |
湍流模型 |
基于雷諾平均Navier-Stokes方程（RANS），使用各種湍流封閉方案 |
所有涉及湍流流動的場景，如飛機(jī)翼型、汽車空氣動力學(xué)、煙囪排放 |
包括Spalart-Allmaras、k-ω SST、k-ε等模型，用于描述湍流的統(tǒng)計(jì)特性。 |
選擇求解器
在選擇 Fluent 求解器時，需要綜合考慮分析模型的復(fù)雜程度、計(jì)算精度和計(jì)算效率等因素。
- 如果分析模型比較簡單，計(jì)算精度要求不高，則可以使用壓力求解器。
- 如果分析模型涉及高速、可壓縮流，則需要使用密度求解器。
- 如果需要進(jìn)行瞬態(tài)流動分析，則需要使用非穩(wěn)態(tài)求解器。
每個求解器都針對特定類型的流動問題進(jìn)行了優(yōu)化，用戶需要根據(jù)具體問題選擇合適的求解器以獲得最佳的計(jì)算效率和準(zhǔn)確性。
硬件配置推薦：
由于ANSYS Fluent計(jì)算任務(wù)通常是大規(guī)模、復(fù)雜和高度并行的，因此需要強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和高性能計(jì)算（HPC）硬件來支持。硬件配置推薦：
§ 處理器（CPU）：推薦使用具有多核心和高頻率的CPU，如Intel Xeon或AMD EPYC處理器。
§ GPU計(jì)算與關(guān)聯(lián)求解器
（1）GPU型號：基于NVIDIA的CUDA API實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，只支持NVIDIA的GPU，包括NVIDIA Tesla和Quadro系列
單個Nvidia A100 80GB的性能比采用80個Xeon 鉑金8380核心的集群高5倍；如果擴(kuò)展到8個NVIDIA A100 GPU，仿真速度可提升30倍以上
（2）GPU內(nèi)存容量：GPU顯存消耗取決于案例的大小、網(wǎng)格類型、啟用的模型、精度和某些求解器設(shè)置。例如，用六面體網(wǎng)格，單精度，一百萬單元模擬湍流時，需要約1GB的GPU內(nèi)存
（3）求解問題：支持3D幾何、單精度/雙精度、可壓縮流動、共軛傳熱、湍流模型（如Standard k-epsilon、k-omega SST等）以及瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)計(jì)算。
§ 顯卡（GPU）：推薦使用支持CUDA或OpenCL的高性能顯卡，如NVIDIA Tesla或AMD Radeon Instinct。
§ 內(nèi)存（RAM）：推薦使用大容量內(nèi)存，如64GB或更高容量的DDR4內(nèi)存。
§ 存儲（Storage）：推薦使用高速硬盤或固態(tài)硬盤（SSD）作為系統(tǒng)盤和數(shù)據(jù)盤，以提高數(shù)據(jù)讀寫速度。
§ 網(wǎng)絡(luò)（Network）：推薦使用高速網(wǎng)絡(luò)連接，如Infiniband或Omni-Path，以支持高效的并行計(jì)算。
ANSYS Fluent需要高性能計(jì)算硬件來支持大規(guī)模、復(fù)雜和高度并行的計(jì)算任務(wù)，這需要充分考慮硬件配置的要求和限制。
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