Ansys Fluent流体仿真计算分析、硬件配置分析

Ansys Fluent流体仿真计算分析、算法及硬件配置
Ansys Fluent 是目前国际上比较流行的商用 CFD (Computational Fluid Dynamics, 计算流体力学)软件包求解器，在美国的市场占有率为 60%。与流体、热传递和化学反应等有关的行业均可使用它。它具有丰富的物理模型、先进的数值计算方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油、天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。例如，在航空航天、汽车、化工、能源、工业上的应用就包括燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散与聚积、多相流、管道流动等。另外，通过 Fluent 提供的用户自定义函数可以改进和完善模型，从而处理更加个性化的问题。
Fluent能够模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。其应用领域极为广泛
机械工程：模拟机械系统中的热传导、流体动力学、换热和气动噪声等问题。例如，飞机和航天器等飞行器的设计，在汽车工程中优化车身流线型设计以减少空气阻力。
能源领域：模拟电池的充放电过程，优化电池性能和寿命；模拟燃烧过程，提高燃烧效率和环境友好性；模拟风力涡轮机、太阳能集热器等设备，优化能源转换效率。
化工工程和环境工程：模拟化学反应过程，帮助工程师设计反应器以提高生产效率；模拟空气污染和水污染等环境问题，优化环境治理方案。
生物医药：模拟生物流体的运动、传热和传质过程，用于研究血液流动、药物输送等生物医学问题。
其他领域：还应用于水轮机、风机水泵、建筑工程、船舶设计、食品加工和天然资源开发等多个行业。
专业分析
空气动力学: 分析流体对物体（如飞机、汽车）的作用力。
水动力学: 分析流体对物体（如船舶、水下潜艇）的作用力。
传热分析: 分析流体流动中的传热过程。
燃烧分析: 分析燃烧过程中的化学反应和流动现象。
多相流分析: 分析多相流体之间的相互作用。
其他: 湍流分析、声学分析、粉体工程等。

Fluent 的软件组成
Fluent 软件主要由以下几个部分组成：
前处理器: 前处理器（preprocessor）用于完成前处理工作。前处理环节是向 CFD 软件输入所求问题的相关数据，用于定义模型几何形状、网格划分、物理模型、边界条件等。该过程一般是借助与求解器相对应的对话框等图形界面来完成的。
求解器:（solver）的核心是数值求解方案。常用的数值求解方案包括有限差分、有限元、谱元法和有限体积法等。用于求解控制方程组。
后处理器: 用于有效地分析和可视化流动计算结果。
Fluent 提供了多种前处理器、求解器和后处理器，可以满足不同用户的需求。

Fluent 求解器介绍

1. 求解压力器：算法，使用SIMPLE算法及其变体，通过迭代求解压力-速度耦合问题。应用范围：大多数工业流体流动问题，如管道流动、换热器、风扇和泵等。计算特点：适用于不可压缩流体和低马赫数可压缩流体的流动模拟。

2. 密度求解器：算法：基于Eulerian框架，使用AUSM+或Roe等通量差分方案。应用范围：航空、燃烧、喷射和多相流问题。计算特点：适用于高马赫数流动和多组分流动问题。

3. 离散相模型：算法：跟踪每个粒子的轨迹，同时考虑粒子与连续相之间的相互作用。 应用范围：粉尘收集、喷雾干燥、催化剂床层流动。计算特点：用于模拟气固两相或多相流，例如颗粒输送和喷雾。

4. VOF模型：算法：使用体积分数追踪不同流体的界面。 应用范围：船舶设计、液滴撞击、液-液混合。 计算特点：适用于自由表面流动和两相流问题。

5. 滑移网格模型：算法：在不同的网格区域之间使用接口，允许网格间的相对运动。 应用范围：涡轮机、风力发电机、活塞发动机。 计算特点：用于模拟旋转或相对移动的部件。

6. 湍流模型： 算法：基于雷诺平均Navier-Stokes方程（RANS），使用各种湍流封闭方案。应用范所有涉及湍流流动的场景，如飞机翼型、汽车空气动力学、烟囱排放。计算特点：包括Spalart-Allmaras、k-ω SST、k-ε等模型，用于描述湍流的统计特性。

选择求解器
在选择 Fluent 求解器时，需要综合考虑分析模型的复杂程度、计算精度和计算效率等因素。
如果分析模型比较简单，计算精度要求不高，则可以使用压力求解器。
如果分析模型涉及高速、可压缩流，则需要使用密度求解器。
如果需要进行瞬态流动分析，则需要使用非稳态求解器。

由于ANSYS Fluent计算任务通常是大规模、复杂和高度并行的，因此需要强大的计算机系统和高性能计算（HPC）硬件来支持。每个求解器都针对特定类型的流动问题进行了优化，用户需要根据具体问题选择合适的求解器以获得最佳的计算效率和准确性。

1．操作系统要求
（1）Ansys Workbench 2022 R1 可运行于 Linux x64（linx64）、Windows x64（winx64）等计算机
及操作系统中，其数据文件是兼容的，Ansys Workbench 2022 R1 不支持 32 位系统。
（2）确定计算机安装有网卡、TCP/IP，并将 TCP/IP 绑定到网卡上。

2. 硬件配置推荐：
   处理器（CPU）：推荐使用具有多核心和高频率的CPU，如Intel Xeon或AMD EPYC处理器。
   GPU计算与关联求解器
   （1）GPU型号：基于NVIDIA的CUDA API实现并行计算，只支持NVIDIA的GPU，包括NVIDIA Tesla和Quadro系列
   单个Nvidia A800 80GB的性能比采用80个Xeon 铂金8380核心的集群高5倍；如果扩展到8个NVIDIA A800 GPU，仿真速度可提升30倍以上
   （2）GPU内存容量：GPU显存消耗取决于案例的大小、网格类型、启用的模型、精度和某些求解器设置。例如，用六面体网格，单精度，一百万单元模拟湍流时，需要约1GB的GPU内存
   （3）求解问题：支持3D几何、单精度/双精度、可压缩流动、共轭传热、湍流模型（如Standard k-epsilon、k-omega SST等）以及瞬态和稳态计算。
   显卡（GPU）：推荐使用支持CUDA或OpenCL的高性能显卡，如NVIDIA Tesla或AMD Radeon Instinct。
   内存（RAM）：推荐使用大容量内存，如64GB或更高容量的DDR4内存。
   存储（Storage）：推荐使用高速硬盘或固态硬盘（SSD）作为系统盘和数据盘，以提高数据读写速度。
   网络（Network）：推荐使用高速网络连接，如Infiniband或Omni-Path，以支持高效的并行计算。

ANSYS Fluent需要高性能计算硬件来支持大规模、复杂和高度并行的计算任务，这需要充分考虑硬件配置的要求和限制。
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