非流体力学专业快速入门CFD分析指南

导读：先前我并不认识未名的少年，而是通过我们计算流体力学群里老铁时常分享的视频教程《北大博士-无痛苦CFD入门课程21讲》得以了解；后经过好友推荐，力邀未名的少年注册并认证仿真秀平台专栏作者，且免费分享他的无痛苦CFD入门课程21讲以及他独家CFD学习资料，在仿真秀平台引起广大的CFD学习者的共鸣和好评（学习资料领取见文末）。

6月23日20时，受仿真秀平台邀请，未名的少年在仿真秀App和官网公开首次直播《CFD入门，选择Fluent还是OpenFoam》,感兴趣的小伙伴可查看文末直播安排。

一、写在前面

大家好，我是未名的少年。我之前说过：希望能为祖国的从事CFD研究的理工科学子和仿真工程师提供一些便利，让他们踩在我的弱小的肩膀上，站得更远，看得更高，希望有一天大家能够一起讨论我们的国产CFD软件。曾几何时，少年我在up站公开直播，并沉淀下来《北大博士-无痛苦CFD入门课程21讲》已为大家广为传播，甚是欣慰！近日，持续不断有人催更OpenFoam教程，少年我铭记于心！

未名的少年的作品

前不久，接到仿真秀平台编辑老师的约稿，一篇有关“非流体力学专业的同学快速入门CFD"的经验。我想了几天，也咨询了群里几个非流体力学专业进行CFD学习研究的同学，得到了一点点经验。在我的直播《CFD入门，选择Fluent还是OpenFoam》上线之前分享给大家，希望大家能有所收获，受限于笔者的知识储备和工作阅历，文中可能有错误之处，欢迎各位批评指正。

以下是正文：

未名的少年作品

二、非流体力学专业CFD入门准备

1、有一定CFD基础入门

如果之前学过流体力学、传热学、计算方法等课程，入门CFD是比较容易的，只需要复习一下三部分内容即可具备入门的基础知识。

• 第一、流体力学中关于流体动力学部分关于雷诺输运定理、N-S方程、雷诺数、边界层理论等部分。

• 第二、传热学中用数值方法求解热传导问题、理解一下对流换热的理论方程部分。

• 第三、计算方法中关于离散和迭代的一些内容。

2、没有CFD基础的入门

如果没有学过流体力学等课程，第一步建议梳理流体力学基本的知识和一些模型思想。

• ① 连续介质模型：也就是流体是连续的，很小体积的流体内部是均匀的（即一般不考虑分子、原子之间的作用，不适用于激波、稀薄气体）。

• ② 流体具有粘性——粘性是流体非常重要的一个属性，能影响流动的样子等，雷诺数就是与粘性很相关的一个数。（无量纲数是CFD中很重要的概念，应用不同模型一定要考虑适用无量纲数的范围。）

• ③ 流体密度是否改变、是否可压取决于具体物理条件，不一定所有问题都需要考虑。

• ④ 压强、流速、温度是整个流动过程中非常重要的三个物理量，心里面一定要时时刻刻记着这些量。

• ⑤ 了解一下控制体的概念（control volume，CV，即下图），以及在控制体基础上建立的质量守恒方程、动量方程、能量守恒方程。初期不需要背方程，只需要理解即可。如：

单位时间CV内流体质量的增加+ 净流出CV的流体质量流量 = 0

• ⑥ 了解一下常见的无量纲数，比如雷诺数（Re）、马赫数（Ma)，了解一下自己研究课题中常用的无量纲数比如St、We等，了解物理意义。

• ⑦ 了解热传递过程的基本方式是热传导、热对流和热辐射。

• ⑧ 解决一个物理问题需要确定研究问题的物理区域（也就是多大），初始条件是怎样的，边界上都是怎样的。

• ⑨ 理解一下网格离散和方程离散的原理。

三、非流体力学专业CFD入门软件学习

掌握了上面的9个基础问题之后，基本上就可开始尝试学习CFD了。CFD可以是自己编程，离散问题，求解方程，如可以尝试求解二维热传导问题，顶盖驱动流等问题，也可以用一些商业软件如Fluent等。

此时，最好先构建宏观的求解思路——算啥、咋算、啥结果。就是闭着眼睛能不能想清楚自己要模拟一个什么问题，几何模型是怎么样的，各个边界都啥条件，初始条件是啥，（也就是“算啥”）大概涉及到哪些模型（也就是“咋算”），预期的速度分布、压强分布和温度分布是怎样的（也就是“啥结果”），能想清楚这个就非常好了。

然后按照教程做几个case，培养一下感觉，每次做完一个case就闭着眼睛回顾这个case的设置过程，大约10个小时的训练就可以了。或者找一本教程书，先看目录，然后闭着眼睛回忆他目录的构成，然后看内容，每看一章就回顾这个章节和前面的关系。

一本书看完，大概就能入门。另外一个课题是关于提问，在提问之前，一定要明确自己的问题是什么，要能清楚的说出来自己的问题。糊涂的问题是没有答案的，也是最浪费时间和精力的。

四、CFD入门之Fluent学习方法

相声是一门艺术，有四门基本功课：说 学 逗 唱，CFD也是如此。

CFD也是一门艺术，他也有四门功课：画网格，选模型，调参数，后处理。

下面我以Fluent为例，用隐喻的方法介绍一下fluent这个软件，用大家熟悉的Excel做一些类比，有些地方略有牵强附会，请见谅。

1、 Fluent是什么？

Fluent是一个计算流体软件，就像Microsoft Excel 是个处理表格的软件一样。Fluent 6.3就像 Excel 2003。Fluent 20.0就像 Excel 2019，Fluent可以做流体计算，就像excel可以做数据计算一样。

2、Fluent与Ansys 的关系?

他们就像Microsoft Excel 和 Microsoft Office 的关系，Fluent是Ansys 的一个套件，就像Excel 是 Office的一个套件。

3、关于Fluent，有哪些东西必须知道

就像使用Excel数据处理一样：

• 第一、Excel需要输入数据，按照表格输入数据，同理Fluent 需要知道计算区域的大小尺寸，需要输入网格。

• 第二、Excel 需要知道每一行每一列的意义，是金额还是日期，是分数还是学号，同理Fluent 需要知道每一个边界的条件，是进口还是出口，是绝热还是恒热流。

• 第三、Excel 需要知道处理数据的方式，是看平均数还是方差标准差，同理Fluent需要设置计算模型和数值方法，是DPM还是VOF，是一阶还是二阶

• 第四、Excel 需要知道最后是拟合公式还是画出图像，同理Fluent 需要知道最后看流速分布还是温度分布

4、Fluent 入门需要哪些知识储备

Excel 需要基础的数据处理知识，例如平均数和方差，同理Fluent 需要知道基础的流体知识和数值计算知识，比如雷诺数和离散格式。但是你不知道平均数和方差并不会影响你操作excel，就像你不知道雷诺数并不影响你操作Fluent，但是你最好知道一点基础。

5、Fluent 使用熟练是怎样的呢？

还是和Excel 一样，Excel 高手可以熟练使用宏和VBA编程，数据透视，同理 Fluent高手可以熟练使用udf以及自己的模型。

6、如何学习呢？

就像Excel 一样：

第一、获取原始数据，excel可以从别人电脑上拷贝，也可以通过txt 软件导入，也可以通过word 输入，复制粘贴进入excel，也可以从网络上下载，当然也可以自己手动输入。而Fluent需要网格文件，可以通过Gambit 软件生成，可以通过ICEM 软件生成，也可以通过ANSYS Meshing 生成，也可以通过其他软件生成。你需要学习划分网格，推荐Meshing，（ICEM对新手不友好，Gambit界面也不大友好，不推荐）可以看网络上的操作教程。 

第二、数据计算，excel 可以计算方差、平均值、方差以及各种函数值而Fluent 需要设置计算条件和计算格式：你需要知道模型是瞬态还是稳态，各个边界是怎样的，计算中各个方程采用什么格式。如果不知道怎么改的话，什么都不要改，以后再说。你不需要知道所有的条件的意义和计算格式的意义，就像你不需要知道excel中所有函数的意义和VBA的函数的意义，你只需要知道和自己相关的即可。

第三、后处理，excel可以拟合公式，也可以输出图表格，而fluent 可以输出各个点的速度值，也可以输出速度分布。excel中的数据可以通过origin或者igor 作图，而Fluent中的数据可以通过cfd-pos处理。你需要学习如何画图，或者学习另外一个软件。最后，最快的方法就是按照教程做10个case，基本上10个小时就能入门了。重点是大概知道每个参数是怎么选的，参数选择方法可以看理论手册，有些书上也会有大概的讲解，当然也可以听一些培训课程,仿真秀平台CFD之道（流沙老师）、张老师（流体和结构都擅长）和安世亚太张杨老师的视频教程都很优秀，我也自学了不少。

五、Fluent 中统计颗粒信息

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