4.1 FLUENT内置后处理方法

ANSYS FLUENT 16.0软件具有强大的后处理功能，能够完成CFD计算所要求的功能，包括速度矢量图、云图、等值面图、流动轨迹图，并具有积分功能，可以求得力、力矩及其对应的力和力矩系数、流量等。该软件对于用户关心的参数和计算中的误差可以随时进行动态跟踪显示。对于非定常计算，FLUENT提供非常强大的动画制作功能，在迭代过程中将所模拟非定常现象的整个过程记录成动画文件，供后续进行分析演示。

FLUENT内置的后处理功能主要体现在以下几个方面。

● 创建面（Surface）。

● 显示及着色处理（Graphics and Animations）。

● 绘图功能（Plots）。

● 通量报告和积分计算（Reports）。

FLUENT内置的后处理功能可以在如图4-1所示的菜单中实现。

在新版本的FLUENT中，还能通过项目树中激活的Graphics and Animations面板、Plots面板和Reports面板来实现后处理功能，如图4-2所示。

4.1.1 创建面

后处理函数一般在面上操作，FLUENT可以自动产生面，也可以由用户产生。可以在FLUENT中选择域的一部分生成面，用来可视化流场；同时可以重命名、删除或移动面，写出面上的变量到文件。

FLUENT中创建面的方法主要包括以下几种。

● Zone Surfaces（求解器自动从域中创建）。

● Plane Surfaces（指定域中一个特定的平面）。

● Iso-Surfaces（对指定变量有固定值的面）。

● Clipping Surfaces（特定角度内的等值面）。

● Point Surfaces（域中一个特定的位置）。

● Line and Rake Surfaces（用于显示颗粒迹线）。

4.1.2 显示及着色处理

FLUENT中能实现多种显示和着色功能，具体如下。

● 视图和显示选项。

● 云图/矢量图/轨迹图显示及着色。

● 在面上打光。

● 使用重叠、不同的颜色、打光、透明等混合的方式。

● 动画。

1．视图和显示选项

执行Display→Options命令，可以打开如图4-3所示的显示选项设置面板。在面板中可以进行以下设置。

● 渲染相关参数设置。

● 窗口风格及灯光开关设置。

● 窗口元素选择，包括标题、坐标轴、Logo、Colormap等。

执行Display→Scene命令，可以打开如图4-4所示的场景描述面板。

单击场景描述面板中的Display按钮，可以打开如图4-5所示的显示特性设置面板，在该面板中可以对显示面进行色彩配置、透明设置等操作。

单击场景描述面板中的Transform按钮，可以打开如图4-6所示的平移设置面板，在该面板中可以设置参数，对显示的面进行平移、旋转和缩放操作。

执行Display→Views命令，可以打开如图4-7所示的视图控制面板，在该面板中可以控制显示视图、选择镜像面等，还可以根据需要命名并保存视图。

执行Display→Lights命令，可以打开如图4-8所示的光线设置面板，对光线进行设置。

2．云图显示及着色

在FLUENT中，可以绘制等压线、等温线等。等值线由某个选定变量（压力或温度）为相等值的线所组成。而轮廓则是将等压（温）线沿一个参考矢量，并按照一定比例投影到某个面上形成的。

生成等值线的一般步骤如下。

（1）在Graphics and Animations面板中双击Contours，打开Contours面板，如图4-9所示。

（2）在Contours of下拉列表框中选择一个变量或函数作为绘制的对象。首先在上面的列表中选择所要显示对象的种类，然后在下面的列表中选择相关变量。

（3）在Surfaces列表中选择需要绘制等值线或轮廓的平面。对于二维情况，如果没有选取任何面，则会在整个求解对象上绘制等值线或轮廓。对于三维情况，则至少需要选择一个表面。

（4）在Levels编辑框中指定轮廓或等值线的数目，可以输入1～100的整数。

（5）设置Contours面板中的其他选项。包括颜色填充的等值线/轮廓线、指定待绘制等值线轮廓变量的范围、在等值线轮廓中显示部分网格、选择节点或单元的值进行显示和存储等值线轮廓相关设置等。色彩填充等值线或轮廓图是用连续色彩显示等值线或轮廓图形的，而不是仅仅使用线条来代表指定的值。可以在生成等值线和轮廓时选中Contours面板中的Filled选项来绘制一个色彩填充的等值线或轮廓图，如图4-10所示。

默认情况下，等值线或轮廓的变化范围通常被设置在求解对象结果的变化范围内。这意味着在求解对象内的色彩变化将以最小值（Min区域的值）开始，以最大值（Max区域的值）结束。

如果绘制的等值线或轮廓只是求解对象的一个子集（即一小段值的变化范围），绘制结果就可能只覆盖色彩变化的一部分。例如，假设用蓝色代表0，用红色代表100，而所关心的值位于50～75，则所关心的值就会是同一种颜色的等值线。这样，当所需要的值在一个小范围内时，就需要设置显示的范围。

此外，当需要了解哪些地方的应力超过了指定的值，只需要显示超过这个值的部分即可，其余部分不需要显示。如果想设置等值线的显示范围，首先选中Contours面板中的Auto Range选项，这样Min和Max文本框中就可以显示相应的值。在显示默认范围时，单击Compute按钮将更新Min和Max的值。

在需要绘制色彩填充等值线时，可以控制超过显示范围的值是否显示。Clip to Range选项的默认状态为选中，这使得超出显示范围的值不被显示。

如果没有选中Clip to Range选项，低于Min的值将会以代表最低值的色彩显示，而高于Max的值将以代表最高值的色彩显示。图4-11为改变Min和Max后显示的云图，可以看出温度在400 K以上的部分没有显示。

对于一些问题，尤其是三维几何体，用户很可能希望在等值线中包含部分网格作为空间参考点，可能还希望在等值线中显示入口和出口的位置。选中Draw Mesh选项，可以在出现的Mesh Display对话框中设置网格显示参数。单击Contours面板中的Display按钮，在等值线中会显示出在Mesh Display对话框中定义的网格，如图4-12所示。

（6）单击Display按钮，在激活的图形窗口中绘制指定的等值线和轮廓。

3．矢量图显示及着色

在FLUENT中可以绘制速度矢量图。默认情况下，速度矢量被绘制在每个单元的中心（或在每个选中表面的中心），用长度和箭头的颜色代表其梯度。通过几个矢量绘制设置参数，可以修改箭头的间隔、尺寸和颜色。

在FLUENT中显示速度矢量的步骤如下。

（1）在Graphics and Animations面板中双击Vectors，出现如图4-13所示的Vectors（速度矢量）面板。

（2）在Surfaces列表中，选择希望绘制其速度矢量图的表面。

（3）设置Vectors面板中的其他选项，包括需要用矢量表示的物理量、着色的依据、显示范围、箭头大小、箭头类型和显示密度等。

如果想用某矢量场来对要显示的矢量场进行渲染，可以通过在Color by下拉列表中选择一个不同的变量或函数来实现。首先选择所希望的分类，然后从下面的列表框中选择相关量。如果选择了静态压力，速度矢量将仍和速度梯度有关，但是速度矢量的颜色将和每一点的压力有关。

如果希望所有的矢量都以相同的颜色显示，可单击Vectors面板中的Vector Options按钮，打开矢量选项对话框中的Color下拉列表框，指定所使用的颜色。如果没有选择任何颜色（空格为默认选项），矢量的颜色将由速度矢量对话框中的值为Field的Color by的选项决定。单色矢量显示通常在等值线和速度矢量叠加图中很有用。

在默认情况下，速度矢量会自动缩放，这样会使在没有任何矢量被忽略时重叠的矢量箭头最少。选中Auto Scale选项，可以通过修改比例系数（默认情况为1）增加或减少默认值。

或选中Auto Scale选项，速度矢量将会按照实际的尺寸和比例系数（默认为1）进行绘制。一个矢量的尺寸表示该点的速度梯度。一个速度梯度为10的点矢量将被绘制成100m长，不管求解对象是0.1m还是100m。这样就只能通过改变Auto Scale的值达到速度矢量适合显示的目的。

如果矢量显示图上有了太多的箭头，使用户不能很好地分辨，就可以通过设置速度矢量对话框中的Skip的值显示较少的矢量数。默认情况下，Skip的值为0，这表示每个求解对象或平面上的矢量都被显示。如果将Skip的值增大到1，那么只有总数一半的矢量被显示。

如果继续将Skip的值增加到2，就只会有总数1/3的矢量被显示。面的选择（或求解对象单元）将会决定哪一个矢量被忽略或被绘制，因此当Skip的值不为0时，调整选择顺序将会改变速度矢量图。

（4）单击Display按钮，在激活的窗口中绘制速度矢量图。

图4-14为某例子中显示的速度矢量图。

4．轨迹图显示及着色

轨迹用于显示求解对象的质量微粒流。粒子是在Surface菜单中定义的一个或多个表面中释放出并形成的微粒。

生成微粒轨迹的基本步骤如下。

（1）在Graphics and Animations面板中双击Pathlines，打开Pathlines对话框，如图4-15所示。通过该对话框可以显示从表面开始的微粒轨迹图。

（2）在Release from Surfaces列表中选择相关平面。

（3）设置Step Size和Steps的最大数目。Step Size设置长度间隔用来计算下一个微粒的位置。当一个微粒进入或离开一个表面时，其位置通常由计算得到，即便指定了一个很大的Step Size，微粒在每个单元入口或出口的位置仍然可以被计算并显示。

Steps用于设置一个微粒能够前进的最大步数。当一个微粒离开求解对象，并且其飞行的步数超过该值时，将停止。

如果希望微粒能够前进的距离超过一个长度大于L的距离时，应该使Step Size和Steps的乘积近似等于L。

（4）其他选项在前面均有涉及，这里不再介绍。读者可以根据需要设置Pathlines对话框中的其他参数。

（5）单击Display按钮绘制轨迹线。单击Pulse按钮显示微粒位置的动画。在动画显示中Pulse按钮将变成Stop按钮，在动画运动过程中可以通过单击该按钮来停止动画的运行。

图4-16为某例子中生成的轨迹线，着色依据为静压强。

4.1.3 曲线绘制功能

FLUENT提供以下绘制结果数据的工具。

● 求解结果的XY图。

● 显示脉动频率的历史图。

● 快速傅里叶变换（FFT）。

● 残差图。

可以修改曲线的颜色、标题、图标、轴和曲线属性，其他数据文件（试验、计算）也可以读入以便比较。在如图4-17所示的绘制XY曲线的设置面板中，可以选择X轴或Y轴代表的位置量，并指定另外一个轴代表的物理量。在图4-18所示的曲线图例中，X轴代表位置量，Y轴为静温。

4.1.4 通量报告和积分计算

1．报告流量

流量文字报告产生的步骤如下。

（1）在Reports面板中双击Fluxes项，弹出如图4-19所示的Flux Reports面板，Results列表框中显示了边界区域上的质量流率、热传输率和辐射热传输率等。

（2）从Options列表框中选中Mass Flow Rate、Total Heat Transfer Rate或者Radiation Heat Transfer Rate选择所要计算的流量。

（3）从Boundaries列表中选择想获得流量数据的边界区域。

（4）单击Compute按钮。

Results列表框将显示已选择的每一个边界区域的选定流量计算结果，并在Results列表框下面的文本框中显示单个区域流量的总和结果。

2．报告作用力

FLUENT可以计算和报告沿着一个指定矢量方向的作用力以及关于选择区域的一个指定中心位置的力矩。这个特性可以被用于报告像升力、阻力及一个机翼需要计算的空气动力学系数等。

作用力文字报告产生的步骤如下。

（1）在Reports面板中双击Forces项，打开Force Reports面板，如图4-20所示。从中获得指定区域内沿着一个说明的矢量方向的作用力或关于一个指定中心位置的力矩的报告。

（2）在Options列表框中选择Forces（力）、Moments（力矩）及Center of Pressure（压力中心）来得到想要的报告。

（3）如果用户选择的是一个作用力（Force）报告，则需要在Direction Vector中输入X、Y和Z的值来指定所需要计算力的方向。如果选择的是一个力矩（Moments）报告，则需要在Moment Center中输入X、Y和Z坐标值来指定力矩中心。（4）在Wall Zones列表中选择想要得到作用力和力矩信息报告的区域。在这里同样也可以用类似于显示流量的方法通过Match来快速选择所需要的墙区域。

（5）单击Print按钮，在FLUENT控制窗口中将显示已选择的墙沿着指定的作用力矢量方向或指定力矩中心的压力、黏度和总作用力或力矩，以及压力系数、黏度系数、总作用力或力矩系数。

3．积分计算

（1）表面积分的计算。

在FLUENT中可以计算一个主体中选择面上选定的场变量，其中包括面积或质量流率、面积加权平均、质量加权平均、面平均、面最大值、面最小值、顶点平均、顶点最小值、顶点最大值等。

面是FLUENT软件在与用户使用的模型相关的每一个区域中创建的数据点，或者是用户定义的数据。

由于面可以被放置在主体的任意位置，而且每一个数据点处的变量值都是由节点值线性向内插值得到。对于一些变量，它们的节点值由求解器计算得到，然而另外一些变量，仅仅网格中心处的值被计算，节点处的值通过平均网格处的值得到。

为了获得所选表面的面积、质量流率、积分、流动速率、求和、面最大值、面最小值、顶点最大值、顶点最小值或质量、面积、面、顶点平均等指定变量的值，可通过Surface Integrals面板来生成报告。

在Reports面板中双击Surface Integrals，打开如图4-21所示的Surface Integrals面板。

在Report Type下拉列表中选择Area、Area-Weighted Average、Flow Rate、Mass Flow Rate等来选择所需的报告类型。

在Field Variable下拉列表中选择在表面积分中使用的场变量。首先在上面的下拉列表中选择希望得到的变量值所属的类型，然后在下面的下拉列表中选择相关的变量。如果需要生成的是面积或质量流率报告，则省去这一步。

在Surfaces列表框中选择需要表面积分的面。与前面一样，可以利用Surface Types和Match来快速选择所需要的面。

单击Compute按钮，根据选择的不同，结果的标签会有相应的调整，图4-21所示显示的是Mass Flow Rate。

（2）体积分的计算。

按照计算表面积分的方法可以计算体积分，获得指定网格区域的体积或者指定变量的体积积分、体积加权平均、质量加权积分或质量加权平均等。在Reports面板中双击Volume Integrals项，可以打开如图4-22所示的Volume Integrals面板。

① 在Report Type列表框中选择想要计算的类型，有体积、总和、最大值、最小值和体积积分等。

② 在Field Variable下拉列表中选择需要的积分类型，有压力、密度和速度等。先在上面的下拉列表中选择需要的种类，然后从下面的列表中选择相关的量。如果想要生成体积报告，则省去这一步。

③ 在Cell Zones列表框中选择需要计算的区域。

④ 单击Compute按钮，根据用户选择的不同，结果的标签将调整为相应的量，并在下面显示计算值。