十四、FLUENT中的2D Space配置指南

Fluent中2D空间设置：探索几何对称模型的高效数值计算

当构建的流体动力学模型具有几何对称性，如正方形、圆柱等，且物理边界对称时，模型的物理场往往具有对应的轴对称或平面对称分布。通过计算完整几何模型可以得到最终解，但这往往需要大量的时间和计算资源。为此，Fluent中引入了2D空间设置，以简化计算域，实现计算资源的优化利用。

Fluent几何建模拓展

Fluent不仅支持三维模型的计算，更进一步，它还可以高效处理二维模型，并能更加精巧地表达作为三维模型载体的二维概念。二维模型可以表示轴对称图形，如将圆视为完整的模型时，我们仅需计算其1/4的区域。这是通过定义计算域中心点来实现的，计算域沿中心轴线延伸，进而复制其他三个方向的结果。因此，对于计算的精度和完整性要求较高的问题，涉及到的物理场并非仅径向，Fluent提供的二维库函数准确描述了任意亚象限的物理场集合计算结果是如何映射至整个圆形物理场的。

同时，二维模型能够用于描述旋转轴对称的三维模型，比如用一个矩形来模拟圆柱内物理场。在这种情况下，物理场仅在径向和轴向变，而与切向无关，进而实现利用圆柱的径向切面描述整个圆柱中物理场分布。




2D空间中的计算方程选择

在应用2D空间设置时，需区分“轴对称”和“轴对称漩流”这两个概念。对于“轴对称”，描述三维方程中周向速度$v=0$和所有变量$\frac{\partial}{\partial\theta}=0$的情况，动量方程仅包括$u$和$w$分量。而“轴对称漩流”下，三维方程中所有变量$\frac{\partial}{\partial\theta}=0$仍然适用，仅允许周向速度$v$为非零状态，这意味着动量方程将涵盖$u$、$v$、$w$三个分量。

上述两种情况都是在柱坐标系下进行计算，其中$x$表示轴向，$y$表示径向，即$r$。在写字楼方域，使用的计算方程是基于柱坐标形式，对径向速率、轴向速率和切向速率的具体定义也都有明确规制。

边界条件的重要性

2D空间计算的正确执行依赖于恰当的边界条件设定。针对“Axis”（轴）和“Symmetry”（对称）设置，它们直接与2D空间选择紧密关联，具体适用规则如下：

Axis 边界条件：设置在轴对称图形的中心线。当模型选择为轴对称（Axisymmetric）或轴对称漩流（Axisymmetric swirl）时，确保将对称轴边界配置为“Axis”，不得选用其他边界类型，如“Symmetry”。仅对二维模型适用。

Symmetry 边界条件：应用于模型呈反射对称时，表示 Introduct模型在沿特定平面的作用向量对称。当导入模型设为二维，选择二维空间设置为“Planar”时，此配置依然可用；导入模型设定为三维时，同样可行，表明系统允许在三维视为二维的场景中设置此边界条件。