前幾篇文章跟各位介紹流體統御方程式的推導與基本離散流程，前面介紹這麼多理論，那究竟要如何用來求解呢？因此，本次來跟各位聊聊如何用ANSYS Fluent來求解簡單的流體問題。
ANSYS Fluent簡介
ANSYS是一家成立於1970年代的公司，致力於工程模擬軟體開發。隨著公司發展，旗下也有著各式各樣的模擬軟體，其中Fluent為泛用型的流體模擬軟體，於同類型軟體中市佔率最高[1]，能夠用來求解穩態流體、旋轉機械、多相流、化學反應等流體問題。這次就是要藉由ANSYS Fluent來帶各位瀏覽模擬流程。
問題描述
決定求解工具後，我們來看看要求解怎樣的問題，問題描述如下：假設有一根直徑20mm的管子，長度為100mm，水從管口以0.0005m/s的速度流入，我們要來求得管子內部的速度場分布[2]，如圖1所示。
求解流程
Step0：創建工作任務
底下求解流程圖片引用自參考資料2的影片，若大家有興趣的話，也不妨點進去看看！而主廚會根據影片流程來講解說明。圖2是ANSYS Workbench平台介面，左半邊的Analysis Systems有分別對應不同模擬項目的軟體，而用來講解的Fluent也是其中一套軟體。
按住Analysis Systems中的Fluent往右拖拉至空白處，即可創建一項工作任務。如果有看過《什麼是CAE？CAE基本介紹與應用發展》這篇文章的話，應該對工作任務內的項目並不陌生，從Geometry、Mesh、Setup到Results分別對應幾何、前處理與後處理。
Step1：幾何建立與處理
點選工作任務中的Geometry即可進入ANSYS的幾何軟體繪製模擬所需的幾何模型，如果有事先用CAD軟體繪製幾何模型，也可對著Geometry按右鍵，從跳出選單中選擇Import Geometry來匯入圖檔，如圖3所示。
由於本次說明重點擺在後續的網格處理與模擬設定，這部分就先簡單帶過。
Step2：建立網格
Step2.1：進入Mesh編輯環境
等到確定幾何模型後，Geometry欄位右側會顯示打勾，代表該步驟已完成，如圖4所示，接著對Mesh欄位快點左鍵兩下，便能進到Mesh設定環境。
Step2.2：設定網格尺寸(Element Size)
進到Mesh編輯環境後，我們在左側Outline點選Mesh頁籤，左下方就會顯現Mesh的設定細節，接著將Element size改成0.001m，如圖5。如果不特別調整元素尺寸，ANSYS通常會用預設值來劃分網格，而這可能會造成元素尺寸過大，導致模擬精度不足，甚至是無法收斂，因此必須設定合適網格尺寸。
Step2.3：設定Name Selection
在網格設定完成後，下一步是設定Name Selection，而Name Selection功能主要是替幾何模型的邊、面、體來命名，以便在後續模擬程序中能夠清楚辨識。舉例來說，如果要替入口面設定流速，一旦幾何模型複雜又沒有命名的話，就得花上不少時間尋找作為流體入口的面。因此，通常會對後續要套用邊界條件的幾何特徵設定Name Selection。
由於此次案例為軸對稱模型，需要對旋轉軸套用軸對稱邊界條件，因此我們要先對旋轉軸命名，以利後續辨識。先將幾何選擇切換至邊，接著點選旋轉軸並按右鍵，從選單中選擇Create Name Selection，如圖6。
點選Create Name Selection之後會出現新視窗，輸入Axis替該旋轉軸命名，如圖7。按照同樣流程替剩下三個邊命名Inlet、Outlet與Pipe Wall，如圖8，至此完成Mesh階段所需設定。
Step3：模擬設定
Step3.1：進入Fluent環境
回到Workbench主頁並快點兩下Setup，便會跳出Fluent Launcher的視窗，接著勾選Double Precision，如圖9。此處開啟Double Precision的話主要是為了提升模擬計算精度，但提昇精度的同時也會使計算成本提升。開啟該選項後點選Start，便會進入Fluent介面。
Step3.2：設定Axisymmetry
進到Fluent介面後，右側主要顯示模型與Console，左側則是Outline，分別是模擬設定、求解設定與後處理，相關模擬設定只要由上往下照著設定就好。位於最上方的General主要是設定求解問題類型，由於此次幾何模型為軸對稱模型，因此需勾選Axisymmetry，其他選項保持預設即可。若想確認網格資訊，可點選Check並於Console確認網格資訊，如圖10所示。
Step3.2：設定流體Viscous Model
左鍵快點兩下Viscous Model便會出現物理模型選單，由於此次求解案例的雷諾數小於2000，流動類型屬於層流，故選擇Laminar作為求解用的物理模型，此步驟主要設定待求解的流體統御方程式，如圖11。
Step3.3：設定流體介質
由於預設的Fluent流體介質為空氣，為了將介質改成水，需要點選Materials頁籤，並在Create/Edit Materials中點選Fluent DataBase，如圖12所示。Fluent Database中有許多不同流體介質可供選擇，在這裡選擇water-liquid作為流體介質，如圖13。
Step3.4：邊界條件設定
接著Cell Zone Conditions保持預設，進到Boubdary Conditions來做設定。在邊界條件設定中，Fluent也會根據Name Selection的命名來判斷該幾何特徵套用的邊界條件類型，雖然有時候需要手動調整，但在本次案例中無須調整。
在邊界條件種類確定的前提下，我們仍需設定入口流速為0.0005m/s。因此，點選Inlet並從下方選單選擇velocity-inlet，如圖14，接著便會出現velocity inlet的設定視窗，於Velocity Magnitude欄位輸入0.0005，如圖15。
Step3.5：求解格式設定
完成上述模擬設定後，接著進到求解設定的程序。點選Outline中的Methods，將Scheme更改為SIMPLE，其他保持預設，如圖16。這邊的設定主要是跟求解演算法以及離散方式相關，細節會於後續文章解釋。
Step3.6：殘差值(Residual)設定
接著點選Monitors並選擇下方的Residual，在跳出視窗中將各項方程式的Absolute Criteria改成1e-6，如圖17。由於CFD求解主要是在每次迭代中不斷修正誤差，因此需要設定誤差小於多少時需停止計算，而Fluent中的Residual預設為1e-3。一般來講，此預設值已能滿足大多數工程應用，但若有更高精度要求，可在此處更改殘差值以滿足需求。
Step3.7：流場初始化
在正式進到求解環節前，需要先設定流場初始化的方式，點選Initialization並將初始化方式改為Standard Initialization，在Inital Values的Axial Velocity欄位填入0.0005m/s，最後點選Initialize，要求軟體在此初始值設定下初始化流場，作為後續求解之用，如圖18。
Step3.8：模擬執行
最後點選Run Calculation，將迭代步數(Number of Iterations)設為1000，其餘欄位保持預設，點選Calculate，如圖19。接著軟體就會根據上述設定來求解，並於右側顯示殘差曲線與數值，當殘差值小於1e-6的時候即視為收斂，整個求解過程結束，如圖20。
Step4：模擬結果查看
求解結束後可從Results來查看求解結果，點選Graphics並從欄位選擇Contours，如圖21所示，接著便會出現Contours的設定選單，將顯示項目改成Velocity Magnitude，點選Save/Display，右側就會出現管路內部速度分布圖，如圖22。
主廚結語
此次帶各位看看如何在軟體中實際求解CFD問題，從這個案例也可以清楚知道使用者只需要做一些設定便能求解CFD問題，軟體會自動處理複雜的數學運算。儘管如此，了解CFD理論不僅對於模擬設定會更有概念，也可以幫助我們判讀結果或是做相關開發！之後也會持續介紹！
參考資料
- Ansys Fluent 通用流體模擬，虎門科技，https://www.cadmen.com/product/13
- ANSYS Fluent Tutorial | Laminar Pipe Flow Problem | ANSYS Fluent Pipe Flow | CFD Beginners Tutorial