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CFD软件简介


CFD 软件简介
作者:酥梨 源于:CAE 学术论坛
CFD, 主要用于解决工程中的流体和传热问题, 目前比较好的 CFD 软件有: Fluent、 CFX、 Phoenics、 Star-CD,除了 Fluent 是美国公司软件外,其它三个都是英国公司的产品。 FLUENT
FLUENT 是目前国际上比较流行的商用 CFD 软件包,在美国的市场占有

率为 60%。举凡跟流体,热 传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功 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。其在石油天然气工业上 的应用包括:燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散/聚积、多相流、管道流动等等。Fluent 的 软件设计基于 CFD 软件群的思想,从用户需求角度出发,针对各种复杂流动的物理现象,FLUENT 软件采 用不同的离散格式和数值方法,以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合,从 而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想,Fluent 开发了适用于各个领域的流动模拟 软件,这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象,软件之间采用了统一的 网格生成技术及共同的图形界面,而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同,因此大大方便了用户。 其各软件模块包括: GAMBIT——专用的 CFD 前置处理器,FLUENT 系列产品皆采用 FLUENT 公 司自行研发的 Gambit 前处理软件来建立几何形状及生成网格,是一具有超强组合建构模型能力之前处理 器,然后由 Fluent 进行求解。也可以用 ICEM CFD 进行前处理,由 TecPlot 进行后处理。 Fluent5.4—基于非结构化网格的通用 CFD 求解器,针对非结构性网格模型设计,是用有限元法求解不可 压缩流及中度可压缩流流场问题的 CFD 软件。 可应用的范围有紊流、 热传、 化学反应、 混合、 旋转流 (rotating flow) 及震波 (shocks) 在涡轮机及推进系统分析都有相当优秀的结果, 等。 并且对模型的快速建立及 shocks 处的格点调适都有相当好的效果。 Fidap—基于有限元方法的通用 CFD 求解器,为一专门解决科学及工程上有关流体力学传质及传热等 问题的分析软件,是全球第一套使用有限元法于 CFD 领域的软件,其应用的范围有一般流体的流场、自由 表面的问题、紊流、非牛顿流流场、热传、化学反应等等。 FIDAP 本身含有完整的前后处理系统及流场数 值分析系统。 对问题整个研究的程序,数据输入与输出的协调及应用均极有效率。 Polyflow——针对粘弹性流动的专用 CFD 求解器,用有限元法仿真聚合物加工的 CFD 软件,主要应 用于塑料射出成形机,挤型机和吹瓶机的模具设计。 Mixsim——针对搅拌混合问题的专用 CFD 软件,是一个专业化的前处理器,可建立搅拌槽及混合槽 的几何模型,不需要一般计算流力软件的冗长学习过程。它的图形人机接口和组件数据库,让工程师直接 设定或挑选搅拌槽大小、底部形状、折流板之配置,叶轮的型式等等。MixSim 随即自动产生 3 维网络,并 启动 FLUENT 做后续的模拟分析。 Icepak——专用的热控分析 CFD 软件,专门仿真电子电机系统内部气流,温度分布的 CFD 分析软件, 特别是针对系统的散热问题作仿真分析,藉由模块化的设计快速建立模型。 CFX CFX 是由英国 AEA 公司开发,是一种实用流体工程分析工具,用于模拟流体流动、传热、多相流、 化学反应、燃烧问题。其优势在于处理流动物理现象简单而几何形状复杂的问题。适用于直角/柱面/旋转坐 标系,稳态/非稳态流动,瞬态/滑移网格,不可压缩/弱可压缩/可压缩流体,浮力流,多相流,非牛顿流体, 化学反应,燃烧,NOx 生成,辐射,多孔介质及混合传热过程。 CFX 采用有限元法, 自动时间步长控制, SIMPLE 算法, 代数多网格、 ICCG、 Line、 Stone 和 Block Stone 解法。能有效、精确地表达复杂几何形状,任意连接模块即可构造所需的几何图形。在每一个模块内,网 格的生成可以确保迅速、可靠地进行,这种多块式网格允许扩展和变形,例如计算气缸中活塞的运动和自 由表面的运动。 滑动网格功能允许网格的各部分可以相对滑动或旋转,这种功能可以用于计算牙轮钻头与 井壁间流体的相互作用。CFX 引进了各种公认的湍流模型。例如:k-e 模型,低雷诺数 k-e 模型,RNG k-e

模型,代数雷诺应力模型,微分雷诺应力模型,微分雷诺通量模型等。CFX 的多相流模型可用于分析工业 生产中出现的各种流动。包括单体颗粒运动模型,连续相及分散相的多相流模型和自由表面的流动模型。 CFX-TASCflow 在旋转机械 CFD 计算方面具有很强的功能。它可用于不可压缩流体,亚/临/超音速流 体的流动,采用具有壁面函数的 k-e 模型、2 层模型和 Kato-Launder 模型等湍流模型,传热包括对流传热、 固体导热、表面对表面辐射,Gibb’s 辐射模型,多孔介质传热等。化学反应模型包括旋涡破碎模型、具有 动力学控制复杂正/逆反应模型、Flamelet 模型、NOx 和碳黑生成模型、拉格朗日跟踪模型、反应颗粒模型 和多组分流体模型。 CFX-TurboGrid 是一个用于快速生成旋转机械 CFD 网格的交互式生成工具,很容易用来生成有效的 和高质量的网格。 PHOENICS Phoenics 是英国 CHAM 公司开发的模拟传热、流动、反应、燃烧过程的通用 CFD 软件,有 30 多年的 历史。网格系统包括:直角、圆柱、曲面(包括非正交和运动网格,但在其 VR 环境不可以) 、多重网格、 精密网格。可以对三维稳态或非稳态的可压缩流或不可压缩流进行模拟,包括非牛顿流、多孔介质中的流 动,并且可以考虑粘度、密度、温度变化的影响。在流体模型上面,Phoenics 内置了 22 种适合于各种 Re 数场合的湍流模型,包括雷诺应力模型、多流体湍流模型和通量模型及 k-e 模型的各种变异,共计 21 个湍 流模型,8 个多相流模型,10 多个差分格式。 Phoenics 的 VR(虚拟现实)彩色图形界面菜单系统是这几 个 CFD 软件里前处理最方便的一个,可以直接读入 Pro/E 建立的模型(需转换成 STL 格式) ,是复杂几何 体的生成更为方便,在边界条件的定义方面也极为简单,并且网格自动生成,但其缺点则是网格比较单一 粗糙,针对复杂曲面或曲率小的地方的网格不能细分,也即是说不能在 VR 环境里采用贴体网格。另外 VR 的后处理也不是很好。要进行更高级的分析则要采用命令格式进行,但这在易用性上比其它软件就要差了。 另外,Phoenics 自带了 1000 多个例题与验证题,附有完整的可读可改的输入文件。其中就有 CHAM 公司 做的一个 PDC 钻头的流场分析。Phoenics 的开放性很好,提供对软件现有模型进行修改、增加新模型的功 能和接口,可以用 FORTRAN 语言进行二次开发。

STAR-CD
虽然前面这些著名的 CFD 都是在英国帝国理工大学发展起来的(Fluent 也是现在英国,后来才在美国 发展的) 但是以 Gosman 为创始人的 STAR-CD 与 Phoenics 是有很大的区别的。 , STAR-CD 的起点就是非结 构化网格的求解器,应该说是 star-cd 最早推出非结构化网格的求解器的,这也不难理解,看一看 Gosman 的 Research Group 就知道, Gosman 很早就将在非正交网格和非结构性网格著名的学者请到他在帝国理工的 研究小组,特别来自德国大学的,看看文献就知道(在低速流领域,德国学者在非正交网格,非结构化网 格方面是走在前列的) 。 STAR-Cd 是 Simulation of Turbulent flow in Arbitrary Region 的缩写,CD 是

Computational Dynamics Ltd。是基于有限容积法的通用流体计算软件,在网格生成方面,采用非结构化网 格, 单元体可为六面体, 四面体, 三角形界面的棱柱, 金字塔形的锥体以及六种形状的多面体, 还可与 CAD、 CAE 软件接口,如 ANSYS,IDEAS,NASTRAN,PATRAN,ICEMCFD,GRIDGEN 等,这使 STAR-CD 在适应复杂区域方面拥有特别的优势。从它的网格单元,就可看出它与其他求解器的一些差别,当然现在 大多数商用的求解器都引入了非结构化网格,而 STAR-cd 在早期的版本中就有了。 不过 star-cd 求解器虽然网格适应性强,但是它的前处理器做得太差,以致于普通用户,享受不了它的 优势;不像 fluent 有一个对于普通用户来说已经足够强大的,非常易于上手的前处理器 GAMBIT,所以大 家都愿意学 fluent;而 STAR-cd 的网格优势需要通过第三方软件体现出来,如 ICEMCFD 生成的网格或者 另外购买它的其他网格处理软件,如果你拥有这些软件,在美国汽车领域,他们一般采用 ICEMCFD 做前 后处理,star-cd 做求解器来进行汽车流场分析,同时 STAR--cd 能处理移动网格,用于多级透平的计算, 在差分格式方面, 纳入了一阶 UpWIND, 二阶 UpWIND, CDS, QUICK 以及一阶 UPWIND 与 CDS 或 QUICK 的混合格式,在压力耦合方面采用 SIMPLE,PISO 以及称为 SIMPLO 的算法。在湍流模型方面,有 k-e, RNG k-e,k-e 两层等模型,可计算稳态,非稳态,牛顿,非牛顿流体,多孔介质,亚音速,超音速,多项 流等问题。STAR-cd 的强项在于汽车工业,汽车发动机内的流动和传热。

Numeca
分析软件包有 FINE/TURBO 和 FINE/HEXA 等,其中均包括前处理,求解器和后处理三个部分。 FINE/TURBO 用于内部流动,FINE/AERO 用于外部绕流,FINE/HEXA 可用内部或外部流动,但为非结构 自适应网格。

FINE/TURBO: 可用于任何可压或不可压、 定常或非定常、 二维或三维的粘性或无粘内部 (其 中包括任何叶轮机械:轴流或离心,风机,压缩机,泵,透平等。单级或多级,或任何其他内部流 动:管流,涡壳,阀门等)流动的数值模拟。其中包括 : IGG:网格生成器。可生成任何几何形状的结构网格。采用准自动的块化技术和摸板技术。 生成网格的速度及质量均远高于其它软件。 IGG/AUTOGRID:网格生成器。可自动生成任何叶轮机械(包括任何轴流,混流,离心机 械,可带有顶部、根部间隙,可带有分流叶片,等)的 H 形,I 形和 HOH 形网格。该软件已经 被国际工业部门认为是用于叶轮机械最好、最方便及网格质量最好的网格生成软件。 EURANUS:求解器。求解三维雷诺平均的 NS 方程。采用多重网格加速技术;全二阶精度 的差分格式;基于 MPI 平台的并行处理;可求解任何二维、三维、定常/非定常、可压/不可压, 单级或多级,或整个机器的粘性/无粘流动。可处理任何真实气体;有多中转/静子界面处理方法; 自动冷却孔计算的模块;多级通流计算;自动初场计算;湿蒸汽机算;共厄传热计算;气固两相 流计算;等等。其多级(10 级以上)求解性能良好。 CFVIEW:功能强大流动显示器。可做任何定性或定量的矢量标量的显示图。特别是可处理 和制作适合于叶轮机械的任何 S1 和 S2 面,及周向平均图。该软件已经被国际工业部门认为是 用于叶轮机械最好的后处理软件。 FINE/HEXA:非结构网格 CFD 求解器。该模块的独特性在于:它所采用的网格全是六面体的 非结构网格(这是目前最先进的方法之一) ;自动自适应的多重网格求解器。 HEXPRESS:非结构网格生成器。可自动生成任意复杂三维几何体的全六面体非结构网格。 可直接输入多种作图软件的数据,并对其有自动修补动能。 NUMECA 公司的软件-FINE 系列软件,虽然市场化的较晚,但她是目前国际上最优秀的 软件,她采用了近几年研发出的最先进技术,因此,无论在计算速度、计算精度、所需计算机内 存、使用方便程度、界面友好程度等方面都优于其他软件(如:Fluent 和 Star-CD 等) 。所以, 它引导着世界 CFD 软件发展的新潮流。 其计算速度、 精度和计算机内存需要量均比其它软件 (如: Fluent、Tarsflow 和 Star-CD 等优越,其优越程度使用过其它软件的用户非常惊讶。现在其它软 件公司(在网格生成和核心求解器中)也逐渐开始采用类似于 NUMECA 的方法。她所研发并采 用的其它技术和方法现也已被其它软件开发者逐步采用,因此,NUMECA 公司领导着世界 CFD 软件发展的新潮流。 过去几年,FINE 系列软件被国际上普遍认为是叶轮机械等内部流动模拟分析的首选软件。但随 着 FINE/HEXA 和 HEXPRESS 的推出,将使 NUMECA 的 CFD 软件在模拟外部流动(包括各种 飞行器:飞机、火箭、卫星等;各种运输工具:汽车、机车船舶等;房屋建筑群,桥梁等)方面, 也比其它软件有许多独特的优越性。 另外,由于 NUMECA 软件自身的特点(高的速度,高的精 度,低内存需求,以及使用方便等) ,它现在也是现代流体工程企业实现其设计、制造自动化体 系的首选 CFD 软件。


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