CFD—计算流体动力学软件介绍

CFD 流体动力学软件介绍CFD计算流体动力学，因历史原因，国一直称之为计算流体力学。其结构为：提出问题流动性质（流、外流；层流、湍流；单相流、多相流；可压、不可压等等），流 体属性（牛顿流体：液体、单组分气体、多组分气体、化学反应气体；非牛顿流体）分析问题一建模N-S方程（连续性假设），Boltzmann方程（稀薄气体流动），各类本构方 程与封闭模型。解决问题差分格式的构造/选择，程序的具体编写/软件的选用，后处理的完成。 成果说明形成文字，提交报告，赚取应得的回报。CFD实现过程：1建模一一物理空间到计算空间的映射。主要软件：二维：AutoCAD：大家不要小看它，非常有用。一般的网格生成软件建模都是它这个思路，很少有 参数化建模的。相比之下AutoCAD的优点在于精度高，草图处理灵活。可以这 样说，任何一个网格生成软件自带的建模工具都是非参数化的，而对于非参数化 建模来说， AutoCAD 应该说是最好的，毕竟它发展了很多很多年！三维：CATIA：航空航天界CAD的老大，法国人的东西，NB,实体建模厉害，曲面 建模独步武林。本身可以生成有限元网格，前几天又发布了支持 ICEM-CFD 的 插件ICEM-CFD CAA V5。有了它和ICEM-CFD，可以做任何建模与网格划分！UG：总觉得EDS脑袋进水了，收了 l-deas这么久了，也才发布个几百M的UG NX 2.0，还被大家争论来争论去说它如何的不好用！其实，软件本身不错，大公司用得也多，可是就这么打市场，早晚是走下坡路。按CAD建模的功能来 说它排不上第一，也不能屈居第二，尤其是加上了 IDEAS 更是如虎添翼。现在关键是看市场了。Solidworks：这哥们讲的是实用主义，中端CAD软件它绝对是老大，Solidedge 功能是不比它差，但是 Solidworks 的合作伙伴可能是 SE 的十几倍，接口也比 SE多很多，要是你，你会选哪个？ Autodesk Inventor也只能算是中端软件，目 前说来，我是处于观望态度，看发展再决定。总之,Solidworks目前的发展如日 中天，合作伙伴多如牛毛。用起来极其顺手（呵呵，我的手，其它兄弟的我不知 道）。这里极力向大家推荐的是ICEM-CFD DCI FOR Solidworks!有了这个东 西画个全机网格也就个把天！Pro/E： 不好评价，参数化建模的老祖，目前却也当不了老大。看到它我就觉得 不爽，一大把年纪了还只能混在中小企业。一个月发布一个新版本，我就愣没看 出哪里新了， BUG 倒是一个比一个多。界面看起来也觉得别扭（一家之言，兄 弟们别扔鸡蛋）。MDT、Inventor： Autodesk2网格划分一一连续空间的离散化。主要软件：ICEM-CFD （Ansys Inc）：最NB的网格划分软件，主要四个模块：Tetra （水 平最高）、Hexa（用起来方便）、Global （难得的笛卡尔网格划分软件）、AutoHexa（算是垃圾，有那么一点点用处）。接口贼多，几乎支持所有流行的CFD软件！ ！ 使用方便，一个月可以学会，两个月就可以针对课题努力了。这个软件还有后处 理模块Visual3，但是目前说来还没有听过哪个兄弟用过，我也没用过。Gridgen（Poinwise Inc）：你要学习网格理论，用它比较好，你要和它一起来完 成网格，不能靠它自动给你个复杂网格。结构网格划分很好。帮助文档有些标新 立异了，很多术语就是难为大家这些入门级别的，实体不叫实体，它非得说是Database ，何必呢！Gambit (Fluent Inc)：好学、好用。就是要拖着一个Exceed当靠山，功能强大。但是占用存比较多，常常会跑死机(不是个别的问题)。目前最新版本2.1.6，功 能不见多大改善，导入几何仍然需要手动修复。CFX-build(Ansys Inc)： 基于 Patran 的非结构网格划分软件，会 Patran 就会 它！功能自不用说，Patran有多猛，搞FEA/CAE的兄弟都知道。CFD-Geom(CFDRC Inc)： 好学，不过有些概念要仔细领会，最好是对拓扑 与网格结构、类型比较熟悉。Patran (Msc Inc)、Hypermesh(Altair Inc)：这两个不说了 FEA 方面的猛将，CFD 也可以借鉴。以上按功能和在CFD领域的适用围分类。3、求解器一一差分方程的求解。主要软件：Fluent： 不可压流动的优秀求解器，可压流动求解稍差，市场做得好，用的人 多。非结构网格求解器。它不是最好的，但是是最通用的，具体还是要看你的问 题。帮助文档我已经全部翻译了。CFX5.X：相当于Flue nt的分离求解器，Mav2有效。基于非结构网格。没啥好 说的，优点找不到，缺点也没什么。CFX4.x： 化学反应和多项流结构网格求解器，不了解，大家可以补充Star-CD： 源于英国，日本也搞，我不喜欢有日本人的气味！西交大用得比较多。Phoenics： 英国佬的，由于决策上的失误(网格处理方面的决策)，目前仍在 低谷，功能强大，但使用不方便，前处理太差。CFDRC：我最喜欢的求解器，功能比前面所有加起来的都多，解决问题极其广泛，缺点是接口较差，帮助文档有些做得较为马虎，错别字，错误的公式较多， 要看懂它需要一定的基础。Cosmos Floworks ： Solidworks 的一个插件，真是委屈它了，这世道美女都找 有钱的主，它找的是Solidworks，和其它求解器相比，它是花瓶。CFDesign： Cosmos Floworks 的金兰姐妹，下嫁 Pro/E，与Cosmos 相比，各 有千秋。Numeca :针对涡轮机械的，好东西，市场没搞好，目前不得志。Ansys Flotran： 垃圾一个。别的不说，边界条件它就根本没做好！4后处理一一求解结果的可视化与整理。主要软件：Tecplot： 短小精悍，首选。可以自己编程处理数据，非常强大！实验数据处理 用它也绝对是首选。CEI En sight:太复杂，啥都能做，难学FieldView：还可以，国外用得比较多，没Tecplot平易近人。有些思路莫名其 妙。AVS Express： 我没指望学它，用它可以编个 Tecplot！还有一个Matlab，不说了吧。5、报告处理：MathType （公式编辑器，很需要）；Word、Acrobat计算流体力学（CFD）是近代流体力学,数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的 数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解 决各种实际问题。计算流体力学和相关的计算传热学，计算燃烧学的原理是用数值方法求解非 线性联立的质量、能量、组分、动量和自定义的标量的微分方程组，求解结果能 预报流动、传热、传质、燃烧等过程的细节，并成为过程装置优化和放大定量设 计的有力工具。计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物 理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究 和工程技术中产生巨大的影响。目前比较好的CFD软件有：Flue nt、CFX、 Phoe nics、Star-C D,除了 Flue nt是美国ANSYS公司的软件外，其它三个都是 英国公司的产品，2003年ANSYS公司收购了 CFX。FLUENTFLUENT 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。Flue nt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，Flue nt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Flue nt进行求解。也可以用ICEM CFD进行 前处理，由TecPIot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 用的围有紊流、热传、化学反应、混合、旋转流(rotating flow)及震波(shocks) 等。在涡轮机及推进系统分析都有相当优秀的结果，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。CFXCFX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、St one 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，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。PHOENICSPHOENICS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 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-CDSTAR-CD的创始人之一 Gosman与Phoenics的创始人Spalding都是英国 伦敦大学同一教研室的教授。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的特别优势。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,RNK-ke,ke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，汽车发动机的流动和传热。CFD软件通常有三种功能，分别着重用于：前端处理(Pr eprocess in g),计 算和结果数据生成(compute an result)以及后处理(Postprocessi ng).前端处理通常要生成计算模型所必需的数据，这一过程通常包括建模，数 据录入(或者从cad中导入)，生成网格等；做完了前处理后，CFD的核心解释 器(SOLVER)将根据具体的模型，完成相应的计算任务，并生成结果数据；后 处理过程通常是对生成的结果数据进行组织和诠释，一般以直观可视的图形形式 给出来。著名的 CFD 处理工具有以下一些：用于前处理： Gambit,Tgrid,GridPro,GridGen,ICEM CFD 用于计算分析： Fluend,FIDAP,POLYFLOW 用于后处理： Ensight,IBM Open Visulization Explorer,Field View,AVS 提供综合的处理能力： Ansys， MAYA 特殊领域的应用： Icepak,Airpak,Mixsim这些 CFD 软件功能强大，应用十分的广泛。在航天航空，环境污染，生物 医学，电子技术等等各个领域，它们发挥了巨大的作用，世界上有越来越多的工 程师更倾向于使用这些软件来完成自己的设计。