蝙蝠俠對(duì)超人，魔術(shù)對(duì)伯德，揚(yáng)基對(duì)紅襪，微軟對(duì)蘋(píng)果，法拉利對(duì)蘭博基尼，可口可樂(lè)對(duì)百事可樂(lè)，你懂的。這個(gè)世界充滿了頂級(jí)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。在CFD模擬領(lǐng)域也不例外，F(xiàn)luent和STAR-CCM+，以及之前的STAR-CD，已經(jīng)在CFD領(lǐng)域爭(zhēng)奪市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位超過(guò)l了20年。一個(gè)人對(duì)魔法或鳥(niǎo)類(lèi)的偏愛(ài)可能是一種觀點(diǎn)，但是討論他們自稱(chēng)是他們所做的事情中最好的是有益的。我們希望以下關(guān)于Fluent和STAR-CCM+的討論對(duì)花時(shí)間閱讀此文的人有所幫助。

1 Siemens Simcenter STAR-CCM+

STAR-CCM+，以及之前的STAR-CD，最初是由帝國(guó)理工學(xué)院CFD研究小組的研究人員在20世紀(jì)80年代后期開(kāi)發(fā)的。隨著時(shí)間的推移，這些貢獻(xiàn)者和其他人創(chuàng)建了名為CD-Adapco的公司，旨在將CFD引入大眾。在2016年被西門(mén)子公司收購(gòu)時(shí)，CD-Adapco的年收入約為2億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為12%。當(dāng)時(shí)，他們的客戶群大約有3200人，平均每位客戶的收入為6.5萬(wàn)美元。STAR-CCM+是汽車(chē)行業(yè)多物理的領(lǐng)先供應(yīng)商，貢獻(xiàn)了CD-Adapco 52%的收入。STAR-CCM+現(xiàn)在是一個(gè)計(jì)算輔助工程(CAE)解決方案，其在一個(gè)單一的集成用戶界面中解決流體和固體連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中的多學(xué)科問(wèn)題。

1.1 基本接口及工作流程

STAR-CCM+提供了一個(gè)非常干凈、現(xiàn)代的界面，這是2005年對(duì)原有的STAR-CD軟件進(jìn)行全面翻修的結(jié)果。STAR-CCM+可用于Linux和Windows操作系統(tǒng)，在界面上沒(méi)有重大區(qū)別。用戶可以在這個(gè)單一的界面中訪問(wèn)所有的預(yù)處理、模擬和后處理任務(wù)。所有進(jìn)程的批處理命令也可以通過(guò)命令行或用Java編寫(xiě)的腳本實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)網(wǎng)格化、設(shè)置、模擬和結(jié)果處理，組織工具來(lái)簡(jiǎn)化CAD創(chuàng)建或?qū)氲墓ぷ髁鳌Ｔ谧髠?cè)的模擬樹(shù)中，工作流組織是自上而下的，而系統(tǒng)級(jí)命令是通過(guò)頂部的工具欄訪問(wèn)的。幾何圖形是由CAD import(.stl， .x_b， .step， .iges)，通過(guò)CAD創(chuàng)建使用內(nèi)置的CAD建模工具，或網(wǎng)格導(dǎo)入從第三方工具。從領(lǐng)先的3D建模程序，包括SolidWorks， Inventor， NX， Pro/ENGINEER， Rhino和CATIA直接導(dǎo)入實(shí)體模型也可能與額外購(gòu)買(mǎi)的轉(zhuǎn)換插件。一旦導(dǎo)入，幾何圖形就被歸類(lèi)為部件。也就是說(shuō)，所有后續(xù)的操作，例如生成表面網(wǎng)格或指定邊界條件，都是參照原始部件來(lái)執(zhí)行的，而不是在后續(xù)步驟中創(chuàng)建的網(wǎng)格。基于部件的工作流確保在使用修改的幾何圖形替換部件時(shí)，大多數(shù)模擬設(shè)置不需要重復(fù)操作。

1.2 物理建模能力

STAR-CCM+包含了廣泛的物理模型和方法，用于模擬單相和多相流體流動(dòng)、傳熱、湍流、固體應(yīng)力、動(dòng)態(tài)流體相互作用、氣動(dòng)聲學(xué)以及相關(guān)現(xiàn)象。通過(guò)定期發(fā)布不斷引入新特性。核心物理建模能力包括無(wú)粘流、層流或湍流、牛頓或非牛頓粘度、不可壓縮或可壓縮流、多組分混合物、多相混合物、多孔界面或體積、被動(dòng)標(biāo)量、定常或非定常流、理想或真實(shí)氣體狀態(tài)定律方程、傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射、反應(yīng)流和運(yùn)動(dòng)。

STAR-CCM+提供了一個(gè)包含固體、液體、氣體和電化學(xué)種類(lèi)的常用材料的數(shù)據(jù)庫(kù)，并提供了廣泛的湍流建模選項(xiàng)，包括RANS模型、雷諾應(yīng)力傳輸模型、分離渦和大渦模擬模型以及層流到湍流轉(zhuǎn)捩模型。STAR-CCM +引領(lǐng)行業(yè)在多相物理建模能力包括歐拉多相流(氣體、液體或固體)，顆粒相模型、顆粒群平衡模型(氣泡大小分布)，壁面沸騰及體積菲特模型，基于體積的流體(受到)的表面跟蹤模型，液膜膜模型、分散和多相混合模型，拉格朗日相模型和離散單元模型(DEM)模型對(duì)大量離散的對(duì)象進(jìn)行交互。移動(dòng)參考系和移動(dòng)變形網(wǎng)格都可以用來(lái)捕捉流體或固體運(yùn)動(dòng)對(duì)彼此的影響。運(yùn)動(dòng)可以由用戶定義，也可以由動(dòng)態(tài)流體相互作用(DFBI)定義。反應(yīng)化學(xué)模型包括模擬固體、液體或氣體燃料、預(yù)混燃燒或非預(yù)混燃燒、表面反應(yīng)、顆粒反應(yīng)和煤燃燒和聚合的能力。燃燒模型包括小火焰模型和反應(yīng)種輸運(yùn)模型，如渦流破碎模型。復(fù)雜的化學(xué)可以通過(guò)用戶輸入或通過(guò)STAR-CCM+接口與第三方工具(如Chemkin)定義。電化學(xué)，等離子體動(dòng)力學(xué)，電磁學(xué)，空氣聲學(xué)和計(jì)算流變學(xué)模型也包括在內(nèi)。

STAR CCM+最近版本增加了一個(gè)有限元求解器，可以進(jìn)行基本的固體力學(xué)建模，包括靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)分析、線性或非線性幾何、六面體、四面體、楔形和金字塔型元素、各向同性和各向異性的線性彈性材料，以及對(duì)點(diǎn)、面和體的各種載荷和約束。

該軟件發(fā)布了一整套驗(yàn)證和驗(yàn)證測(cè)試用例，可以分析物理模型驗(yàn)證和軟件/硬件實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證。

1.3 幾何清理及網(wǎng)格劃分

STAR-CCM+使得導(dǎo)入、修復(fù)、定義和網(wǎng)格化CAD部件的過(guò)程盡可能輕松。在最基本的情況下，網(wǎng)格化的清理包括將部分水平體和表面與適當(dāng)?shù)奈锢怼Ⅲw網(wǎng)格和邊界條件相關(guān)聯(lián)，這將是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。許多基于部件的操作是可用的，例如部件轉(zhuǎn)換或布爾操作。選擇是在典型的3D實(shí)體建模軟件中執(zhí)行這些操作，還是在STAR-CCM+中執(zhí)行這些操作，取決于用戶的偏好。

下面的屏幕截圖描述了一些用于模擬電子外殼自然對(duì)流驅(qū)動(dòng)冷卻的預(yù)處理元素，包括通過(guò)外殼壁的耦合傳熱。兩個(gè)部分已經(jīng)被導(dǎo)入，一個(gè)盒子代表周?chē)目諝夂屯鈿け旧怼Ｍ该黠@示的遠(yuǎn)場(chǎng)空氣邊界將被分配為非壁面邊界條件，在進(jìn)行布爾相減之前，將空氣表面的其余部分分離。這個(gè)操作定義了一個(gè)新的部分，叫做airminussolid，然后提升到一個(gè)區(qū)域并分配到相關(guān)的物理連續(xù)體。附件部分也是如此。然后為每個(gè)部分/區(qū)域關(guān)聯(lián)定義網(wǎng)格操作。

當(dāng)三維實(shí)體模型對(duì)于CFD模型工作流不是很理想時(shí)，STAR-CCM+提供了一些工具來(lái)幫助診斷和修復(fù)幾何圖形。在導(dǎo)入幾何圖形時(shí)可以打開(kāi)的一個(gè)有用選項(xiàng)是檢查和修復(fù)無(wú)效的幾何對(duì)象，這將自動(dòng)解決一些簡(jiǎn)單但常見(jiàn)的問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)產(chǎn)生無(wú)效的幾何圖形，例如非常接近但不一致的表面、孔洞和穿孔面。在導(dǎo)入具有非常小的或有問(wèn)題的特性的部件(如孔或交叉口)時(shí)，另一個(gè)有用的工具是表面包面工具。當(dāng)從一個(gè)低質(zhì)量的CAD模型開(kāi)始時(shí)，表面包面工具提供了一個(gè)封閉的、非相交的表面。結(jié)果部件被用來(lái)創(chuàng)建一個(gè)與物理連續(xù)體相關(guān)聯(lián)的體網(wǎng)格，其方式與典型的導(dǎo)入部分相同。

STAR-CCM+處理得特別好的另一個(gè)過(guò)程是網(wǎng)格生成。通常情況下，零件表面首先網(wǎng)格重構(gòu)，以提高最終體積網(wǎng)格的質(zhì)量，并指定需要更高網(wǎng)格密度的幾何形狀。體網(wǎng)格可以應(yīng)用大量的控制和特性，并且可以以串行或并行方式執(zhí)行，前提是用戶可以訪問(wèn)并行的硬件和軟件許可資源。三種主要的網(wǎng)格模型類(lèi)型是四面體、多面體和裁剪(六面體)。四面體網(wǎng)格，一般來(lái)說(shuō)，是快速和可靠的處理，允許復(fù)雜的幾何網(wǎng)格具有較少的誤差，但結(jié)果的準(zhǔn)確性較低。多面體網(wǎng)格，它聲稱(chēng)，提供了一個(gè)平衡的解決復(fù)雜的網(wǎng)格生成問(wèn)題，同時(shí)具有比四面體網(wǎng)格更高的精度。切割體網(wǎng)格主要利用六面體體積與最小的偏度和對(duì)齊與流動(dòng)產(chǎn)生最高質(zhì)量的網(wǎng)格。

三種網(wǎng)格都可以包含棱柱狀近壁層，將棱柱網(wǎng)格模型作為體網(wǎng)格過(guò)程的一部分(如下圖所示)。典型的表面和體積網(wǎng)格控制包括默認(rèn)的單元大小、最小和最大單元大小、單元生長(zhǎng)速度、棱鏡層厚度、棱柱層數(shù)和允許的質(zhì)量度量。

1.4 仿真計(jì)算

STAR-CCM+使用分離和耦合的有限體積法流體求解器以及前面提到的有限元固體應(yīng)力求解器。在分離流體求解器中，相關(guān)方程以非耦合的方式求解，動(dòng)量和連續(xù)性方程的解通過(guò)預(yù)測(cè)-校正方法連接。計(jì)算結(jié)果在每次迭代中都會(huì)根據(jù)帝國(guó)理工學(xué)院Spalding教授開(kāi)發(fā)的SIMPLE算法進(jìn)行更新。對(duì)于所有相關(guān)的方程解算器，都有針對(duì)欠松弛因子和代數(shù)多重網(wǎng)格環(huán)的高級(jí)控制。

在耦合流動(dòng)求解器中，采用偽瞬態(tài)方法同時(shí)求解相關(guān)方程。這種方法適用于具有主要源項(xiàng)的流動(dòng)，例如旋轉(zhuǎn)或浮力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)，以及高度可壓縮的流動(dòng)。采用耦合代數(shù)多重網(wǎng)格方法，耦合隱式求解器控制隱式空間積分的求解更新。如果需要，耦合顯式求解器可以使用龍格-庫(kù)塔多階段格式進(jìn)行顯式積分。與耦合求解器相比，分離求解器的數(shù)值和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率更高，因此通常更適合于不可壓縮或輕度可壓縮流。

對(duì)于每個(gè)新版本，Siemens都提供了來(lái)自SIMCENTER STAR-CCM+質(zhì)量保證過(guò)程的測(cè)試用例驗(yàn)證套件。這個(gè)廣泛的過(guò)程包括一個(gè)被稱(chēng)為star測(cè)試的內(nèi)部測(cè)試系統(tǒng)，它被連續(xù)地用于軟件的開(kāi)發(fā)和發(fā)布構(gòu)建。有了這一套案例，用戶就有機(jī)會(huì)驗(yàn)證所收到的軟件是否能夠在您正在使用的平臺(tái)上重現(xiàn)相同的結(jié)果(驗(yàn)證)，同時(shí)還可以了解建模特定物理用例(驗(yàn)證)時(shí)所期望的準(zhǔn)確性。每個(gè)案例都有自己的文檔，描述了與之進(jìn)行比較的實(shí)驗(yàn)設(shè)置以及模擬結(jié)果的相對(duì)準(zhǔn)確性。據(jù)我們所知，STAR-CCM+是唯一一個(gè)達(dá)到ASME核質(zhì)量保證1符合性的多物理仿真工具。

1.5 后處理

STAR-CCM+可能提供了所有先進(jìn)CFD軟件包中最引人注目和最直觀的流可視化技術(shù)，并且相對(duì)容易使用。我們將STAR-CCM+的固有功能與領(lǐng)先的獨(dú)立可視化包(如FieldView)的功能相提并論。最重要的是，隨著模擬的迭代，可以實(shí)時(shí)觀察流場(chǎng)的演變，允許用戶更改參數(shù)并立即看到這些更改對(duì)模擬的影響。這種交互式反饋允許對(duì)仿真進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視和控制，并洞察仿真的物理方面。此外，由于STAR-CCM+中的可視化利用了客戶機(jī)-服務(wù)器環(huán)境，因此大量數(shù)據(jù)處理都在服務(wù)器進(jìn)程中進(jìn)行。只有輕量級(jí)的圖形數(shù)據(jù)被發(fā)送到客戶機(jī)，允許從客戶機(jī)工作站可視化大規(guī)模并行模擬。

在STAR-CCM+中，所有常用的CFD顯示器都可以使用，包括標(biāo)量顯示器、矢量顯示器和流線型顯示器。不過(guò)，一些專(zhuān)門(mén)的工具確實(shí)使STAR-CCM+在競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。首先，一個(gè)被稱(chēng)為體繪制的工具可以用來(lái)顯示在3D域中定義的半透明的體對(duì)象。這些重新采樣的體積(或體素)允許用戶查看流動(dòng)的內(nèi)部細(xì)節(jié)，方法是為構(gòu)成感興趣的數(shù)量的基于體積的定義的輪廓表面分配不透明度。將體積繪制與STAR-CCM+的光滑動(dòng)畫(huà)記錄功能相結(jié)合，可以生成基于時(shí)間的真實(shí)可視化現(xiàn)象。

說(shuō)到與時(shí)間相關(guān)的模擬，STAR-CCM+允許在模擬運(yùn)行于所謂的解決方案歷史文件時(shí)保存選定的數(shù)據(jù)。模擬完成后，將加載解決方案歷史文件，用戶可以通過(guò)其狀態(tài)進(jìn)行查詢以進(jìn)行后處理。除了解決方案數(shù)據(jù)之外，每個(gè)模擬歷史文件還可以包含卷網(wǎng)格、獨(dú)立邊界表面或兩者的副本。在您需要的時(shí)間分辨率下記錄相對(duì)較輕的模擬歷史文件，允許用戶創(chuàng)建他們想要的任何可視化的事后動(dòng)畫(huà)，而不需要預(yù)先直覺(jué)地以靜態(tài)圖形文件的形式記錄最有吸引力和最有洞察力的動(dòng)畫(huà)。

兩種新的可視化功能是STAR-CCM+虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)和劇本功能。VR提供了它聽(tīng)起來(lái)會(huì)提供的東西，在模擬結(jié)果中移動(dòng)的機(jī)會(huì)，這有可能提供更有用的洞察力。劇本的功能就像一個(gè)典型的打了激素的動(dòng)畫(huà)。有了劇本，動(dòng)畫(huà)錄制不再受單一可視化的限制，相反，可視化可以在整個(gè)錄制過(guò)程中動(dòng)態(tài)更改。可以隨著記錄的進(jìn)行而改變可視化的數(shù)量、觀察角度、對(duì)象透明度等屬性，也可以通過(guò)前面提到的仿真歷史文件與時(shí)變數(shù)據(jù)的時(shí)間步進(jìn)同步。

但是后期處理不僅僅是漂亮的圖片。我們發(fā)現(xiàn)STAR-CCM+中可用的后處理量化工具的深度非常有用。如果您能想到它，那么它可能不需要大量的工作就可以從STAR-CCM+中輸出和/或記錄。你想要記錄的大部分?jǐn)?shù)量是以報(bào)告的形式開(kāi)始的。報(bào)告可以具有各種各樣的屬性，但大多數(shù)是統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的，比如平均值、最小值和最大值、積分和標(biāo)準(zhǔn)差。這些統(tǒng)計(jì)措施可以提取點(diǎn)或點(diǎn)集，你可以很容易地創(chuàng)建，或預(yù)定義的表面或體積。一些有用的基于物理的報(bào)告，包括力、傳熱、壓降和質(zhì)量流量報(bào)告，以及許多其他報(bào)告。報(bào)告可以快速、輕松地轉(zhuǎn)換為監(jiān)視器，這些監(jiān)視器可以跟蹤迭代或時(shí)間步驟中的報(bào)告值，并且可以通過(guò)單擊鼠標(biāo)將這些監(jiān)視器轉(zhuǎn)換為xy圖。此外，這樣的xy圖可以用作流可視化的注釋。我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)計(jì)監(jiān)視器可以作為更有效的收斂標(biāo)準(zhǔn)比典型的迭代數(shù)值誤差殘差，他們很容易在這種方式使用。熱圖和直方圖在本地也有。

1.6 總結(jié)

我們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)西門(mén)子STAR-CCM+有太多的缺陷。事實(shí)上，它提供了一整套的多物理功能，在現(xiàn)代的基于java的接口中簡(jiǎn)化了的工作流程，一流的網(wǎng)格化功能，以及深刻的、有意義的、令人印象深刻的后期處理，而不需要獲得編程博士學(xué)位，這讓我們作為咨詢工程師的生活變得更加輕松。和所有的事情一樣，很多事情都取決于旁觀者的看法，但是當(dāng)我們的客戶要求我們推薦CFD軟件時(shí)，我們通常很難推薦STAR-CCM+以外的其他軟件。

優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)大、高效和有效的數(shù)值方法，完整的物理和多物理功能，簡(jiǎn)化的工作流程和易于使用的后處理

缺點(diǎn)：還在找

2 ANSYS Fluent

我們?cè)谀戏介L(zhǎng)大，在那里人們用coke來(lái)代替soda或soft drink。可口可樂(lè)并不是我們所擁有的全部(顯然，甜茶總是有的)，只是可口可樂(lè)似乎以一種其他所有的碳酸飲料都被簡(jiǎn)稱(chēng)為可樂(lè)的方式統(tǒng)治了這個(gè)地區(qū)的市場(chǎng)。 雖然ANSYS Fluent并沒(méi)有將CFD替換為Fluent的知名度 ，但兩者之間也有相似之處。作為當(dāng)今領(lǐng)先的CFD軟件包之一，F(xiàn)luent已經(jīng)在該領(lǐng)域建立了強(qiáng)大的聲譽(yù)，享有很高的知名度、尊重度和接受度。這很常見(jiàn)，我們經(jīng)常收到客戶和潛在客戶對(duì).cas(或case)文件的請(qǐng)求，這些文件是本地的Fluent文件，假設(shè)我們?cè)诠ぷ髦惺褂肍luent。

Fluent的歷史可以追溯到20世紀(jì)80年代初，當(dāng)時(shí)一家位于新罕布什爾州的公司Creare與英國(guó)謝菲爾德大學(xué)(Sheffield University)的一個(gè)研究小組合作，為廣泛的工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)了一款CFD軟件產(chǎn)品。1988年，F(xiàn)luent公司成立，并于2006年由ANSYS公司收購(gòu)。

快進(jìn)到今天，技術(shù)突飛猛進(jìn)，有許多已經(jīng)建立的CFD軟件包。Fluent是市面上最好的CFD軟件之一嗎?我們將通過(guò)查看最新的Fluent版本2019 R3來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題，了解它的易用性、網(wǎng)格化、速度、自動(dòng)化和自定義能力、后處理、客戶支持和準(zhǔn)確性。

2.1 軟件內(nèi)容

為了使用Fluent，ANSYS提供了一些包含F(xiàn)luent以外的軟件包。其包括Fluent、Workbench(project-style包管理工具)、SpaceClaim (CAD工具，現(xiàn)在是一個(gè)獨(dú)立的軟件)、Ensight(后處理軟件包)、CFX(另一個(gè)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)解算器)以及CFD-Post(CFX后處理工具，但是可以很好的和Fluent兼容)。

盡管Fluent可以在Windows或基于linux的版本中使用，但需要注意的是，SpaceClaim目前僅適用于Windows操作系統(tǒng)。

2.2 基本接口及工作流程

目前，我們的首選是使用一個(gè)獨(dú)立的CAD包進(jìn)行初始幾何圖形創(chuàng)建，如SolidWorks或AutoDesk Inventor。這個(gè)幾何圖形隨后被帶入SpaceClaim，以便分離和標(biāo)記部分和邊界，以及創(chuàng)建任何需要的網(wǎng)格細(xì)化區(qū)域(影響體)。接下來(lái)，將SpaceClaim幾何文件導(dǎo)入到Fluent中進(jìn)行預(yù)處理、網(wǎng)格劃分和運(yùn)行模擬。如果您已經(jīng)有一段時(shí)間沒(méi)有使用Fluent了，那么您可能想知道Design Modeler和ANSYS Mesher發(fā)生了什么，這兩個(gè)工作臺(tái)工具在生成Fluent mesh之前需要執(zhí)行一些步驟。使用新的水密工作流，只需要使用SpaceClaim(代替Design Modeler)，然后直接將幾何圖形引入Fluent中進(jìn)行本地網(wǎng)格化。雖然Workbench確實(shí)有它的優(yōu)點(diǎn)，特別是在耦合幾何修改和多物理應(yīng)用(其中流體求解器(Fluent/CFX)與固體/FEA求解器全部在一個(gè)環(huán)境中耦合)時(shí)，我們認(rèn)為能夠繞過(guò)Workbench是一件非常好的事情。

主Fluent界面如下所示，對(duì)于許多讀者來(lái)說(shuō)都很熟悉，因?yàn)樗谧罱母轮袥](méi)有發(fā)生重大變化。邊界條件、流體類(lèi)型/屬性、求解器設(shè)置、停止條件等都必須在啟動(dòng)模擬之前通過(guò)左側(cè)的設(shè)置樹(shù)進(jìn)行輸入。單擊任何樹(shù)項(xiàng)目后，任務(wù)頁(yè)面將顯示更多詳細(xì)信息。通過(guò)右側(cè)的主窗口可以查看幾何圖形，或者加載解決方案時(shí)的任何繪圖或輪廓。對(duì)于遺留用戶，text-user-interface (TUI)允許在底部的控制臺(tái)窗口中輸入鍵盤(pán)命令。這也是殘差和警告將在模擬期間打印出來(lái)的地方。如果需要查找某個(gè)內(nèi)容，頂部的ribbon允許快速訪問(wèn)樹(shù)中的大多數(shù)項(xiàng)。

一旦所有的邊界條件、物理設(shè)置和求解器設(shè)置都準(zhǔn)備好了，模擬就可以直接從Fluent中啟動(dòng)，也可以通過(guò)批處理或作業(yè)提交腳本啟動(dòng)(這確實(shí)需要編寫(xiě)案例和數(shù)據(jù)文件)。一旦完成，結(jié)果可以通過(guò)Fluent、CFD-Post或Ensight進(jìn)行分析。

2.3 物理建模能力

與預(yù)期一樣，F(xiàn)luent中提供了多種材料特性和物理選項(xiàng)，包括RANS穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、分離和耦合求解器、層流、湍流和過(guò)渡流求解器、單相或多相技術(shù)(包括相變)、網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)、能源源和匯、化學(xué)反應(yīng)、無(wú)源標(biāo)量/示蹤劑等。LES和DES求解器也是內(nèi)置的。如果有某種物理現(xiàn)象是t建于和可用，流利的支持使用用戶代碼稱(chēng)為UDF(用戶定義函數(shù))，這是完全可定制的腳本允許您利用或鉤到流變量為了模型物理/行為在每個(gè)計(jì)算單元。

雖然我們還沒(méi)來(lái)得及全面調(diào)查，我們很興奮的是新的GEKO湍流模型現(xiàn)在包括在Fluent中，該模型被描述為是一個(gè)混合了兩個(gè)當(dāng)前最流行的2-equation模型：K-Omega SST和 Realizable K-Epsilon。

另一個(gè)有前途的特點(diǎn)是新的混合體積流體(VOF)離散相模型(DPM)，用于噴嘴模擬。這種新的VOF- DPM多相法將通過(guò)VOF模型跟蹤的散裝液體轉(zhuǎn)化為通過(guò)DPM/拉格朗日技術(shù)跟蹤的液滴。下圖是由ANSYS提供的，它向讀者展示了這個(gè)新模型是如何工作的。

2.4 CAD清理和網(wǎng)格劃分

如前所述，F(xiàn)luent中的新方法被稱(chēng)為watertight工作流。下面顯示了Fluent中工作流樹(shù)的屏幕截圖。當(dāng)您導(dǎo)入幾何圖形、添加網(wǎng)格參數(shù)、標(biāo)記邊界和區(qū)域/區(qū)域以及創(chuàng)建表面和體積網(wǎng)格時(shí)，此樹(shù)結(jié)構(gòu)將從頭到尾指導(dǎo)您。與以前的母語(yǔ)Fluent網(wǎng)格劃分相比，最近的這一進(jìn)步是用戶友好部門(mén)的巨大升級(jí)。注意，Import Geometry特性允許直接導(dǎo)入通用CAD文件，比如Parasolid，盡管需要購(gòu)買(mǎi)額外的許可特性。相反，我們使用SpaceClaim對(duì)實(shí)體模型幾何圖形進(jìn)行預(yù)處理，然后可以直接導(dǎo)出為Fluent。SpaceClaim可以導(dǎo)入通用和本地CAD文件，包括Parasolid和SolidWorks格式。

這里添加的關(guān)鍵特性是，用戶現(xiàn)在可以導(dǎo)入實(shí)體幾何圖形，然后在Fluent中生成用于運(yùn)行CFD模擬的內(nèi)部流體空間。這一切都是在水密工作流樹(shù)封閉的流體區(qū)域功能。從理論上講，人們可以只在ANSYS包中創(chuàng)建幾何圖形，而不需要外部CAD包。然而，我們?nèi)匀话l(fā)現(xiàn)在將其導(dǎo)入SpaceClaim/Fluent之前，在外部CAD包中生成流體域更方便，這也是一種完全可接受的技術(shù)。

需要指出的是，SpaceClaim本身就是一個(gè)功能齊全的3D CAD工具。您可以從頭開(kāi)始創(chuàng)建幾何圖形，就像您可以在任何其他知名的CAD包中做的那樣，盡管該接口確實(shí)需要一些時(shí)間來(lái)適應(yīng)，因?yàn)闆](méi)有詳細(xì)說(shuō)明如何構(gòu)建3D部件的CAD操作樹(shù)。使用直接建模方法，SpaceClaim需要一個(gè)不同于SolidWorks和Inventor更常見(jiàn)的參數(shù)建模方法的方式，body和face使用鼠標(biāo)拉伸和拉伸，而不是先建立一個(gè)草圖，然后通過(guò)指定尺寸的功能擠壓/切割。

一旦watertight工作流程完成，網(wǎng)格已經(jīng)創(chuàng)建，是時(shí)候設(shè)置CFD模擬參數(shù)了。此時(shí)，用戶通過(guò)寫(xiě)入.msh文件來(lái)保存生成的網(wǎng)格。一般來(lái)說(shuō)，經(jīng)常寫(xiě)/保存是一個(gè)好主意，特別是當(dāng)所有的物理/設(shè)置都通過(guò)寫(xiě)一個(gè).cas文件來(lái)設(shè)置之后，以防事情變?cè)?雙關(guān)語(yǔ))。

Fluent中的網(wǎng)格劃分是最新版本真正的亮點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程現(xiàn)在很簡(jiǎn)單，工作流指導(dǎo)用戶完成剩下的工作。體網(wǎng)格選項(xiàng)有四面體、六面體、多面體和多六面體。我們喜歡的一個(gè)特性是網(wǎng)格大小的預(yù)覽，它允許用戶在網(wǎng)格化之前看到計(jì)算單元的大小。這可以節(jié)省大量的時(shí)間，否則將浪費(fèi)在網(wǎng)格太粗或太細(xì)的幾何網(wǎng)格上。我們也喜歡自動(dòng)切割完成后的網(wǎng)格，如下圖所示。

在最近的版本中，對(duì)native Fluent mesher的另一個(gè)更新是新的馬賽克網(wǎng)格劃分技術(shù)，也稱(chēng)為poly-hexcore。該網(wǎng)格創(chuàng)建了一個(gè)混合的六面體/多面體網(wǎng)格，其中流動(dòng)對(duì)齊的六面體細(xì)胞在體流區(qū)創(chuàng)建，與墻壁對(duì)齊的多面體細(xì)胞和邊界層細(xì)胞(充氣層)在近壁使用。根據(jù)Fluent s的文獻(xiàn)，這種網(wǎng)格類(lèi)型在總細(xì)胞計(jì)數(shù)方面顯示出了類(lèi)似于(或提高了)多面體(提高了速度)的改進(jìn)。在測(cè)試內(nèi)部流動(dòng)幾何形狀時(shí)，我們能夠很容易地創(chuàng)建一個(gè)聚六角網(wǎng)格。與我們使用相同的最小/最大細(xì)胞尺寸設(shè)置生成的多面體網(wǎng)格相比，poly-hexcore網(wǎng)格的細(xì)胞總數(shù)減少了約10%。我們還注意到，相比于相應(yīng)的全多面體網(wǎng)格的約13.5分鐘，聚六核網(wǎng)格的網(wǎng)格劃分時(shí)間從3分鐘(在4個(gè)核上)有所改善。這是一個(gè)相當(dāng)快的速度(約4.5x)，可以節(jié)省大量時(shí)間來(lái)生成更大、更復(fù)雜的網(wǎng)格 。

此外，對(duì)于這種類(lèi)型的軟件，可以使用并行網(wǎng)格劃分，這可以利用更多可用的處理器來(lái)提高網(wǎng)格劃分效率。

2.5 仿真計(jì)算

Fluent包括大量的數(shù)值求解器，用于高速情況下分離/簡(jiǎn)單求解和壓力-速度耦合求解。如果您有可用的內(nèi)核，或者可以在云中運(yùn)行案例，那么Fluent是完全可并行的。作業(yè)可以通過(guò)用于設(shè)置案例的GUI在本地運(yùn)行，也可以從命令行或作業(yè)提交腳本以批處理模式運(yùn)行。用例可以在Linux中運(yùn)行，即使它們是預(yù)先處理并在Windows中設(shè)置的，反之亦然。在仿真過(guò)程中可以自動(dòng)保存/導(dǎo)出流場(chǎng)數(shù)據(jù)(全網(wǎng)格或某些預(yù)先設(shè)置的監(jiān)控點(diǎn)/位置)，這對(duì)于瞬態(tài)情況和調(diào)試特別方便

我們喜歡的一個(gè)新特性是能夠使用在啟動(dòng)之前設(shè)置的報(bào)告值來(lái)監(jiān)視您的案例。例如，如果需要，您可以在每次迭代時(shí)報(bào)告跨越特定平面/邊界的壓力降。這也可以在模擬期間動(dòng)態(tài)繪制，并且可以根據(jù)這些自定義報(bào)告創(chuàng)建收斂標(biāo)準(zhǔn)。我們知道這些特性在其他軟件包中也有，它們是最近的Fluent版本中受歡迎的新特性。

雖然我們還沒(méi)有測(cè)試它，ANSYS吹捧一些相當(dāng)可觀的性能改進(jìn)，通過(guò)使用GPU處理器流暢的計(jì)算。我們認(rèn)為實(shí)際的性能改進(jìn)會(huì)隨著具體的情況而有很大的不同。

另一個(gè)新特性是能夠在GUI中創(chuàng)建field function，并且可以基于任何現(xiàn)有的流場(chǎng)參數(shù)，如壓力、密度等。這些函數(shù)可以并且很可能會(huì)取代更復(fù)雜的用戶定義函數(shù)(udf)，后者需要用C編程語(yǔ)言編寫(xiě)一個(gè)經(jīng)過(guò)編譯的代碼/腳本。

最后，ANSYS維護(hù)了一套測(cè)試用例，這些測(cè)試用例在每個(gè)版本之前都在軟件上運(yùn)行。此測(cè)試的目的是讓用戶驗(yàn)證軟件是否按照文檔執(zhí)行，并向用戶提供信心，使其能夠在可容忍的精度范圍內(nèi)充分解決各種物理問(wèn)題。我們強(qiáng)烈建議您查看列表，看看是否包括您的用例。

2.6 后處理

一旦模擬完成，就有幾個(gè)選項(xiàng)可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行后期處理。通用的CFD后處理能力在Fluent中是存在的，比如等高線、流線、矢量，以及通過(guò)XY圖分析數(shù)據(jù)。另一個(gè)選項(xiàng)是CFD-Post，它也提供類(lèi)似的功能。對(duì)于暫時(shí)的情況，使用CFD-Post可能更容易，但我們認(rèn)為這實(shí)際上取決于用戶的偏好。我們這樣做，你可以保存一個(gè)狀態(tài)文件在CFD-Post (.cst)。如果您有很多情況下運(yùn)行的是相同的幾何圖形(或類(lèi)似的幾何圖形)，并且您希望確保所有的繪圖是一致的，那么這是很方便的。可以首先加載狀態(tài)文件，然后將每種情況的結(jié)果(數(shù)據(jù)文件)導(dǎo)入狀態(tài)。如果創(chuàng)建了流線、等值線和XY圖，則不必為每個(gè)數(shù)據(jù)文件重新創(chuàng)建它們，因?yàn)樗鼈兇鎯?chǔ)在狀態(tài)文件中。

Ensight是一個(gè)ANSYS新收購(gòu)的軟件，是一個(gè)完全不同的后處理選擇。不幸的是，我們不熟悉它，但已經(jīng)看到一些特殊的視頻/圖像在線展示可以做什么。它似乎能夠顯示固體有限元模型的結(jié)果以及流體CFD的情況下，可以相當(dāng)令人印象深刻的分析和動(dòng)畫(huà)的流體-身體的相互作用數(shù)據(jù)。這個(gè)強(qiáng)大的工具附帶了流利的語(yǔ)言，如果您還沒(méi)有掌握它，那么值得花時(shí)間去研究一下。

2.7 總結(jié)

擁有強(qiáng)大的 CFD 歷史、尖端技術(shù)和不斷升級(jí)的代碼庫(kù)和功能、為眾多流程案例 / 類(lèi)型提供準(zhǔn)確和有效結(jié)果的聲譽(yù)、強(qiáng)大的用戶基礎(chǔ)和社區(qū)，以及擁有大量在線資源和網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)的專(zhuān)門(mén)客戶支持，整體 Fluent 是一個(gè)強(qiáng)大的多物理軟件平臺(tái)。 最近增加的功能大大提高了它的易用性。

優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)大，有效和有效的數(shù)值方法，全套的物理和多物理能力

缺點(diǎn)：需要獨(dú)立的軟件進(jìn)行預(yù)處理(SpaceClaim)和高級(jí)的后處理(Ensight)，成本高昂

原文地址：https://www.resolvedanalytics.com/theflux/comparing-cfd-software-part-4-comprehensive-cfd-software-packages

文末福利，關(guān)注公眾號(hào)：新能源汽車(chē)熱管理仿真技術(shù)，回復(fù)1，領(lǐng)取新能源熱管理資料。同時(shí)本人也在技術(shù)鄰平臺(tái)更新新能源動(dòng)力電池?zé)峁芾矸抡?/a>和設(shè)計(jì)課程如下：如需購(gòu)買(mǎi)可添加VX：fxy33186375領(lǐng)取優(yōu)惠券。
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