CFD商業(yè)軟件綜合介紹

計算流體力學(xué)（CFD）是近代流體力學(xué)，數(shù)值數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，是一門具有強(qiáng)大生命力的邊緣科學(xué)。它以電子計算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對流體力學(xué)的各類問題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計算機(jī)模擬和分析研究，以解決各種實(shí)際問題。
計算流體力學(xué)和相關(guān)的計算傳熱學(xué)，計算燃燒學(xué)的原理是用數(shù)值方法求解非線性聯(lián)立的質(zhì)量、能量、組分、動量和自定義的標(biāo)量的微分方程組，求解結(jié)果能預(yù)報流動、傳熱、傳質(zhì)、燃燒等過程的細(xì)節(jié)，并成為過程裝置優(yōu)化和放大定量設(shè)計的有力工具。計算流體力學(xué)的基本特征是數(shù)值模擬和計算機(jī)實(shí)驗(yàn)，它從基本物理定理出發(fā)，在很大程度上替代了耗資巨大的流體動力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在科學(xué)研究和工程技術(shù)中產(chǎn)生巨大的影響。目前比較好的CFD軟件有：Fluent、CFX,Phoenics、Star-CD，除了Fluent是美國公司的軟件外，其它三個都是英國公司的產(chǎn)品

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FLUENT
FLUENT是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國的市場占有率為60%。舉凡跟流體，熱傳遞及化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計、石油天然氣、渦輪機(jī)設(shè)計等方面都有著廣泛的應(yīng)用。其在石油天然氣工業(yè)上的應(yīng)用包括：燃燒、井下分析、噴射控制、環(huán)境分析、油氣消散/聚積、多相流、管道流動等等。
Fluent的軟件設(shè)計基于CFD軟件群的思想，從用戶需求角度出發(fā)，針對各種復(fù)雜流動的物理現(xiàn)象，F(xiàn)LUENT軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領(lǐng)域內(nèi)使計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合，從而高效率地解決各個領(lǐng)域的復(fù)雜流動計算問題。基于上述思想，F(xiàn)luent開發(fā)了適用于各個領(lǐng)域的流動模擬軟件，這些軟件能夠模擬流體流動、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和其它復(fù)雜的物理現(xiàn)象，軟件之間采用了統(tǒng)一的網(wǎng)格生成技術(shù)及共同的圖形界面，而各軟件之間的區(qū)別僅在于應(yīng)用的工業(yè)背景不同，因此大大方便了用戶。其各軟件模塊包括：

GAMBIT——專用的CFD前置處理器，F(xiàn)LUENT系列產(chǎn)品皆采用FLUENT公司自行研發(fā)的Gambit前處理軟件來建立幾何形狀及生成網(wǎng)格，是一具有超強(qiáng)組合建構(gòu)模型能力之前處理器，然后由Fluent進(jìn)行求解。也可以用ICEM
CFD進(jìn)行前處理，由TecPlot進(jìn)行后處理。
Fluent5.4——基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通用CFD求解器，針對非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格模型設(shè)計，是用有限元法求解不可壓縮流及中度可壓縮流流場問題的CFD軟件。可應(yīng)用的范圍有紊流、熱傳、化學(xué)反應(yīng)、混合、旋轉(zhuǎn)流（rotating
flow）及震波（shocks）等。在渦輪機(jī)及推進(jìn)系統(tǒng)分析都有相當(dāng)優(yōu)秀的結(jié)果，并且對模型的快速建立及shocks處的格點(diǎn)調(diào)適都有相當(dāng)好的效果。

Fidap——基于有限元方法的通用CFD求解器，為一專門解決科學(xué)及工程上有關(guān)流體力學(xué)傳質(zhì)及傳熱等問題的分析軟件，是全球第一套使用有限元法于CFD領(lǐng)域的軟件，其應(yīng)用的范圍有一般流體的流場、自由表面的問題、紊流、非牛頓流流場、熱傳、化學(xué)反應(yīng)等等。
FIDAP本身含有完整的前后處理系統(tǒng)及流場數(shù)值分析系統(tǒng)。 對問題整個研究的程序，數(shù)據(jù)輸入與輸出的協(xié)調(diào)及應(yīng)用均極有效率。
Polyflow——針對粘彈性流動的專用CFD求解器，用有限元法仿真聚合物加工的CFD軟件，主要應(yīng)用于塑料射出成形機(jī)，擠型機(jī)和吹瓶機(jī)的模具設(shè)計。

Mixsim——針對攪拌混合問題的專用CFD軟件，是一個專業(yè)化的前處理器，可建立攪拌槽及混合槽的幾何模型，不需要一般計算流力軟件的冗長學(xué)習(xí)過程。它的圖形人機(jī)接口和組件數(shù)據(jù)庫，讓工程師直接設(shè)定或挑選攪拌槽大小、底部形狀、折流板之配置，葉輪的型式等等。MixSim隨即自動產(chǎn)生3維網(wǎng)絡(luò)，并啟動FLUENT做后續(xù)的模擬分析。

Icepak——專用的熱控分析CFD軟件，專門仿真電子電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部氣流，溫度分布的CFD分析軟件乇鶚欽攵韻低車納⑷任侍庾鞣掄娣治觶逵贍？榛納杓瓶燜俳⒛Ｐ汀?
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CFX
CFX是由英國AEA公司開發(fā)，是一種實(shí)用流體工程分析工具，用于模擬流體流動、傳熱、多相流、化學(xué)反應(yīng)、燃燒問題。其優(yōu)勢在于處理流動物理現(xiàn)象簡單而幾何形狀復(fù)雜的問題。適用于直角/柱面/旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，穩(wěn)態(tài)/非穩(wěn)態(tài)流動，瞬態(tài)/滑移網(wǎng)格，不可壓縮/弱可壓縮/可壓縮流體，浮力流，多相流，非牛頓流體，化學(xué)反應(yīng)，燃燒，NOx生成，輻射，多孔介質(zhì)及混合傳熱過程。CFX采用有限元法，自動時間步長控制，SIMPLE算法，代數(shù)多網(wǎng)格、ICCG、Line、Stone和Block
Stone解法。能有效、精確地表達(dá)復(fù)雜幾何形狀，任意連接模塊即可構(gòu)造所需的幾何圖形。在每一個模塊內(nèi)，網(wǎng)格的生成可以確保迅速、可*地進(jìn)行，這種多塊式網(wǎng)格允許擴(kuò)展和變形，例如計算氣缸中活塞的運(yùn)動和自由表面的運(yùn)動。滑動網(wǎng)格功能允許網(wǎng)格的各部分可以相對滑動或旋轉(zhuǎn)，這種功能可以用于計算牙輪鉆頭與井壁間流體的相互作用。CFX引進(jìn)了各種公認(rèn)的湍流模型。例如：k-e模型，低雷諾數(shù)k-e模型，RNG
k-e模型，代數(shù)雷諾應(yīng)力模型，微分雷諾應(yīng)力模型，微分雷諾通量模型等。CFX的多相流模型可用于分析工業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種流動。包括單體顆粒運(yùn)動模型，連續(xù)相及分散相的多相流模型和自由表面的流動模型。

CFX-TASCflow在旋轉(zhuǎn)機(jī)械CFD計算方面具有很強(qiáng)的功能。它可用于不可壓縮流體，亞/臨/超音速流體的流動，采用具有壁面函數(shù)的k-e模型、2層模型和Kato-Launder模型等湍流模型，傳熱包括對流傳熱、固體導(dǎo)熱、表面對表面輻射，Gibb’s輻射模型，多孔介質(zhì)傳熱等。化學(xué)反應(yīng)模型包括旋渦破碎模型、具有動力學(xué)控制復(fù)雜正/逆反應(yīng)模型、Flamelet模型、NOx和碳黑生成模型、拉格朗日跟蹤模型、反應(yīng)顆粒模型和多組分流體模型。CFX-TurboGrid是一個用于快速生成旋轉(zhuǎn)機(jī)械CFD網(wǎng)格的交互式生成工具，很容易用來生成有效的和高質(zhì)量的網(wǎng)格。

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PHOENICS
Phoenics是英國CHAM公司開發(fā)的模擬傳熱、流動、反應(yīng)、燃燒過程的通用CFD軟件，有30多年的歷史。網(wǎng)格系統(tǒng)包括：直角、圓柱、曲面（包括非正交和運(yùn)動網(wǎng)格，但在其VR環(huán)境不可以）、多重網(wǎng)格、精密網(wǎng)格。可以對三維穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)的可壓縮流或不可壓縮流進(jìn)行模擬，包括非牛頓流、多孔介質(zhì)中的流動，并且可以考慮粘度、密度、溫度變化的影響。在流體模型上面，Phoenics內(nèi)置了22種適合于各種Re數(shù)場合的湍流模型，包括雷諾應(yīng)力模型、多流體湍流模型和通量模型及k-e模型的各種變異，共計21個湍流模型，8個多相流模型，10多個差分格式。
Phoenics的VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）彩色圖形界面菜單系統(tǒng)是這幾個CFD軟件里前處理最方便的一個，可以直接讀入Pro/E建立的模型（需轉(zhuǎn)換成STL格式），是復(fù)雜幾何體的生成更為方便，在邊界條件的定義方面也極為簡單，并且網(wǎng)格自動生成，但其缺點(diǎn)則是網(wǎng)格比較單一粗糙，針對復(fù)雜曲面或曲率小的地方的網(wǎng)格不能細(xì)分，也即是說不能在VR環(huán)境里采用貼體網(wǎng)格。另外VR的后處理也不是很好。要進(jìn)行更高級的分析則要采用命令格式進(jìn)行，但這在易用性上比其它軟件就要差了。

另外，Phoenics自帶了1000多個例題與驗(yàn)證題，附有完整的可讀可改的輸入文件。其中就有CHAM公司做的一個PDC鉆頭的流場分析。Phoenics的開放性很好，提供對軟件現(xiàn)有模型進(jìn)行修改、增加新模型的功能和接口，可以用FORTRAN語言進(jìn)行二次開發(fā)。

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STAR-CD
STAR-CD的創(chuàng)始人之一Gosman與Phoenics的創(chuàng)始人Spalding都是英國倫敦大學(xué)同一教研室的教授。
STAR-Cd 是Simulation of Turbulent flow in Arbitrary
Region的縮寫，CD是computational Dynamics
Ltd。是基于有限容積法的通用流體計算軟件，在網(wǎng)格生成方面，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單元體可為六面體，四面體，三角形界面的棱柱，金字塔形的錐體以及六種形狀的多面體，還可與CAD、CAE軟件接口，如ANSYS,IDEAS,NASTRAN,PATRAN,ICEMCFD,GRIDGEN等，這使STAR-CD在適應(yīng)復(fù)雜區(qū)域方面的特別優(yōu)勢。

STAR－-cd能處理移動網(wǎng)格，用于多級透平的計算，在差分格式方面，納入了一階UpWIND,二階UpWIND,CDS,QUICK,以及一階UPWIND與CDS或QUICK的混合格式，在壓力耦合方面采用SIMPLE，PISO以及稱為SIMPLO的算法。在湍流模型方面，有k-e,RNK-ke,ke兩層等模型，可計算穩(wěn)態(tài)，非穩(wěn)態(tài)，牛頓，非牛頓流體，多孔介質(zhì)，亞音速，超音速，多項(xiàng)流等問題.
STAR－cd的強(qiáng)項(xiàng)在于汽車工業(yè)，汽車發(fā)動機(jī)內(nèi)的流動和傳熱。