计算流体力学（CFD）

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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：Fluent、CFX、Phoenics、Star-CD，除 了Fluent是美国公司的软件外，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）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。 另一个CFD软件STAR-CD的创始人与Phoenics的创始人Spalding都是英国伦敦大学同 一教研室的教授，他们的软件的核心算法大同小异，这里对STAR-CD就不做详述。

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