Z364-热工三维分析-CFD软件相关

CFD（计算流体动力学）CFD，软件(Computational Fluid Dynamics），即计算流体动力学, 简称CFD。

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。

1软件总体介绍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。

是目前国际上一个强有力的研究领域, 是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术, 广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计、HAVC&R 等诸多工程领域,板翅式换热器设计是CFD 技术应用的重要领域之一。

CFD 在最近20 年中得到飞速的发展, 除了计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外, 还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制, 例如由于问题的复杂性, 既无法作分析解, 也因费用昂贵而无力进行实验确定, 而CFD 的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。

经过一定考核的CFD软件可以拓宽实验研究的范围, 减少成本昂贵的实验工作量。

在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次数值实验,目前比较好的CFD软件有：CFX、Fluent、Phoenics、Star-CD、CFdesign、6SigmaDC，除了Fluent、CFdesign是美国公司的软件外，其它三个都是英国公司的产品。

CFX编辑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BlockStone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*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，RNGk-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。

3FLUENT编辑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%。

但凡跟流体，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：4FloEFD编辑FloEFD是CFD的新分支——同步CFD的应用产品。

FloEFD是一款功能齐全的通用CFD工具，与Catia, NX, Creo以及其他主流MCAD系统集成。

FloEFD 前处理过程非常简单，自动完成网格划分。

处理仿真过程中的每一步——直接使用三维CAD数据准备分析模型，生成网格，求解和结果可视化——所有步骤包含在一个程序包内。

FloEFD与传统CFD软件都基于同样的数学原理，但是FloEFD拥有的七大关键技术将之与传统CFD软件区别开来，使得它使用起来更简单，功能更强大，结果更精确。

结合您的MCAD软件，FloEFD带来无限强大的仿真能力：■提高产品性能、功能和可靠性■减少物理原形和制作成本■将设计误差风险最小化同步计算流体力学(CFD) 是一项突破性技术，使得设计工程师能在整个产品生命周期，在他们熟悉的MCAD 界面下，执行前端和同步CFD 分析，从而缩短设计时间，与传统方法和产品相比，缩短时间以数量级计。

与传统CFD 工具相比，同步CFD 能缩短高达65-75% 的时间，方便用户优化产品性能和可靠性，同时减少实验样品和研发成本，消除由交货期或产品质量问题引起的损失。

[1]5PHOENICS编辑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。

6STAR-CD编辑STAR-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 ArbitraryRegion的缩写，CD是computational DynamicsLtd。

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，汽车发动机内的流动和传热。

7GAMBIT编辑专用的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 对CFD进行前处理，由TecPlot进行后处理。

8Fluent5.4编辑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（rotatingflow）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。

9Fidap编辑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。

10Polyflow编辑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。

11Mixsim编辑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。

12Icepak编辑专用的热控分析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13CFX-TASCflow编辑在旋转机械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。