CFD軟件哪家強(qiáng)

2017-02-07 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

計(jì)算流體力學(xué)是用電子計(jì)算機(jī)和離散化的數(shù)值方法對流體力學(xué)問題進(jìn)行數(shù)值模擬和分析的一個(gè)新分支。

早在20世紀(jì)初,理查德就已提出用數(shù)值方法來解流體力學(xué)問題的思想。但是由于這種問題本身的復(fù)雜性和當(dāng)時(shí)計(jì)算工具的落后,這一思想并未引起人們重視。自從40年代中期電子計(jì)算機(jī)問世以來,用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬和計(jì)算才成為現(xiàn)實(shí)。1963年美國的F.H.哈洛和J.E.弗羅姆用當(dāng)時(shí)的IBM7090計(jì)算機(jī),成功地解決了二維長方形柱體的繞流問題并給出尾流渦街的形成和演變過程,受到普遍重視。1965年,哈洛和弗羅姆發(fā)表“流體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)”一文,對計(jì)算機(jī)在流體力學(xué)中的巨大作用作了引人注目的介紹。從此,人們把60年代中期看成是計(jì)算流體力學(xué)興起的標(biāo)志。

經(jīng)過50年的理論基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)硬件水平的不斷提高,CFD已在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用并發(fā)揮著巨大的作用,各種商業(yè)CFD軟件更是蓬勃發(fā)展,對CFD技術(shù)在工程應(yīng)用中的推廣起了巨大的促進(jìn)作用,今天就對各種CFD商用軟件做一個(gè)簡要的介紹。

一、革命先驅(qū)

PHOENICS

一般認(rèn)為是Spalding主持的英國CHAM公司是CFD軟件商業(yè)化的先驅(qū)。Spalding與Patankar提出的SIMPLE算法(半隱式壓力校正解法)在70年代己被廣泛用于熱流問題求解,CHAM公司在80年代初以該方法為基礎(chǔ)推出了計(jì)算流體力學(xué)與傳熱學(xué)的商業(yè)化軟件PHOENICS的早期版本。這是CFD通用軟件包的雛型,具有一定通用性,盡管功能還很不完備,但問世后很受歡迎。

如今,PHOENICS已經(jīng)發(fā)展成為一款能夠模擬傳熱、流動(dòng)、反應(yīng)、燃燒過程的通用CFD軟件。

主要特點(diǎn):

1、開放性:Phoenics最大限度地向用戶開放了程序,用戶可以根據(jù)需要任意修改添加用戶程序、用戶模型。PLANT及INFORM功能的引入使用戶不再需要編寫FORTRAN源程序,GROUND程序功能使用戶修改添加模型更加任意和方便。

2、CAD接口:Phoenics可以讀入任何CAD軟件的圖形文件。

3、MOVOBJ:運(yùn)動(dòng)物體功能可以定義物體運(yùn)動(dòng),避免了使用相對運(yùn)動(dòng)方法的局限性。

4、大量的模型選擇:20多種湍流模型,多種多相流模型,多流體模型,燃燒模型,輻射模型。

5、提供了歐拉算法也提供了基于粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的拉格朗日算法。

6、計(jì)算流動(dòng)與傳熱時(shí)能同時(shí)計(jì)算浸入流體中的固體的機(jī)械和熱應(yīng)力。

7、VR(虛擬現(xiàn)實(shí))用戶界面引入了一種嶄新的CFD建模思路。

8、PARSOL(CUT CELL):部分固體處理。

9、軟件自帶1000多個(gè)例題,附有完整的可讀可改的原始輸入文件。

10、Phoenics專用模塊:建筑模塊(FLAIR) 電站鍋爐模塊(COFFUS)

應(yīng)用領(lǐng)域:

能源動(dòng)力、兩相、多相流、航空航天、傳熱傳質(zhì)、化工燃燒、爆炸、船舶水利、化學(xué)反應(yīng)、建筑、暖通空調(diào)、流體機(jī)械、冶金、磁流體、環(huán)境、材料。

二、中堅(jiān)力量

FLUENT

FLUENT軟件是當(dāng)今世界CFD仿真領(lǐng)域最為全面的軟件包之一,具有廣泛的物理模型,以及能夠快速準(zhǔn)確的得到CFD分析結(jié)果。

FLUENT軟件擁有模擬流動(dòng),湍流,熱傳遞和反應(yīng)等廣泛物理現(xiàn)象的能力,在工業(yè)上的應(yīng)用包括從流過飛機(jī)機(jī)翼的氣流到爐膛內(nèi)的燃燒,從鼓泡塔到鉆井平臺,從血液流動(dòng)到半導(dǎo)體生產(chǎn),以及從無塵室設(shè)計(jì)到污水處理裝置等等。軟件中的專用模型可以用于開展缸內(nèi)燃燒,空氣聲學(xué),渦輪機(jī)械和多相流系統(tǒng)的模擬工作。

現(xiàn)今,全世界范圍內(nèi)數(shù)千計(jì)的公司將FLUENT與產(chǎn)品研發(fā)過程中設(shè)計(jì)和優(yōu)化階段相整合,并從中獲益。先進(jìn)的求解技術(shù)可提供快速、準(zhǔn)確的CFD結(jié)果、靈活的移動(dòng)和變形網(wǎng)格,以及出眾的并行可擴(kuò)展能力。用戶自定義函數(shù)可實(shí)現(xiàn)全新的用戶模型和擴(kuò)展現(xiàn)有模型。

FLUENT中的交互式的求解器設(shè)置、求解和后處理能力可輕易暫停計(jì)算過程,利用集成的后處理檢查結(jié)果,改變設(shè)置,并隨后用簡單的操作繼續(xù)執(zhí)行計(jì)算。ANSYS CFD-Post可以讀入Case和Data文件,并利用其先進(jìn)的后處理工具開展深入分析,同時(shí)對比多個(gè)算例。

ANSYS Workbench集成ANSYS FLUENT后給用戶提供了與所有主要CAD系統(tǒng)的雙向連接功能,其中包括ANSYS DesignModeler強(qiáng)大的幾何修復(fù)和生成能力,以及ANSYS Meshing先進(jìn)的網(wǎng)格劃分技術(shù)。該平臺通過使用一個(gè)簡單的拖放操作便可以共享不同應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果。

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CFX

CFX是全球第一個(gè)通過ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的大型商業(yè)CFD軟件,由英國AEA Technology公司開發(fā)。2003年,CFX軟件被ANSYS公司收購。誕生在工業(yè)應(yīng)用背景中的CFX一直將精確的計(jì)算結(jié)果、豐富的物理模型、強(qiáng)大的用戶擴(kuò)展性作為其發(fā)展的基本要求,并以其在這些方面的卓越成就,引領(lǐng)著CFD技術(shù)的不斷發(fā)展。目前,CFX已經(jīng)遍及航空航天、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、能源、石油化工、機(jī)械制造、汽車、生物技術(shù)、水處理、火災(zāi)安全、冶金、環(huán)保等領(lǐng)域,為其在全球6000多個(gè)用戶解決了大量的實(shí)際問題。

和大多數(shù)CFD軟件不同的,CFX除了可以使用有限體積法之外,還采用了基于有限元的有限體積法?；谟邢拊挠邢摅w積法保證了在有限體積法的守恒特性的基礎(chǔ)上,吸收了有限元法的數(shù)值精確性。在CFX中,基于有限元的有限體積法,對六面體網(wǎng)格單元采用24點(diǎn)插值,而單純的有限體積法僅僅采用6點(diǎn)插值;對四面體網(wǎng)格單元采用60點(diǎn)插值,而單純的有限體積法僅僅采用4點(diǎn)插值。在湍流模型的應(yīng)用上,除了常用的湍流模型外,CFX最先使用了大渦模擬(LES)和分離渦模擬(DES)等高級渦流模型。

CFX可計(jì)算的物理問題包括可壓與不可壓流體、耦合傳熱、熱輻射、多相流、粒子輸送過程、化學(xué)反應(yīng)和燃燒問題。還擁有諸如氣蝕、凝固、沸騰、多孔介質(zhì)、相間傳質(zhì)、非牛頓流、噴霧干燥、動(dòng)靜干涉、真實(shí)氣體等大批負(fù)責(zé)現(xiàn)象的使用模型。

在其湍流模型中,納入了k-?模型、低Reynolds數(shù)k-?模型、低Reynolds數(shù)Wilcox模型、代數(shù)Reynolds應(yīng)力模型、微分Reynolds應(yīng)力模型、微分Reynolds通量模型、SST模型和大渦模型。

作為世界上唯一采用全隱式耦合算法的大型商業(yè)軟件。算法上的先進(jìn)性,豐富的物理模型和前后處理的完善性使ANSYS CFX在結(jié)果精確性,計(jì)算穩(wěn)定性,計(jì)算速度和靈活性上都有優(yōu)異的表現(xiàn)。

除了一般工業(yè)流動(dòng)以外,ANSYS CFX還可以模擬諸如燃燒,多相流,化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜流場。ANSYS CFX還可以和ANSYS Structure及ANSYS Emag等軟件配合,實(shí)現(xiàn)流體分析和結(jié)構(gòu)分析,電磁分析等的耦合。ANSYS CFX也被集成在ANSYS Workbench環(huán)境下,方便用戶在單一操作界面上實(shí)現(xiàn)對整個(gè)工程問題的模擬。

ANSYS CFX不僅是一款強(qiáng)大的CFD軟件。ANSYS Workbench平臺融合了ANSYS DesignModeler強(qiáng)大的幾何修復(fù)和ANSYS Meshing先進(jìn)的網(wǎng)格劃分技術(shù),為所有主流的CAD系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)的雙向連接,使數(shù)據(jù)的拖-放轉(zhuǎn)換以及不同的應(yīng)用程序間共享結(jié)果更為容易。

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STAR-CCM+

STAR-CCM+是CD-adapco集團(tuán)推出的新一代CFD軟件。采用最先進(jìn)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)算法(computational continuum mechanics algorithms),并和卓越的現(xiàn)代軟件工程技術(shù)結(jié)合在一起,擁有出色的性能、精度和高可靠性。

STAR-CCM+擁有一體化的圖形用戶界面,從參數(shù)化CAD建模、表面準(zhǔn)備、體網(wǎng)格生成、模型設(shè)定、計(jì)算求解一直到后處理分析的整個(gè)流程,都可以在同一個(gè)界面環(huán)境中完成。

基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)算法的STAR-CCM+,不僅可以進(jìn)行熱、流體分析,還擁有結(jié)構(gòu)應(yīng)力、噪聲等其它物理場的分析功能,功能強(qiáng)大而又易學(xué)易用。

STAR-CCM+創(chuàng)新性的表面包面功能、全自動(dòng)生成多面體網(wǎng)格或六面體為核心的體網(wǎng)格功能、在計(jì)算過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控后處理結(jié)果的功能,甚至細(xì)微到使用復(fù)制、粘貼功能傳遞設(shè)定參數(shù)等等,處處體現(xiàn)了STAR-CCM+為了最小化用戶的人工操作時(shí)間、更方便更直接地將結(jié)果呈現(xiàn)在用戶面前而精心設(shè)計(jì)的理念。

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三、行家里手

除了上述提到的一些通用CFD軟件,還有一些在特定領(lǐng)域起到巨大作用的專業(yè)化CFD軟件,這些軟件不僅對于具體工程問題更有針對性,而且方便一些不具備專業(yè)流體知識的工程師快速上手使用。

AVL FIRE

AVL FIRE是一款專業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)CFD軟件,能解決所有和發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)的CFD問題。它能對發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及部件內(nèi)部的流動(dòng)、噴霧、混合氣形成、壁膜、燃燒、和排放物的形成進(jìn)行詳細(xì)的模擬分析。還有專業(yè)的尾氣后處理模塊用于各類催化轉(zhuǎn)化器的研究和優(yōu)化。

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CONVERGE

CONVERGE是由美國Convergent Science公司開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)CFD專業(yè)分析軟件。

如何快速、高效地生成高質(zhì)量的計(jì)算網(wǎng)格一直是提高CFD分析工作效率的瓶頸,而CONVERGE擁有強(qiáng)大的自動(dòng)化生成網(wǎng)格功能,可大量節(jié)省用戶的網(wǎng)格生成時(shí)間。CONVERGE的網(wǎng)格體系完全基于正交化網(wǎng)格,可采用自適應(yīng)加密等等多種網(wǎng)格控制策略,以最小的計(jì)算負(fù)荷量實(shí)現(xiàn)高精度的仿真分析。

CONVERGE擁有噴霧模型,燃燒模型等發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)分析所必須的各種豐富的物理模型,可用來模擬汽油機(jī),柴油機(jī),天然氣及HCCI等任何類型的發(fā)動(dòng)機(jī)。

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FLACS

FLACS是一款用于CFD爆炸建模的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件,同時(shí)還是一種適用于易燃、有毒物質(zhì)排放的技術(shù)安全上下文建模的最佳驗(yàn)證工具。

FLACS是一個(gè)全面的、易于使用的3D建模軟件工具,用于分散和爆炸的影響分析,是針對所有典型的易燃和有毒物質(zhì)排放的解決方案。它廣泛用于石油和天然氣及過程工業(yè),也越來越多的用于核工業(yè),以及粉塵爆炸的潛力分析和許多其他領(lǐng)域的設(shè)施。CFD過程全部采用3D建模,可以更準(zhǔn)確的預(yù)測后果,并減輕限制和擁塞真實(shí)的幾何體的影響。更好的獲取更高精確度的結(jié)果,不僅有助于提高安全性的真實(shí)水平,也可以讓設(shè)計(jì)人員能夠選擇真正有效的設(shè)計(jì)方案和緩解措施,從而提高安全性和成本效益的。

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Fluidyn

Fluidyn是為專門滿足石化、石油和天然氣工業(yè)的需求,應(yīng)對潛在的高風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)原理開發(fā)的軟件。

這款軟件可以專門用于:

定量和定性的風(fēng)險(xiǎn)評估
失效模式和影響分析
后果模擬
污染擴(kuò)散模擬

這個(gè)行業(yè)廣泛采用的一些Fluidyn軟件如下:

過程工業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析和規(guī)劃軟件(fluidyn ASSESSRISK)
研究由工業(yè)事故導(dǎo)致的瞬態(tài)排放擴(kuò)散模式或稠密氣體擴(kuò)散、火災(zāi) (fluidyn PANEPR)
火災(zāi)研究和燃燒副產(chǎn)品擴(kuò)散軟件(fluidyn PANFIRE)
由于煉油廠、儲(chǔ)罐區(qū)事故導(dǎo)致的波浪作用及后果的仿真 (fluidyn PANWAVE)
復(fù)雜流體流動(dòng)分析軟件(fluidyn MP)

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FloVENT

FloVENT是一款功能強(qiáng)大的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件,能夠預(yù)測各類建筑物內(nèi)和周圍的三維氣流、傳熱、污染分布和舒適度。它提供反應(yīng)快速和簡單易用的菜單系統(tǒng),是專為設(shè)計(jì)和優(yōu)化供暖、通風(fēng)和空調(diào)設(shè)備的工程師而打造。

FloVENT擅長于模擬:

中庭、購物中心和辦公樓
劇院、機(jī)場碼頭、倉儲(chǔ)設(shè)施和倉庫
海洋石油平臺
建筑物和隧道火災(zāi)
汽車乘客舒適度
實(shí)驗(yàn)室、研究設(shè)施、醫(yī)院、地下停車場的空氣質(zhì)量和污染控制

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四、新生勢力

XFLOW

XFlow是Next Limit Technologies公司開發(fā)的新一代的基于無網(wǎng)格、拉格朗日粒子法和大渦模擬(LES) 技術(shù)的流體力學(xué)計(jì)算軟件,它省去了劃分復(fù)雜網(wǎng)格的時(shí)間,能真實(shí)地模擬復(fù)雜的幾何和運(yùn)動(dòng)物體, 大大提高流體計(jì)算效率和精確性, 為客戶節(jié)省價(jià)格昂貴的試驗(yàn)成本。

重要特點(diǎn)包括:

無網(wǎng)格方法

XFlow中的無網(wǎng)絡(luò)方法是基于粒子和具有完整拉格朗日函數(shù)的方法,這意味著將不再需要對經(jīng)典的流體區(qū)域劃分網(wǎng)格,同時(shí)表面復(fù)雜性不再是一種限制因素。XFlow能夠解決運(yùn)動(dòng)的物體和可變形部分,能夠適應(yīng)低質(zhì)量的輸入幾何。

基于粒子動(dòng)力式解算器

XFlow以一種全新的、基于粒子的動(dòng)力算法為特征,對波爾茲曼方程和可壓縮的納維-斯托克斯方程進(jìn)行求解。該解算器的特點(diǎn)是具有現(xiàn)代化的大渦模擬(LES)建模能力,以及具有高級非平衡隔離型模型。

高級建模能力

XFlow能夠處理大規(guī)模復(fù)雜模型,并且結(jié)合移動(dòng)部分、強(qiáng)制或關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)或接觸建模過程,極大地簡化分析結(jié)構(gòu)。

高級分析能力

XFlow的求解器還支持熱分析,熱交換,輻射,跨音速和超音速流動(dòng),在多孔介質(zhì)中流動(dòng),非牛頓流,離散相模型和復(fù)雜邊界條件,如多孔介質(zhì)中跳動(dòng)或風(fēng)扇類模型。

自適應(yīng)蹤跡改良

XFlow的引擎可根據(jù)用戶需求自動(dòng)適應(yīng)解算規(guī)模,在各項(xiàng)隔離附近精確解算質(zhì)量,并且在流動(dòng)發(fā)展同時(shí)動(dòng)態(tài)適應(yīng)其蹤跡。

單獨(dú)一致的隔離模型

XFlow使用一種統(tǒng)一的非平衡隔離函數(shù)對邊界層進(jìn)行建模。該隔離模型可用于所有情況下,這意味著在不同的算法間無需進(jìn)行選擇,也無需處理每個(gè)體系相關(guān)的不同限制。

近似線性的可擴(kuò)展性能

XFlow使用近似線性的可擴(kuò)展能力,對于多核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)完全的平行處理。

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PowerFLOW

PowerFLOW是美國EXA公司基于LBM(格子-波爾茲曼方法)開發(fā)的CFD求解器。LBM相對于FVM(有限體積法)的先進(jìn)性使PowerFLOW具有無需簡化復(fù)雜的CAD模型、全自動(dòng)生成笛卡爾網(wǎng)格、非定常模擬、幾乎線性的并行效率、精確度極高等優(yōu)點(diǎn)。另外它還具有在初始結(jié)構(gòu)上增加并減少部件方便地進(jìn)行參數(shù)化研究、利用同一個(gè)模型可以進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)、氣動(dòng)聲學(xué)和熱管理等多學(xué)科模擬等獨(dú)特優(yōu)勢。對CAD無需做任何修改和簡化、網(wǎng)格自動(dòng)生成、專業(yè)化的咨詢服務(wù)團(tuán)隊(duì)服務(wù)使得PowerFLOW變得非常易于使用,讓企業(yè)使用CFD軟件的門檻降到最低。這使PowerFLOW已經(jīng)成為全球頂尖地面交通工具公司在氣動(dòng)、噪聲及熱管理等方面數(shù)值模擬的首選軟件。它能為空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化提供一個(gè)真實(shí)的數(shù)字風(fēng)洞求解,在全球占有統(tǒng)治地位。PowerFLOW進(jìn)行內(nèi)外空氣動(dòng)力學(xué)模擬的獨(dú)特優(yōu)勢已經(jīng)使得Exa成為該領(lǐng)域的領(lǐng)先者。

PowerFLOW的主要特點(diǎn)求解快速、完全的幾何細(xì)節(jié)和瞬態(tài)分析–已經(jīng)使得流體力學(xué)模擬成為一種真正可用于生產(chǎn)設(shè)計(jì)的工具,改變了空氣動(dòng)力學(xué)開發(fā)的方式。

主要特點(diǎn):

高速的流體計(jì)算功能

做整車的CAD流體分析時(shí)間小于5天;

優(yōu)化時(shí)間小于1天。

無需簡化的CAD模型

考慮完全的外部特征、底盤特征和內(nèi)部特征;

所有設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)完全考慮在內(nèi)。

準(zhǔn)確的計(jì)算精度

與風(fēng)洞試驗(yàn)曲線的完全吻合。

同一個(gè)模型可用于多學(xué)科的優(yōu)化

利用同一個(gè)模型可進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化、氣動(dòng)噪聲優(yōu)化、散熱分析優(yōu)化。

可進(jìn)行參數(shù)化研究

在初始結(jié)構(gòu)上增加并減少部件方便地進(jìn)行參數(shù)化研究

全自動(dòng)生成笛卡爾網(wǎng)格

全自動(dòng)網(wǎng)格生成節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用

非定常模擬

真實(shí)的瞬態(tài)模擬特性能改善功能設(shè)計(jì)。

多處理器的性能呈線性增加

多處理器機(jī)器的性能與單處理器的相比,呈線性增加,可達(dá)上百倍。

易于使用

PowerFLOW的使用者無需對CAD及CAE網(wǎng)格劃分有高深的理解,且除了軟件銷售和安裝之外,Exa全球的工程咨詢服務(wù)機(jī)構(gòu)會(huì)為企業(yè)提供全面的咨詢服務(wù)。

數(shù)值穩(wěn)定性好

求解結(jié)果不依賴于幾何及網(wǎng)格的優(yōu)劣,不管幾何多么復(fù)雜, PowerFLOW都能提供可信的結(jié)果。

兼容性好

帶有CAD通用接口,能夠跨平臺使用,PowerFLOW可以用于現(xiàn)有的工程學(xué)環(huán)境。

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結(jié)語

在過去的幾十年中,CFD軟件取的了飛速的進(jìn)步,在未來前進(jìn)的道路上,CFD軟件必將還能發(fā)揮更大的作用,為方便客戶的專業(yè)化需求,將進(jìn)一步開發(fā)個(gè)性化的仿真產(chǎn)品,云計(jì)算服務(wù)也將為客戶提供更為方便的使用體驗(yàn),硬件不再是工程師工作的瓶頸,等等這些都將會(huì)使CFD仿真有一個(gè)美好的未來!

讓我們共同銘記歷史所啟示的偉大真理:便捷必勝!快速必勝!準(zhǔn)確必勝!

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