能源专业的宝宝们都知道这个&nash;CFD

什么是CFD，今天我们就来详细介绍一下CFD：

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 &mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&nash; 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。Fiap——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。FID AP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。&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash;&mash; &nash; 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、ICC G、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-Launer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、N Ox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-TurboGri 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。STAR-CD STAR-CD的创始人之一Gosman与Phoenics的创始人Spaling都是英国伦敦大学同一教研室的 教授。STAR-C 是Simulation of Turbulent flow in Arbitrary Region的缩写，CD是computat ional Dynamics Lt。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,GRI DGEN等，这使STAR-CD在适应复杂区域方面的特别优势。STAR－-c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S IMPLE，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－c的强项在于汽车工业，汽车发动机内的流动和传热。Blue Rige Numerics,Inc.着眼于加速产品设计开发的流程，从机械工程师及产品设计工 程师的角度出发，希望设计者可以直接由MCAD模型进入热流分析的工作，故发展出具有全 方位功能的热流分析软件—CFesign。CFesign将设计模型与热流分析于产品开发之流程上进行整合，通过与MCAD软件的紧密整 合，改变一般人认为只有专家才会使用CFD软件的刻板印象，通过CFDesign程序可解决多种 流体流动及传热问题，如：层流，紊流，内流场，外流场，不可压缩流，可压缩流，亚音 速，跨音速，超音速，稳态流，瞬态流等，使得热流特性对产品效能的影响，通过工程师 仿真分析与热流工程师的密切合作，得以充分了解并改善。