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1.4 常用的CFD商用软件

为了完成CFD计算,过去多是用户自己编写计算程序,但由于CFD的复杂性及计算机硬件条件的多样性,使得用户各自的应用程序往往缺乏通用性,而CFD本身又有鲜明的系统性和规律性,因此比较适合被制成通用的商用软件。

自1981年以来,出现了PHOENICS、STAR-CD、STAR-CCM+、CFX、Fluent等多个商用CFD软件,这些软件的特点是:

随着计算机技术的快速发展,这些商用软件在工程界发挥着越来越大的作用。

1.4.1 PHOENICS

PHOENICS是世界上第一套计算流体动力学与传热学的商用软件,除了通用CFD软件应该拥有的功能外,PHOENICS软件还具有自己独特的功能。

1.4.2 STAR-CD

STAR-CD是目前世界上使用最广泛的专业计算流体力学(CFD)分析软件之一,由世界领先的综合性CAE软件和服务提供商CD-Adapco集团开发。CD-Adapco集团不断将分布于世界各地代表处的开发成果和广大合作研究单位的研究成果融入软件的最新版本当中,使得STAR-CD保持热流解析领域的领先地位。

STAR-CD的解析对象涵盖基础热流解析,导热、对流、辐射(包含太阳辐射)热问题,多相流问题,化学反应/燃烧问题,旋转机械问题,流动噪声问题等。在新发布的v4版本中,STAR-CD更是将解析对象扩展到流体/结构热应力问题、电磁场问题和铸造领域。

作为最早引入非结构化网格概念的软件,STAR-CD保持了对复杂结构流域解析的优势,其最新的基于连续介质力学的求解器具有内存占用少、收敛性强、稳定性好的特点,受到全球用户的好评。

STAR-CD作为重要工具,参与了我国许多重大工程项目,如高速铁路、汽车开发设计、低排放内燃机、能源化工、动力机械、船舶设计、家电电子、飞行器设计、空间技术等,并为客户取得了良好的效益。

1.4.3 STAR-CCM+

STAR-CCM+是CD-Adapco集团推出的新一代CFD软件,采用最先进的连续介质力学算法(computational continuum mechanics algorithms),并和卓越的现代软件工程技术结合在一起,拥有出色的性能、精度和高可靠性。

STAR-CCM+拥有一体化的图形用户界面,从参数化CAD建模、表面准备、体网格生成、模型设定、计算求解一直到后处理分析的整个流程,都可以在同一个界面环境中完成。

基于连续介质力学算法的STAR-CCM+,不仅可以进行热、流体分析,还拥有结构应力、噪声等其他物理场的分析功能,功能强大而又易学易用。

STAR-CCM+创新性的表面包面功能、全自动生成多面体网格或六面体为核心的体网格功能、在计算过程中实时监控后处理结果的功能,甚至细微到使用复制、粘贴功能传递设定参数等,处处体现了STAR-CCM+为了最小化用户的人工操作时间,更方便、更直接地将结果呈现在用户面前而精心设计的理念。

1.4.4 CFX

CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件,由英国AEA Technology公司开发。2003年,CFX软件被ANSYS公司收购。诞生在工业应用背景中的CFX一直将精确的计算结果、丰富的物理模型、强大的用户扩展性作为发展的基本要求,并以在这些方面的卓越成就,引领着CFD技术的不断发展。

目前,CFX已经遍及航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、冶金、环保等领域,为其在全球6000多个用户解决了大量实际问题。

和大多数CFD软件不同,CFX除了可以使用有限体积法外,还采用基于有限元的有限体积法。基于有限元的有限体积法保证在有限体积法守恒特性的基础上,吸收有限元法的数值精确性。

在CFX中,基于有限元的有限体积法对六面体网格单元采用24点插值,而单纯的有限体积法仅采用6点插值;基于有限元的有限体积法对四面体网格单元采用60点插值,而单纯的有限体积法仅采用4点插值。在湍流模型的应用上,除了常用的湍流模型外,CFX最先使用大涡模拟(LES)和分离涡模拟(DES)等高级涡流模型。

CFX可计算的物理问题包括可压与不可压流体、耦合传热、热辐射、多相流、粒子输送过程、化学反应和燃烧问题。还拥有诸如气蚀、凝固、沸腾、多孔介质、相间传质、非牛顿流、喷雾干燥、动静干涉、真实气体等大批负责现象的使用模型。

在其湍流模型中,纳入了k-є模型、低Reynolds数k-є模型、低Reynolds数Wilcox模型、代数Reynolds应力模型、微分Reynolds应力模型、微分Reynolds通量模型、SST模型和大涡模型。

作为世界上唯一采用全隐式耦合算法的大型商业软件,算法上的先进性、丰富的物理模型和前后处理的完善性使ANSYS CFX在结果精确性、计算稳定性、计算速度和灵活性上都有优异的表现。

除了一般的工业流动外,ANSYS CFX还可以模拟燃烧、多相流、化学反应等复杂流场。ANSYS CFX还可以和ANSYS Structure、ANSYS Emag等软件配合,实现流体分析和结构分析、电磁分析等的耦合。ANSYS CFX也被集成在ANSYS Workbench环境下,方便用户在单一操作界面上实现对整个工程问题的模拟。

ANSYS CFX不仅是一款强大的CFD软件,ANSYS Workbench平台融合了ANSYS DesignModeler强大的几何修复和ANSYS Meshing先进的网格划分技术,为所有主流的CAD系统提供优质的双向连接,使数据的拖-放转换和不同的应用程序间共享结果更为容易。

例如,流体仿真可以应用在随后的结构力学模拟边界负荷的定义中。ANSYS CFX与ANSYS结构力学产品的天然双向连接,使最复杂的流固耦合(FSI)问题处于简便使用的环境内,减少了购买、管理和运行第三方耦合软件的需要。

1.4.5 Fluent

Fluent软件是当今世界CFD仿真领域最为全面的软件包之一,具有广泛的物理模型,能够快速、准确地得到CFD分析结果。

Fluent软件拥有模拟流动、湍流、热传递和反应等广泛物理现象的能力,在工业上的应用包括从流过飞机机翼的气流到炉膛内的燃烧,从鼓泡塔到钻井平台,从血液流动到半导体生产,从无尘室设计到污水处理装置等。软件中的专用模型可以用于开展缸内燃烧、空气声学、涡轮机械和多相流系统的模拟工作。

现今,全世界范围内数以千计的公司将Fluent与产品研发过程中设计和优化阶段相整合,并从中获益。先进的求解技术可提供快速、准确的CFD结果,灵活的移动和变形网格,以及出众的并行可扩展能力。用户自定义函数可实现全新的用户模型和扩展现有模型。

Fluent中的交互式求解器设置、求解和后处理能力可轻易暂停计算过程,利用集成的后处理检查结果改变设置,并随后用简单的操作继续执行计算。ANSYS CFD-Post可以读入Case和Data文件,并利用其先进的后处理工具开展深入分析,同时对比多个算例。

ANSYS Workbench集成ANSYS Fluent后,为用户提供了与所有主要CAD系统的双向连接功能,包括ANSYS DesignModeler强大的几何修复和生成能力,以及ANSYS Meshing先进的网格划分技术。该平台通过使用一个简单的拖放操作便可以共享不同应用程序的数据和计算结果。 ou2l/2r4fjgE1tt1WF5VPCXxTLnQjLPoEGJHKzCz6eJMWoHp6j408KCqoqWlPM2B

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