能源專業(yè)的寶寶們都知道這個(gè)&nash;CFD

什么是CFD，今天我們就來(lái)詳細(xì)介紹一下CFD：

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是近代流體力學(xué)，數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，是一門具有強(qiáng)大生命力的邊緣科學(xué)。它以電子計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對(duì)流體力學(xué)的各類問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究，以解決各種實(shí)際問(wèn)題。計(jì)算流體力學(xué)和相關(guān)的計(jì)算傳熱學(xué)，計(jì)算燃燒學(xué)的原理是用數(shù)值方法求解非線性聯(lián)立的質(zhì) 量、能量、組分、動(dòng)量和自定義的標(biāo)量的微分方程組，求解結(jié)果能預(yù)報(bào)流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì) 、燃燒等過(guò)程的細(xì)節(jié)，并成為過(guò)程裝置優(yōu)化和放大定量設(shè)計(jì)的有力工具。計(jì)算流體力學(xué)的 基本特征是數(shù)值模擬和計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，它從基本物理定理出發(fā)，在很大程度上替代了耗資巨 大的流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在科學(xué)研究和工程技術(shù)中產(chǎn)生巨大的影響。目前比較好的CFD軟件有：Fluent、CFX、Phoenics、Star-CD，除了Fluent是美國(guó)公司的軟件外，其它三個(gè)都 是英國(guó)公司的產(chǎn)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是目前國(guó)際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國(guó)的市場(chǎng)占有率為60%。舉凡跟流體，熱傳遞及化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以 及強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、石油天然氣、渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方面都有著 廣泛的應(yīng)用。其在石油天然氣工業(yè)上的應(yīng)用包括：燃燒、井下分析、噴射控制、環(huán)境分析 、油氣消散/聚積、多相流、管道流動(dòng)等等。Fluent的軟件設(shè)計(jì)基于CFD軟件群的思想，從用戶需求角度出發(fā)，針對(duì)各種復(fù)雜流動(dòng)的物理 現(xiàn)象，F(xiàn)LUENT軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn) 定性和精度等方面達(dá)到最佳組合，從而高效率地解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問(wèn)題?；?上述思想，F(xiàn)luent開(kāi)發(fā)了適用于各個(gè)領(lǐng)域的流動(dòng)模擬軟件，這些軟件能夠模擬流體流動(dòng)、 傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和其它復(fù)雜的物理現(xiàn)象，軟件之間采用了統(tǒng)一的網(wǎng)格生成技術(shù)及共同 的圖形界面，而各軟件之間的區(qū)別僅在于應(yīng)用的工業(yè)背景不同，因此大大方便了用戶。其 各軟件模塊包括： GAMBIT——專用的CFD前置處理器，F(xiàn)LUENT系列產(chǎn)品皆采用FLUENT公司自行研發(fā)的Gambit前 處理軟件來(lái)建立幾何形狀及生成網(wǎng)格，是一具有超強(qiáng)組合建構(gòu)模型能力之前處理器，然后 由Fluent進(jìn)行求解。也可以用ICEM CFD進(jìn)行前處理，由TecPlot進(jìn)行后處理。Fluent5.4——基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通用CFD求解器，針對(duì)非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格模型設(shè)計(jì)，是用有 限元法求解不可壓縮流及中度可壓縮流流場(chǎng)問(wèn)題的CFD軟件?？蓱?yīng)用的范圍有紊流、熱傳、 化學(xué)反應(yīng)、混合、旋轉(zhuǎn)流（rotating flow）及震波（shocks）等。在渦輪機(jī)及推進(jìn)系統(tǒng)分 析都有相當(dāng)優(yōu)秀的結(jié)果，并且對(duì)模型的快速建立及shocks處的格點(diǎn)調(diào)適都有相當(dāng)好的效果。Fiap——基于有限元方法的通用CFD求解器，為一專門解決科學(xué)及工程上有關(guān)流體力學(xué)傳 質(zhì)及傳熱等問(wèn)題的分析軟件，是全球第一套使用有限元法于CFD領(lǐng)域的軟件，其應(yīng)用的范圍 有一般流體的流場(chǎng)、自由表面的問(wèn)題、紊流、非牛頓流流場(chǎng)、熱傳、化學(xué)反應(yīng)等等。FID AP本身含有完整的前后處理系統(tǒng)及流場(chǎng)數(shù)值分析系統(tǒng)。對(duì)問(wèn)題整個(gè)研究的程序，數(shù)據(jù)輸入 與輸出的協(xié)調(diào)及應(yīng)用均極有效率。Polyflow——針對(duì)粘彈性流動(dòng)的專用CFD求解器，用有限元法仿真聚合物加工的CFD軟件，主要應(yīng)用于塑料射出成形機(jī)，擠型機(jī)和吹瓶機(jī)的模具設(shè)計(jì)。Mixsim——針對(duì)攪拌混合問(wèn)題的專用CFD軟件，是一個(gè)專業(yè)化的前處理器，可建立攪拌槽及 混合槽的幾何模型，不需要一般計(jì)算流力軟件的冗長(zhǎng)學(xué)習(xí)過(guò)程。它的圖形人機(jī)接口和組件 數(shù)據(jù)庫(kù)，讓工程師直接設(shè)定或挑選攪拌槽大小、底部形狀、折流板之配置，葉輪的型式等 等。MixSim隨即自動(dòng)產(chǎn)生3維網(wǎng)絡(luò)，并啟動(dòng)FLUENT做后續(xù)的模擬分析。Icepak——專用的熱控分析CFD軟件，專門仿真電子電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部氣流，溫度分布的CFD分 析軟件，特別是針對(duì)系統(tǒng)的散熱問(wèn)題作仿真分析，藉由模塊化的設(shè)計(jì)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是由英國(guó)AEA公司開(kāi)發(fā)，是一種實(shí)用流體工程分析工具，用于模擬流體流動(dòng)、傳熱、多 相流、化學(xué)反應(yīng)、燃燒問(wèn)題。其優(yōu)勢(shì)在于處理流動(dòng)物理現(xiàn)象簡(jiǎn)單而幾何形狀復(fù)雜的問(wèn)題。適用于直角/柱面/旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，穩(wěn)態(tài)/非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，瞬態(tài)/滑移網(wǎng)格，不可壓縮/弱可壓縮/ 可壓縮流體，浮力流，多相流，非牛頓流體，化學(xué)反應(yīng)，燃燒，NOx生成，輻射，多孔介質(zhì) 及混合傳熱過(guò)程。CFX采用有限元法，自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)控制，SIMPLE算法，代數(shù)多網(wǎng)格、ICC G、Line、Stone和Block Stone解法。能有效、精確地表達(dá)復(fù)雜幾何形狀，任意連接模塊即 可構(gòu)造所需的幾何圖形。在每一個(gè)模塊內(nèi)，網(wǎng)格的生成可以確保迅速、可靠地進(jìn)行，這種 多塊式網(wǎng)格允許擴(kuò)展和變形，例如計(jì)算氣缸中活塞的運(yùn)動(dòng)和自由表面的運(yùn)動(dòng)?；瑒?dòng)網(wǎng)格功 能允許網(wǎng)格的各部分可以相對(duì)滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，這種功能可以用于計(jì)算牙輪鉆頭與井壁間流體 的相互作用。CFX引進(jìn)了各種公認(rèn)的湍流模型。例如：k-e模型，低雷諾數(shù)k-e模型，RNG k -e模型，代數(shù)雷諾應(yīng)力模型，微分雷諾應(yīng)力模型，微分雷諾通量模型等。CFX的多相流模型 可用于分析工業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種流動(dòng)。包括單體顆粒運(yùn)動(dòng)模型，連續(xù)相及分散相的多相 流模型和自由表面的流動(dòng)模型。CFX-TASCflow在旋轉(zhuǎn)機(jī)械CFD計(jì)算方面具有很強(qiáng)的功能。它可用于不可壓縮流體，亞/臨/超 音速流體的流動(dòng)，采用具有壁面函數(shù)的k-e模型、2層模型和Kato-Launer模型等湍流模型，傳熱包括對(duì)流傳熱、固體導(dǎo)熱、表面對(duì)表面輻射，Gibb’s輻射模型，多孔介質(zhì)傳熱等?；瘜W(xué)反應(yīng)模型包括旋渦破碎模型、具有動(dòng)力學(xué)控制復(fù)雜正/逆反應(yīng)模型、Flamelet模型、N Ox和碳黑生成模型、拉格朗日跟蹤模型、反應(yīng)顆粒模型和多組分流體模型。CFX-TurboGri 是一個(gè)用于快速生成旋轉(zhuǎn)機(jī)械CFD網(wǎng)格的交互式生成工具，很容易用來(lái)生成有效的和高質(zhì) 量的網(wǎng)格。PHOENICS Phoenics是英國(guó)CHAM公司開(kāi)發(fā)的模擬傳熱、流動(dòng)、反應(yīng)、燃燒過(guò)程的通用CFD軟件，有30多年的歷史。網(wǎng)格系統(tǒng)包括：直角、圓柱、曲面（包括非正交和運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格，但在其VR環(huán)境不可以）、多重網(wǎng)格、精密網(wǎng)格?？梢詫?duì)三維穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)的可壓縮流或不可壓縮流進(jìn)行模擬，包括非牛頓流、多孔介質(zhì)中的流動(dòng)，并且可以考慮粘度、密度、溫度變化的影響。在 流體模型上面，Phoenics內(nèi)置了22種適合于各種Re數(shù)場(chǎng)合的湍流模型，包括雷諾應(yīng)力模型 、多流體湍流模型和通量模型及k-e模型的各種變異，共計(jì)21個(gè)湍流模型，8個(gè)多相流模型，10多個(gè)差分格式。Phoenics的VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）彩色圖形界面菜單系統(tǒng)是這幾個(gè)CFD軟件里前處理最方便的一個(gè)，可以直接讀入Pro/E建立的模型（需轉(zhuǎn)換成STL格式），是復(fù)雜幾何體的生成更為方便，在邊界條件的定義方面也極為簡(jiǎn)單，并且網(wǎng)格自動(dòng)生成，但其缺點(diǎn)則是網(wǎng)格比較單一粗糙，針對(duì)復(fù)雜曲面或曲率小的地方的網(wǎng)格不能細(xì)分，也即是說(shuō)不能在VR環(huán)境里采用貼體網(wǎng)格。另外VR的后處理也不是很好。要進(jìn)行更高級(jí)的分析則要采用命令格式進(jìn)行，但這在易用 性上比其它軟件就要差了。另外，Phoenics自帶了1000多個(gè)例題與驗(yàn)證題，附有完整的可讀可改的輸入文件。其中就 有CHAM公司做的一個(gè)PDC鉆頭的流場(chǎng)分析。Phoenics的開(kāi)放性很好，提供對(duì)軟件現(xiàn)有模型進(jìn) 行修改、增加新模型的功能和接口，可以用FORTRAN語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。STAR-CD STAR-CD的創(chuàng)始人之一Gosman與Phoenics的創(chuàng)始人Spaling都是英國(guó)倫敦大學(xué)同一教研室的 教授。STAR-C 是Simulation of Turbulent flow in Arbitrary Region的縮寫(xiě)，CD是computat ional Dynamics Lt。是基于有限容積法的通用流體計(jì)算軟件，在網(wǎng)格生成方面，采用非 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單元體可為六面體，四面體，三角形界面的棱柱，金字塔形的錐體以及六種 形狀的多面體，還可與CAD、CAE軟件接口，如ANSYS,IDEAS,NASTRAN,PATRAN,ICEMCFD,GRI DGEN等，這使STAR-CD在適應(yīng)復(fù)雜區(qū)域方面的特別優(yōu)勢(shì)。STAR－-c能處理移動(dòng)網(wǎng)格，用于多級(jí)透平的計(jì)算，在差分格式方面，納入了一階UpWIND,二階UpWIND,CDS,QUICK,以及一階UPWIND與CDS或QUICK的混合格式，在壓力耦合方面采用S IMPLE，PISO以及稱為SIMPLO的算法。在湍流模型方面，有k-e,RNK-ke,ke兩層等模型，可 計(jì)算穩(wěn)態(tài)，非穩(wěn)態(tài)，牛頓，非牛頓流體，多孔介質(zhì)，亞音速，超音速，多項(xiàng)流等問(wèn)題. STAR－c的強(qiáng)項(xiàng)在于汽車工業(yè)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的流動(dòng)和傳熱。Blue Rige Numerics,Inc.著眼于加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的流程，從機(jī)械工程師及產(chǎn)品設(shè)計(jì)工 程師的角度出發(fā)，希望設(shè)計(jì)者可以直接由MCAD模型進(jìn)入熱流分析的工作，故發(fā)展出具有全 方位功能的熱流分析軟件—CFesign。CFesign將設(shè)計(jì)模型與熱流分析于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)之流程上進(jìn)行整合，通過(guò)與MCAD軟件的緊密整 合，改變一般人認(rèn)為只有專家才會(huì)使用CFD軟件的刻板印象，通過(guò)CFDesign程序可解決多種 流體流動(dòng)及傳熱問(wèn)題，如：層流，紊流，內(nèi)流場(chǎng)，外流場(chǎng)，不可壓縮流，可壓縮流，亞音 速，跨音速，超音速，穩(wěn)態(tài)流，瞬態(tài)流等，使得熱流特性對(duì)產(chǎn)品效能的影響，通過(guò)工程師 仿真分析與熱流工程師的密切合作，得以充分了解并改善。