能源專業(yè)的寶寶們都知道這個&nash;CFD

什么是CFD，今天我們就來詳細介紹一下CFD：

計算流體力學（CFD）是近代流體力學，數(shù)值數(shù)學和計算機科學結(jié)合的產(chǎn)物，是一門具有強大生命力的邊緣科學。它以電子計算機為工具，應用各種離散化的數(shù)學方法，對流體力學的各類問題進行數(shù)值實驗、計算機模擬和分析研究，以解決各種實際問題。計算流體力學和相關的計算傳熱學，計算燃燒學的原理是用數(shù)值方法求解非線性聯(lián)立的質(zhì) 量、能量、組分、動量和自定義的標量的微分方程組，求解結(jié)果能預報流動、傳熱、傳質(zhì) 、燃燒等過程的細節(jié)，并成為過程裝置優(yōu)化和放大定量設計的有力工具。計算流體力學的 基本特征是數(shù)值模擬和計算機實驗，它從基本物理定理出發(fā)，在很大程度上替代了耗資巨 大的流體動力學實驗設備，在科學研究和工程技術中產(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是美國公司的軟件外，其它三個都 是英國公司的產(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是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國的市場占有率為60%。舉凡跟流體，熱傳遞及化學反應等有關的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進的數(shù)值方法以 及強大的前后處理功能，在航空航天、汽車設計、石油天然氣、渦輪機設計等方面都有著 廣泛的應用。其在石油天然氣工業(yè)上的應用包括：燃燒、井下分析、噴射控制、環(huán)境分析 、油氣消散/聚積、多相流、管道流動等等。Fluent的軟件設計基于CFD軟件群的思想，從用戶需求角度出發(fā)，針對各種復雜流動的物理 現(xiàn)象，F(xiàn)LUENT軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領域內(nèi)使計算速度、穩(wěn) 定性和精度等方面達到最佳組合，從而高效率地解決各個領域的復雜流動計算問題?；?上述思想，F(xiàn)luent開發(fā)了適用于各個領域的流動模擬軟件，這些軟件能夠模擬流體流動、 傳熱傳質(zhì)、化學反應和其它復雜的物理現(xiàn)象，軟件之間采用了統(tǒng)一的網(wǎng)格生成技術及共同 的圖形界面，而各軟件之間的區(qū)別僅在于應用的工業(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 處理軟件來建立幾何形狀及生成網(wǎng)格，是一具有超強組合建構(gòu)模型能力之前處理器，然后 由Fluent進行求解。也可以用ICEM CFD進行前處理，由TecPlot進行后處理。Fluent5.4——基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通用CFD求解器，針對非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格模型設計，是用有 限元法求解不可壓縮流及中度可壓縮流流場問題的CFD軟件?？蓱玫姆秶形闪?、熱傳、 化學反應、混合、旋轉(zhuǎn)流（rotating flow）及震波（shocks）等。在渦輪機及推進系統(tǒng)分 析都有相當優(yōu)秀的結(jié)果，并且對模型的快速建立及shocks處的格點調(diào)適都有相當好的效果。Fiap——基于有限元方法的通用CFD求解器，為一專門解決科學及工程上有關流體力學傳 質(zhì)及傳熱等問題的分析軟件，是全球第一套使用有限元法于CFD領域的軟件，其應用的范圍 有一般流體的流場、自由表面的問題、紊流、非牛頓流流場、熱傳、化學反應等等。FID AP本身含有完整的前后處理系統(tǒng)及流場數(shù)值分析系統(tǒng)。對問題整個研究的程序，數(shù)據(jù)輸入 與輸出的協(xié)調(diào)及應用均極有效率。Polyflow——針對粘彈性流動的專用CFD求解器，用有限元法仿真聚合物加工的CFD軟件，主要應用于塑料射出成形機，擠型機和吹瓶機的模具設計。Mixsim——針對攪拌混合問題的專用CFD軟件，是一個專業(yè)化的前處理器，可建立攪拌槽及 混合槽的幾何模型，不需要一般計算流力軟件的冗長學習過程。它的圖形人機接口和組件 數(shù)據(jù)庫，讓工程師直接設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隨即自動產(chǎn)生3維網(wǎng)絡，并啟動FLUENT做后續(xù)的模擬分析。Icepak——專用的熱控分析CFD軟件，專門仿真電子電機系統(tǒng)內(nèi)部氣流，溫度分布的CFD分 析軟件，特別是針對系統(tǒng)的散熱問題作仿真分析，藉由模塊化的設計快速建立模型。&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AEA公司開發(fā)，是一種實用流體工程分析工具，用于模擬流體流動、傳熱、多 相流、化學反應、燃燒問題。其優(yōu)勢在于處理流動物理現(xiàn)象簡單而幾何形狀復雜的問題。適用于直角/柱面/旋轉(zhuǎn)坐標系，穩(wěn)態(tài)/非穩(wěn)態(tài)流動，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，化學反應，燃燒，NOx生成，輻射，多孔介質(zhì) 及混合傳熱過程。CFX采用有限元法，自動時間步長控制，SIMPLE算法，代數(shù)多網(wǎng)格、ICC G、Line、Stone和Block Stone解法。能有效、精確地表達復雜幾何形狀，任意連接模塊即 可構(gòu)造所需的幾何圖形。在每一個模塊內(nèi)，網(wǎng)格的生成可以確保迅速、可靠地進行，這種 多塊式網(wǎng)格允許擴展和變形，例如計算氣缸中活塞的運動和自由表面的運動?；瑒泳W(wǎng)格功 能允許網(wǎng)格的各部分可以相對滑動或旋轉(zhuǎn)，這種功能可以用于計算牙輪鉆頭與井壁間流體 的相互作用。CFX引進了各種公認的湍流模型。例如：k-e模型，低雷諾數(shù)k-e模型，RNG k -e模型，代數(shù)雷諾應力模型，微分雷諾應力模型，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。包括單體顆粒運動模型，連續(xù)相及分散相的多相 流模型和自由表面的流動模型。CFX-TASCflow在旋轉(zhuǎn)機械CFD計算方面具有很強的功能。它可用于不可壓縮流體，亞/臨/超 音速流體的流動，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，傳熱包括對流傳熱、固體導熱、表面對表面輻射，Gibb’s輻射模型，多孔介質(zhì)傳熱等?；瘜W反應模型包括旋渦破碎模型、具有動力學控制復雜正/逆反應模型、Flamelet模型、N Ox和碳黑生成模型、拉格朗日跟蹤模型、反應顆粒模型和多組分流體模型。CFX-TurboGri 是一個用于快速生成旋轉(zhuǎn)機械CFD網(wǎng)格的交互式生成工具，很容易用來生成有效的和高質(zhì) 量的網(wǎng)格。PHOENICS Phoenics是英國CHAM公司開發(fā)的模擬傳熱、流動、反應、燃燒過程的通用CFD軟件，有30多年的歷史。網(wǎng)格系統(tǒng)包括：直角、圓柱、曲面（包括非正交和運動網(wǎng)格，但在其VR環(huán)境不可以）、多重網(wǎng)格、精密網(wǎng)格?？梢詫θS穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)的可壓縮流或不可壓縮流進行模擬，包括非牛頓流、多孔介質(zhì)中的流動，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)場合的湍流模型，包括雷諾應力模型 、多流體湍流模型和通量模型及k-e模型的各種變異，共計21個湍流模型，8個多相流模型，10多個差分格式。Phoenics的VR（虛擬現(xiàn)實）彩色圖形界面菜單系統(tǒng)是這幾個CFD軟件里前處理最方便的一個，可以直接讀入Pro/E建立的模型（需轉(zhuǎn)換成STL格式），是復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單，并且網(wǎng)格自動生成，但其缺點則是網(wǎng)格比較單一粗糙，針對復雜曲面或曲率小的地方的網(wǎng)格不能細分，也即是說不能在VR環(huán)境里采用貼體網(wǎng)格。另外VR的后處理也不是很好。要進行更高級的分析則要采用命令格式進行，但這在易用 性上比其它軟件就要差了。另外，Phoenics自帶了1000多個例題與驗證題，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PDC鉆頭的流場分析。Phoenics的開放性很好，提供對軟件現(xiàn)有模型進 行修改、增加新模型的功能和接口，可以用FORTRAN語言進行二次開發(fā)。STAR-CD STAR-CD的創(chuàng)始人之一Gosman與Phoenics的創(chuàng)始人Spaling都是英國倫敦大學同一教研室的 教授。STAR-C 是Simulation of Turbulent flow in Arbitrary Region的縮寫，CD是computat ional Dynamics Lt。是基于有限容積法的通用流體計算軟件，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在適應復雜區(qū)域方面的特別優(yōu)勢。STAR－-c能處理移動網(wǎng)格，用于多級透平的計算，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，多項流等問題. STAR－c的強項在于汽車工業(yè)，汽車發(fā)動機內(nèi)的流動和傳熱。Blue Rige Numerics,Inc.著眼于加速產(chǎn)品設計開發(fā)的流程，從機械工程師及產(chǎn)品設計工 程師的角度出發(fā)，希望設計者可以直接由MCAD模型進入熱流分析的工作，故發(fā)展出具有全 方位功能的熱流分析軟件—CFesign。CFesign將設計模型與熱流分析于產(chǎn)品開發(fā)之流程上進行整合，通過與MCAD軟件的緊密整 合，改變一般人認為只有專家才會使用CFD軟件的刻板印象，通過CFDesign程序可解決多種 流體流動及傳熱問題，如：層流，紊流，內(nèi)流場，外流場，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，使得熱流特性對產(chǎn)品效能的影響，通過工程師 仿真分析與熱流工程師的密切合作，得以充分了解并改善。