计算流体力学的软件及其应用

计算流体力学的软件及其应用一.FLUENT部分1.1软件的构成从本质上讲，FLUENT只是个求解器．FLUENT本身提供的主要功能包括导入网格模型、提供计算的物理模型、施加边界条件和材料特性、求解和后处理．FLUENT支持的网格生成软件包括GAMBIT、TGrid、PrePDF、GeoMesh及其他CAD／CAE软件包．GAMBIT、TG—d、PrePDF、GeoMesh与FLUENT有着极好的相容性．TGrid可提供2D三角形网格、3D四面体网格、2D和3D杂交网格等．GAMBIT可生成供FLUENT直接使用的网格模型，也可将生成的网格传送给TGrid，由TGrid进一步处理后再传给FLUENT。PrePDF、GeoMesh是FLUENT在引入GAMBIT之前所使用的前处理器，现在PrePDF主要用于对某些燃烧问题进行建模，GeoMesh已基本被GAMBIT取代．而FLUENT提供了各类CAD／CAE软件包与GAMBIT的接口。1.2FLUENT适用的对象FLUENT广泛用于航空、汽车、透平机械、水利、电子、发电、建筑设计、材料加工、加工设备、环境保护等领域，以FLUENT6为例，其主要的模拟能力包括：1．用非结构自适应网格求解2D或3D区域内的流动；2．不可压或可压流动；3．稳态分析或瞬态分析；4．无粘、层流或湍流；5．牛顿流体或非牛顿流体；6．热、质量、动量、湍流和化学组分的体积源项模型；7．各种形式的热交换、如自然对流、强迫对流、混合对流、辐射热传导等；8．惯性(静IE)坐标系非惯性(旋转)坐标系模型；9．多重运动参考系，包括滑动网格界面、转子和定子相互的动静结合模型；10．化学组分的混合和反应模型，包括燃烧子模型和表面沉积反应模型；11．粒子、水滴、气泡等离散相的运动轨迹计算，与连续相的耦合计算；12．相变模型(如熔化或凝固)；13．多相流；14．空化流：15．多孔介质中的流动；16．用于风扇、泵及热交换器的集总参数模型；17．复杂外形的自由表面流动．1.3FLUENT使用的文件使用FLUENT时，涉及多种类型的文件，FLUENT读入的文件类型包括grid、case、data、profile、scheme及journal文件，输出的文件类型包括Case、data、profile、journal以及transcript等．FLUENT还可以保存当前窗口的布局以及保存图形窗口的硬拷贝．以下是FLUENT用到的主要文件类型．1．Grid(网格文件rash)：包含所有节点的坐标及节点之间的连接性信息，不包括边界条件、流动参数或者解的参数．Grid文件是由GAMBIT、Tgrid或者第三方CAD软件包生成的．从FLUENT的角度来看，Grid文件只是案例文件的子集．Grid文件是FLUENT中最基本的文件之一，是在开始CFD求解之前～定要准备的．2．case(案例文件cas)：包括网格、边界条件、解的参数、用户界面和图形环境的信息．这是FLUENT的基本文件之一，是核心文件．在将网格导入FLUENT后，便可选择FILE菜单中的相关命令生成该文件．一般来讲，用户只要保存这个文件，一个完整的CFD模型就已经掌握在自己手中．3．data(数据文件DAT)：包含每个网格单元的流场值以及收敛的历史记录(残筹值)．该文件是FLUENT中基本文件之一，用户可随时调用该文件来查看计算结果．1.4FLUENT求解步骤FLUENT是一个CFD求解器，在使用FLUENT进行求解之前，必须借助GAMBIT、Tgrid或其他CAD软件生成网格模型．再简单的问题，也必须借助这些软件生成网格．同使用任何CAE软件一样，在使用FLUENT前，首先应针对所有求解的物理问题，制订比较详细的求解方案．制订求解方案需要考虑的冈素包括以下几个方面．1．决定CFD模型目标．确定要从CFD模型中获得什么样结果，怎样使用这些结果，需要怎样的模型精度．2．选择计算模型．在这里要考虑怎样对物理系统进行抽象概括，计算域包括哪些区域，在模型计算域的边界上使用什么样的边界条件，模型按二维还是三维构造，什么样的网格拓扑结构最适应于该问题．3．选择物理模型．考虑该流动是有粘还是无粘，层流还是湍流，流动是稳态还是非稳态，热交换重要与否，流动是用可压还是不可压方式来处理，是否多相流动，是否需要应用其他物理模型．4．决定求解过程．在这个环节要确定该问题是否可以利用求解器现有的公式和算法直接求解，是否需要增加其他的参数(如构造新的源项)，是否有更好的求解方式可使求解过程更快速地收敛，使用多重网格方法计算机的内存是否够用，得到收敛解需要多长的时间．一旦考虑好上述各问题后(当然个别问题只能等到计算结束后才有明确答案)，就可开始进行CFD建模和求解．当决定了以上几点要素后，便可按下列过程开展流动模拟．(1)创建几何模型和网格模型(在GAMBIT或其他前处理软件中完成)；(2)启动FLUENT求解器；(3)导入网格模型；(4)检查网格模型是否存在问题；(5)选择求解器及运行环境；(6)决定计算模型，即是否考虑热交换，是否考虑枯性，是否存在多相流等；(7)设置材料特性；(8)设置边界条件；(9)调整用于控制求解的有关参数；(10)初始化流场；(11)开始求解；(12)显示求解结果；(13)保存求解结果；(14)如果必要，修改网格或计算模型，然后重复上述过程重新进行计算．简单用图形表示为：二．其他CFD软件（续1）2.1LS-DYNALS-DYNA是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。LS-DYNA是功能齐全的几何非线性（大位移、大转动和大应变）、材料非线性（140多种材料动态模型）和接触非线性（50多种）程序。它以Lagrange算法为主，兼有ALE和Euler算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流体-结构耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能（如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算）。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包，与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性，开创了显式算法的先河，被公认为显式算法的鼻祖。2.2FINENUMECA公司的软件－FINE系列软件，虽然市场化的较晚，但她是目前国际上最优秀的软件，她采用了近几年研发出的最先进技术，因此，无论在计算速度、计算精度、所需计算机内存、使用方便程度、界面友好程度等方面都优于其他软件（如：Fluent和Star-CD等）。所以，她引导着世界CFD软件发展的新潮流。其计算速度、精度和计算机内存需要量均比其它软件（如：Fluent、Tarsflow和Star-CD等优越，其优越程度使用过其它软件的用户非常惊讶。现在其它软件公司（在网格生成和核心求解器中）也逐渐开始采用类似于NUMECA的方法。她所研发并采用的其它技术和方法现也已被其它软件开发者逐步采用，因此，NUMECA公司领导着世界CFD软件发展的新潮流。过去几年，FINE系列软件被国际上普遍认为是叶轮机械等内部流动模拟分析的首选软件。但随着FINE/HEXA和HEXPRESS的推出，将使NUMECA的CFD软件在模拟外部流动（包括各种飞行器：飞机、火箭、卫星等；各种运输工具：汽车、机车船舶等；房屋建筑群，桥梁等）方面，也比其它软件有许多独特的优越性。另外，由于NUMECA软件自身的特点（高的速度，高的精度，低内存需求，以及使用方便等），她现在也是现代流体工程企业实现其设计、制造自动化体系的首选CFD软件。参考文献：[1]李波.FLUENT软件应用及算例分析,2009[2]韩占忠，王敬，兰小平．FLUENT——流体工程仿真计算实例与应用【M】．北京：北京理工大学出版社，2004．6[3]翟建华，计算流体力学（CFD）的通用软件，河北科技大学学报，2005160-165[4]姚征，陈康民，CFD软件综述，上海理工大学学报2002137-144