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CFD软件介绍李栋土木工程学院1.CFD软件概述CFD软件是计算流体力学（ComputationalfluidDynamics）软件的简称，是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。通过CFD软件，可以分析并且显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内，能预测模拟对象性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。CFD数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题产生的机理，为实验提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用。随着计算机硬件和软件技术的发展和数值模拟计算方法的日趋成熟，出现了基于现有流体力学理论的商用CFD软件。商用CFD软件使许多不擅长CFD的其它专业研究人员能够轻松地进行流动数值计算，从而使研究人员从编制繁杂、重复性的程序中解放出来，以更多的精力投入到考虑所计算的流动问题的物理本质、问题的提法、边界（初值）条件和计算结果的合理解释等重要方面，这样最佳地发挥了商用CFD软件开发人员和其它专业研究人员各自的智力优势，为解决实际工程问题开辟了道路。2.CFD软件基本功能CFD不仅可以预测流体流动性质，还可以得到传质（如分离和溶解），传热（导热、对流和热辐射），相变（如凝固和沸腾），化学反映（如燃烧和污染物生成），机械运动（涡轮机），以及相关结构的压力和变形（如风中桅杆的弯曲）等等性质。CFD软件通常有三种基本功能，分别着重用于：前端处理（Preprocessing）计算和结果数据生成（computeanresult）后处理(Postprocessing)前端处理通常要生成计算模型所必需的数据，这一过程通常包括建模、数据录入（或者从cad中导入）、生成网格等；然后，CFD的核心运算器（SOLVER）将根据具体模型完成计算任务，并生成结果数据；后处理过程通常是对生成的结果数据进行组织和诠释，一般以直观可视的图像或动画形式给出来。CFD处理工具有以下一些：用于前处理：Gambit，T—grid，GridPro，GridGen，ICEMCFD等。用于计算分析：Fluend，FIDAP，POLYFLOW等。用于后处理：Ensight，IBMOpenVisualizationExplorer，FieldView，AVS，origin，tecplot。特殊领域的应用：Icepak，Airpak，Mixsim。3.使用CFD软件基本原则要使用CFD，首先明确研究对象性质，建立研究对象物理模型，并在此基础上建立研究对象数学模型；然后将流体流动的物理特性应用到模拟计算模型；最后通过CFD软件输出所需的流体性质。使用CFD软件，至少基于以下三点：通常很难模型化的系统，而CFD分析能够展示别的手段所不能揭示的系统的性质和现象，因为CFD对你的设计提供很强的可视能力；一旦你给定你的问题的参量，CFD能够快速的给出你想要的结果；这样你才有可能在很短的时间内调整你设计的问题的参数，得到最好的优化结果；采用CFD是一种十分经济的做法。由于它的开发周期短，因此能节省大量的人力物力，使产品能更快的进入市场。4.目前最常用的CFD软件分类4.1FLUENTFLUENT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%，跟流体、热传递、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、管道流体流动等等。4.2CFXCFX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，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、ICCG、Line、Stone和BlockStone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。4.3PHOENICSPhoenics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），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。另外VR的后处理也不是很好。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。4.4STAR-CDSTAR-Cd是SimulationofTurbulentflowinArbitraryRegion的缩写，CD是computationalDynamicsLtd。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，可与CAD、CAE软件接口，如ANSYS，IDEAS，NASTRAN，PATRAN，ICEMCFD，GRIDGEN等，这使STAR-CD在适应复杂区域方面的特别优势。STAR－cd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SIMPLE，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－cd的强项在于汽车工业，汽车发动机内的流动和传热。5.前景预测CFD软件功能强大，应用十分的广泛。在航天航空，环境污染，生物医学，电子技术等等各个领域，它们发挥了巨大的作用，世界上有越来越多的科研人员更倾向于使用这些软件来完成自己的设计。在国内各大著名高校，CFD软件应用非常广泛。在我们学校，随着我们学习CFD软件的深入，将会越来越多的同学投入到应用CFD软件进行科研中。