《FLUENT 14.0超級學習手冊》——1.4 常用的商業CFD軟體

本節書摘來自異步社群《fluent 14.0超級學習手冊》一書中的第1章，第1.4節,作者： 唐家鵬 更多章節内容可以通路雲栖社群“異步社群”公衆号檢視。

fluent 14.0超級學習手冊

下面介紹近30年來，出現的較為著名的商業cfd軟體，包括phoenics、cfx、stsr-cd和fluent等。

1.4.1 phoenics軟體

phoenics是英國cham公司開發的模拟傳熱、流動、反應、燃燒過程的通用cfd軟體，有30多年的曆史。網格系統包括直角、圓柱、曲面（包括非正交和運動網格，但在其vr環境不可以）、多重網格、精密網格。

可以對三維穩态或非穩态的可壓縮流或不可壓縮流進行模拟，包括非牛頓流、多孔媒體中的流動，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内置了22種适合于各種re數場合的湍流模型，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個多相流模型和10多個差分格式。

phoenics的vr（虛拟現實）彩色圖形界面菜單系統是cfd軟體中前處理最友善的一個，可以直接讀入pro/engineer建立的模型（需轉換成stl格式），使複雜幾何體的生成更為友善，在邊界條件的定義方面也極為簡單，并且網格自動生成。但其缺點則是網格比較單一粗糙，不能細分複雜曲面或曲率小的地方的網格，即不能在vr環境裡采用貼體網格。

另外vr的後處理也不是很好。要進行更進階的分析則要采用指令格式進行，但這在易用性上比其他軟體就要差了。

另外，phoenics自帶了1 000多個例題與驗證題，附有完整的可讀可改的輸入檔案。其中就有cham公司做的一個pdc鑽頭的流場分析。phoenics的開放性很好，提供對軟體現有模型進行修改、增加新模型的功能和接口，可以用fortran語言進行二次開發。

1.4.2 star-cd軟體

star-cd的創始人之一gosman與phoenics的創始人spalding都是英國倫敦大學同一教研室的教授。star是simulation of turbulent flow in arbitrary region的縮寫，cd是computational dynamics ltd的縮寫。

star-cd是基于有限容積法的通用流體計算軟體，在網格生成方面，采用非結構化網格，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6種形狀的多面體，還可與cad、cae軟體接口，如ansys、ideas、nastran、patran、icemcfd、gridgen等，這是star-cd在适應複雜區域方面的特别優勢。

star-cd能處理移動網格，用于多級透平的計算，在差分格式方面，納入了一階迎風、二階迎風、cds、quick以及一階迎風與cds或quick的混合格式。

在壓力耦合方面采用simple、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，可計算穩态、非穩态、牛頓流體、非牛頓流體、多孔媒體、亞音速、超音速和多項流等問題。star-cd的強項在于汽車工業、汽車發動機内的流動和傳熱。

1.4.3 ansys cfx軟體

ansys cfx系列軟體是擁有世界級先進算法的成熟商業流體計算軟體。功能強大的前處理器、求解器和後處理子產品使得ansys cfx系列軟體的應用範圍遍及航空、航天、船舶、能源、石油化工、機械制造、汽車、生物技術、水處理、火災安全、冶金、環保等衆多領域。

ansys cfx軟體系列包括cfx solver、blade modeler、turbopre、turbopost、turbogrid等軟體，如圖1-15所示。

de signmodeler基于ansys的公共cae平台—workbench，提供了完全參數化的幾何生成、幾何修正、幾何簡化，以及概念模型的建立能力，它與workbench支援的所有cad軟體能夠直接雙向關聯。

cfx軟體提供了從網格到流體計算以及後處理的整體解決方案。核心子產品包括cfxme sh、cfxpre、cfxsolver和cfxpost 4個部分。其中cfxsolver是cfx軟體的求解器，是cfx軟體的核心，它的先進性和精确性主要展現在以下方面。

不同于大多數cfd軟體，cfxsolver采用基于有限元的有限體積法，在保證有限體積法守恒特性的基礎上，吸收了有限元法的數值精确性。

cfxsolver采用先進的全隐式耦合多網格線性求解，再加上自适應多網格技術，同等條件下比其他流體軟體快1～2個數量級。

cfxsolver支援真實流體、燃燒、化學反應和多相流等複雜的實體模型，這使得cfx軟體在航空工業、化學及過程工業領域有着非常廣泛的應用。

ansyscfx特别為旋轉機械定制了完整的軟體體系，向使用者提供從設計到cfd分析的一體化解決方案，是以，ansyscfx被公認為是全球最好的旋轉機械工程cfd軟體，被旋轉機械領域80%以上的企業選作動力分析和設計工具，包括ge、pratt&whitney、rollsge、rolls、rollspratt&rollsroy ce、we stinghouse、abb、sie mens、ce、voithhy cho等企業界巨頭。

ansyscfx包含的專用旋轉機械設計分析工具有blade modeller、turbogrid、turbopre和turbopost。

blade modeler：是互動式渦輪機械葉片設計軟體，使用者通過修改元件庫參數或完全依靠blade modeller中提供的工具設計各種旋轉和靜止葉片元件及新型葉片。軟體簡單實用，子產品豐富，具有自動化程度高和葉片幾何生成迅速的特點。

turbogrid：是專業的渦輪葉栅通道網格劃分軟體，使用者隻需提供葉片數目、葉片及輪毂和外罩的外形資料檔案。自動化程度高，網格生成迅速，生成網格品質高是它的優點。

turbopre：包含于cfxpre中，是專業的旋轉機械實體模型設定子產品，以旋轉機械的專業術語完成模型設定。

turbopost：包含于cfxpost中，是專用的旋轉機械問題模拟結果後處理子產品，可以自動生成子午面等專業視圖，同時提供效率、壓比和扭矩等旋轉機械性能參數。

1.4.4 ansys fluent軟體

fluent自1983年問世以來，就一直是cfd軟體技術的領先者，被廣泛應用于航空航天、旋轉機械、航海、石油化工、汽車、能源、計算機/電子、材料、冶金、生物、醫藥等領域，這使fluent公司成為占有最大市場佔有率的cfd軟體供應商。作為通用的cfd軟體，fluent可用于模拟從不可壓縮到高度可壓縮範圍内的複雜流動。

其代表性客戶包括美國宇航局（nasa）、國防部（dod）、能源部（doe）等政府部門以及bmw-rr、波音、福特、ge、三菱等企業。

關于ansys fluent軟體的相關介紹及詳細應用，請查閱後面章節。