《ANSYS CFX 14.0超級學習手冊》——1.4 CFD軟體結構及常用的CFD軟體

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

ansys cfx 14.0超級學習手冊

cfd商用軟體往往将複雜的cfd過程繼承，通過一定的接口，讓使用者快速地輸入問題的有關參數。

1.4.1　cfd軟體結構

所有的cfd商用軟體均包括三個基本環節：前處理、求解和後處理，與之對應的程式子產品常簡稱為前處理器、求解器和後處理器。

1．前處理器

前處理器用于完成前處理的工作。前處理環節是向cfd軟體輸入所求問題的相關資料，該過程一般是借助與求解器相對應的對話框等圖形界面完成的。在前處理階段使用者進行以下工作。

（1）定義所求問題的幾何計算域。

（2）将計算域劃分成多個互不重疊的子區域，形成由單元組成的網格。

（3）對所要研究的實體和化學現象進行抽象，選擇相應的控制方程。

（4）定義流體的屬性參數。

（5）為計算域邊界處的單元指定邊界條件。

（6）對于瞬态問題，指定初始條件。

流動問題的解是在單元内部的節點上定義的，解的精度由網格中單元的數量所決定。一般來說，單元越多，尺寸越小，所得到的解的精度越高，但是所需要的計算機記憶體資源及cpu時間也相應增加。

為提高計算精度，在實體量梯度較大的區域，以及我們感興趣的區域，往往要加密計算網格。在前處理階段生成計算網格時，關鍵是要把握好計算精度與計算成本之間的平衡。

目前在使用商用cfd軟體進行cfd計算時，有超過50%的時間花在幾何區域的定義及計算網格的生成上。

可以使用cfd軟體自身的前處理器來生成幾何模型，也可以借用其他商用cfd或cad/cae軟體提供的幾何模型，另外，指定流體參數的任務也是在前處理階段完成的。

2．求解器

求解器的核心是數值求解方案。常用的數值求解方案包括有限差分、有限元、譜方法和有限體積法，總體上講，這些方法的求解過程大緻相同，包括以下步驟。

（1）借助簡單函數來近似待求的流動變量。

（2）将該近似關系帶入連續性的控制方程中，形成離散方程組。

（3）求解代數方程組。

各種數值求解方案的主要差别在于流動變量被近似的方式及相應的離散化過程，前面已做介紹，這裡不再贅述。

3．後處理器

後處理的目的是有效地觀察和分析流動計算結果。随着計算機圖形功能的提高，目前的cfd軟體均配備了後處理器，提供了較為完善的後處理功能，具體包括以下部分。

（1）計算域的幾何模型及網格顯示；

（2）矢量圖（如速度矢量線）；

（3）等值線圖；

（4）填充性的等值線圖（雲圖）；

（5）xy散點圖；

（6）粒子軌迹圖；

（7）圖像處理功能（平移、縮放、旋轉等）。

借助後處理功能，還可動态模拟流動效果，直覺地了解cfd的計算結果。

1.4.2　常用的cfd軟體

本節将介紹30多年來，出現的較為著名的商業cfd軟體，包括phoenics、star-cd、cfx、fluent等，這些軟體的顯著特點如下。

（1）功能比較全面、适用性強，幾乎可以求解工程界中的各種複雜問題。

（2）具有比較好用的前後處理系統和與其他cad及cfd軟體的接口能力，便于使用者快速完成造型、網格劃分等工作，同時還可以讓使用者擴充自己的開發子產品。

（3）具有比較完備的容錯機制和操作界面，穩定性高。

（4）可在多種計算機、多種作業系統，包括并行環境下運作。

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，并且可以考慮黏度、密度、溫度變化的影響。

在流體模型上面，phoenics内置了22種适合于各種雷諾數場合的湍流模型，包括雷諾應力模型、多流體湍流模型和通量模型及k-ε模型的各種變異，共計21個湍流模型、8個多相流模型，十多個差分格式。

phoenics的vr（虛拟現實）彩色圖形界面菜單系統是這幾個cfd軟體裡前處理最友善的一個，可以直接讀入pro/e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，針對複雜曲面或曲率小的地方的網格不能細分，也就是說不能在vr環境裡采用貼體網格。

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1000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。

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。

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六種形狀的多面體，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-ε、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，如汽車發動機内的流動和傳熱。

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。

cfx提供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cfx-pre、cfx-solver和cfx-post幾個部分。其中cfx-solver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三方面。

（1）不同于大多數cfd軟體，cfx-solver采用基于有限元的有限體積法，在保證有限體積法的守恒特性基礎上，吸收了有限元法的數值精确性。

（2）cfx-solver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。

（3）cfx-solver支援真實流體、燃燒、化學反應和多相流等複雜的實體模型，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。

ansys cfx特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cfx被全球公認為最好的旋轉機械工程cfd軟體，旋轉機械領域80%以上的企業将其選作動力分析和設計工具，包括ge、pratt & whitney、rollsge、abb、siemens、ce等企業界巨擎。

ansys cfx包含的專用旋轉機械設計分析工具有blade modeler、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 modeler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，所需使用者提供的隻是葉片數目、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cfx-pre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cfx-post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。

4．ansys fluent軟體

自1983年問世以來，fluent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，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。

由于采用了多種求解方法和多重網格加速收斂技術，因而fluent能達到最佳的收斂速度和求解精度；靈活的非結構化網格和基于解的自适應網格技術及豐富的實體模型，使fluent在轉捩與湍流、傳熱與相變、化學反應與燃燒、多相流、旋轉機械、動/變形網格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應用。

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

2006年5月，fluent成為全球最大的cae軟體供應商—ansys大家庭中的重要成員。所有的fluent軟體将被內建在ansys workbench環境下，共享先進的ansys公共cae技術。