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1、CFD軟件介紹李棟土木工程學(xué)院1.CFD軟件概述CFD軟件是計(jì)算流體力學(xué)（ComputationalfluidDynamics）軟件的簡(jiǎn)稱，是專門用來(lái)進(jìn)行流場(chǎng)分析、流場(chǎng)計(jì)算、流場(chǎng)預(yù)測(cè)的軟件。通過(guò)CFD軟件，可以分析并且顯示發(fā)生在流場(chǎng)中的現(xiàn)象，在比較短的時(shí)間內(nèi)，能預(yù)測(cè)模擬對(duì)象性能，并通過(guò)改變各種參數(shù)，達(dá)到最佳設(shè)計(jì)效果。CFD數(shù)值模擬，能使我們更加深刻地理解問(wèn)題產(chǎn)生的機(jī)理，為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)，節(jié)省實(shí)驗(yàn)所需的人力、物力和時(shí)間，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理和規(guī)律的得出起到很好的指導(dǎo)作用。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值模擬計(jì)算方法的日趨成熟，出現(xiàn)了基于現(xiàn)有
2、流體力學(xué)理論的商用CFD軟件。商用CFD軟件使許多不擅長(zhǎng)CFD的其它專業(yè)研究人員能夠輕松地進(jìn)行流動(dòng)數(shù)值計(jì)算，從而使研究人員從編制繁雜、重復(fù)性的程序中解放出來(lái)，以更多的精力投入到考慮所計(jì)算的流動(dòng)問(wèn)題的物理本質(zhì)、問(wèn)題的提法、邊界（初值）條件和計(jì)算結(jié)果的合理解釋等重要方面，這樣最佳地發(fā)揮了商用CFD軟件開(kāi)發(fā)人員和其它專業(yè)研究人員各自的智力優(yōu)勢(shì)，為解決實(shí)際工程問(wèn)題開(kāi)辟了道路。2.CFD軟件基本功能CFD不僅可以預(yù)測(cè)流體流動(dòng)性質(zhì)，還可以得到傳質(zhì)（如分離和溶解），傳熱（導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射），相變（如凝固和沸騰），化學(xué)反映（如燃燒和污染物生成），機(jī)械運(yùn)
3、動(dòng)（渦輪機(jī)），以及相關(guān)結(jié)構(gòu)的壓力和變形（如風(fēng)中桅桿的彎曲）等等性質(zhì)。CFD軟件通常有三種基本功能，分別著重用于：前端處理（Preprocessing）計(jì)算和結(jié)果數(shù)據(jù)生成（computeanresult）后處理(Postprocessing)前端處理通常要生成計(jì)算模型所必需的數(shù)據(jù)，這一過(guò)程通常包括建模、數(shù)據(jù)錄入（或者從cad中導(dǎo)入）、生成網(wǎng)格等；然后，CFD的核心運(yùn)算器（SOLVER）將根據(jù)具體模型完成計(jì)算任務(wù)，并生成結(jié)果數(shù)據(jù)；后處理過(guò)程通常是對(duì)生成的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和詮釋，一般以直觀可視的圖像或動(dòng)畫形式給出來(lái)。CFD處理工具有以下一些：用
4、于前處理：Gambit，T—grid，GridPro，GridGen，ICEMCFD等。用于計(jì)算分析：Fluend，F(xiàn)IDAP，POLYFLOW等。用于后處理：Ensight，IBMOpenVisualizationExplorer，F(xiàn)ieldView，AVS，origin，tecplot。特殊領(lǐng)域的應(yīng)用：Icepak，Airpak，Mixsim。3.使用CFD軟件基本原則要使用CFD，首先明確研究對(duì)象性質(zhì)，建立研究對(duì)象物理模型，并在此基礎(chǔ)上建立研究對(duì)象數(shù)學(xué)模型；然后將流體流動(dòng)的物理特性應(yīng)用到模擬計(jì)算模型；最后通過(guò)CFD軟件輸出所需的流體
5、性質(zhì)。使用CFD軟件，至少基于以下三點(diǎn)：通常很難模型化的系統(tǒng)，而CFD分析能夠展示別的手段所不能揭示的系統(tǒng)的性質(zhì)和現(xiàn)象，因?yàn)镃FD對(duì)你的設(shè)計(jì)提供很強(qiáng)的可視能力；一旦你給定你的問(wèn)題的參量，CFD能夠快速的給出你想要的結(jié)果；這樣你才有可能在很短的時(shí)間內(nèi)調(diào)整你設(shè)計(jì)的問(wèn)題的參數(shù)，得到最好的優(yōu)化結(jié)果；采用CFD是一種十分經(jīng)濟(jì)的做法。由于它的開(kāi)發(fā)周期短，因此能節(jié)省大量的人力物力，使產(chǎn)品能更快的進(jìn)入市場(chǎng)。4.目前最常用的CFD軟件分類4.1FLUENTFLUENT是目前國(guó)際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國(guó)的市場(chǎng)占有率為60%，跟流體、熱傳遞、化學(xué)反
6、應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、石油天然氣、渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。其在石油天然氣工業(yè)上的應(yīng)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、管道流體流動(dòng)等等。4.2CFXCFX是由英國(guó)AEA公司開(kāi)發(fā)，是一種實(shí)用流體工程分析工具，用于模擬流體流動(dòng)、傳熱、多相流、化學(xué)反應(yīng)、燃燒問(wèn)題。其優(yōu)勢(shì)在于處理流動(dòng)物理現(xiàn)象簡(jiǎn)單而幾何形狀復(fù)雜的問(wèn)題。適用于直角/柱面/旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，穩(wěn)態(tài)/非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，瞬態(tài)/滑移網(wǎng)格，不可壓縮/弱可壓縮/可壓縮流，浮力流，多相流
7、，非牛頓流體，化學(xué)反應(yīng)，燃燒，NOx生成，輻射，多孔介質(zhì)及混合傳熱過(guò)程。CFX采用有限元法，自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)控制，SIMPLE算法，代數(shù)多網(wǎng)格、ICCG、Line、Stone和BlockStone解法。能有效、精確地表達(dá)復(fù)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(gè)模塊內(nèi)，網(wǎng)格的生成可以確保迅速、可靠地進(jìn)行，這種多塊式網(wǎng)格允許擴(kuò)展和變形，例如計(jì)算氣缸中活塞的運(yùn)動(dòng)和自由表面的運(yùn)動(dòng)?；瑒?dòng)網(wǎng)格功能允許網(wǎng)格的各部分可以相對(duì)滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，這種功能可以用于計(jì)算牙輪鉆頭與井壁間流體的相互作用。4.3PHOENICSPhoenics是英國(guó)CHAM公
8、司開(kāi)發(fā)的模擬傳熱、流動(dòng)、反應(yīng)、燃燒過(guò)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(yùn)動(dòng)網(wǎng)格，但在其VR環(huán)境不可以）、多重網(wǎng)格、精密網(wǎng)格。可以對(duì)三維穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)
