CFD通用軟件綜述

1、歡迎訪問Freekaoyan論文站CFD通用軟件綜述歡迎訪問Freekaoyan論文站    歡迎訪問Freekaoyan論文站    計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)是20世紀(jì)60年代起伴隨計算機技術(shù)迅速崛起的學(xué)科。經(jīng)過半個世紀(jì)的迅猛發(fā)展，這門學(xué)科己相當(dāng)成熟，成熟的一個重要標(biāo)志是近十幾年來，各種CFD通用性軟件包陸續(xù)出現(xiàn)，成為商品化軟件，為工業(yè)界廣泛接受，性能日趨完善，應(yīng)用范圍不斷擴大。至今，CFD技術(shù)的應(yīng)用早己超越傳統(tǒng)的流體力學(xué)和流體工程的范疇，如航空、航天、

2、船舶、動力、水利等，而擴展到化工、核能、冶金、建筑、環(huán)境等許多相關(guān)領(lǐng)域中去了。    CFD通用軟件包的出現(xiàn)與商業(yè)化，對CFD技術(shù)在工程應(yīng)用中的推廣起了巨大的促進(jìn)作用。在此之前，航空和航天工程一直較重視CFD技術(shù)，并早已研制出用于氣動設(shè)計的專業(yè)性應(yīng)用軟件包。但在其他方面，主要還是在學(xué)術(shù)范圍內(nèi)開展研究工作，真正在工程設(shè)計中實際應(yīng)用并不多。顯然，CFD技術(shù)艱深的理論背景與流體力學(xué)問題的復(fù)雜多變阻礙了它向工業(yè)界推廣。一般工程技術(shù)人員很難較深入地了解這門學(xué)科，由專家編制的程序用起來也不容易，因為總有不少條件、參數(shù)要根據(jù)具體問題以及運算過程隨時做出修改調(diào)整，若不熟

3、悉方法和程序，往往會束手無策，此外，前、后處理也顯得十分棘手。CFD研究成果與實際應(yīng)用的結(jié)合成為極大難題，這一切曾使人們對CFD的工程應(yīng)用前景產(chǎn)生疑慮。在此情況下，通用軟件包應(yīng)運而生。一般認(rèn)為是Spalding主持的英國CHAM公司跨出了第一步，Spalding與Patankar提出的SIMPLE算法(半隱式壓力校正解法)在70年代己被廣泛用于熱流問題求解，CHAM公司在80年代初以該方法為基礎(chǔ)推出了計算流體力學(xué)與傳熱學(xué)的商業(yè)化軟件-PHOENICS的早期版本。這是CFD通用軟件包的雛型，具有一定通用性，盡管功能還很不完備，但問世后很受歡迎。于是，在其版本不斷更新的同時，新的通用軟件，如FLU

4、ENT、STAR-CD與CFX等也相繼問世，這些軟件十分重視商業(yè)化的要求，致力于工程實際應(yīng)用，并在前、后處理，人機對話等方面下大功夫，從而被工業(yè)界所認(rèn)識和接受，為CFD技術(shù)打開了廣闊的應(yīng)用前景。進(jìn)入90年代，更多的商業(yè)化CFD應(yīng)用軟件如雨后春筍般出現(xiàn)，涉及范圍越來越廣。CFD通用軟件以其模擬復(fù)雜流動現(xiàn)象的強大功能、人機對話式的界面操作以及直觀清晰的流場顯示引起了人們的廣泛關(guān)注，其發(fā)展在西方國家得到工業(yè)界和政府部門的有力支持。90年代后期，在工程技術(shù)界還曾出現(xiàn)推廣學(xué)習(xí)CFD技術(shù)的熱潮。這標(biāo)志著CFD技術(shù)終于成功走出學(xué)術(shù)研究的象牙之塔，成為工程設(shè)計的重要手段。   &

5、#160;計算流體力學(xué)在20世紀(jì)80年代左右取得了不少重大進(jìn)展。在高速可壓縮流動方面，基于總變差減小(Total Variation Diminishing，TVD)與矢通量分裂(Flux Vector Splitting)、通量差分分裂(Flux Difference Splitting)等方法的高精致格式(High Resolution Scheme)終于較好地解決了流體力學(xué)的一大難題跨、超音速計算的激波精確捕獲。而采用傳統(tǒng)的人工黏性方法的Jameson格式等在這方面也取得很大的成功。多層網(wǎng)格與殘差光順(Resisual Smoothing)等加速收斂技術(shù)有效地減少了三維流動模擬的巨大計算

6、工作量。而在低速不可壓流動方面，利用人工可壓縮性方法與壓力校正法等對納維爾-斯托克斯方程組的直接求解取代了局限性很大的流函數(shù)-渦量法等傳統(tǒng)解法，從而也促進(jìn)CFD技術(shù)向流體傳熱、多相流、燃燒與化學(xué)反應(yīng)流等領(lǐng)域迅速擴展與深入。這些進(jìn)展為通用軟件的發(fā)展奠定了良好的理論基礎(chǔ)。    受種種條件、因素的限制與影響，CFD通用軟件在我國的引進(jìn)推廣比較晚，直到最近幾年才有較大起色。在很長一段時間內(nèi)，只有極少數(shù)研究單位和大型企業(yè)引進(jìn)正規(guī)CFD軟件，人們接觸較多的是PHOENICS的早期版本(基本上是免費的)，雖有一些CFD軟件公司曾在我國找過代理，舉辦過產(chǎn)品介紹會，但收

7、效甚微。著名軟件“CFX”于1995年在我國設(shè)立代理，并成功地發(fā)展了一批用戶，是進(jìn)入較早的一個CFD通用軟件;自1997起，PHOENICS以其較低廉的價格、較高的性價比以及代理商的成功促銷發(fā)展了不少國內(nèi)用戶。PHOENICS和CFX使很多人對CFD通用軟件包的特點與功能有了初步認(rèn)識。1998年，全球市場占有率最高的CFD軟件FLURENT在北京設(shè)立代理公司，正式進(jìn)入中國市場，并迅速取得良好的銷售業(yè)績。STAR-CD、NUMECA(FINE)等著名軟件也先后在中國設(shè)立代理，發(fā)展用戶，于是國內(nèi)出現(xiàn)了CFD軟件群雄逐鹿的局面。    由于CFD軟件是專業(yè)性很

8、強的高科技產(chǎn)品，很多用戶，尤其是工業(yè)界用戶，對其性能特點和技術(shù)背景了解很少，即便是從事流體力學(xué)工作的人，如對數(shù)值模擬缺乏了解，對CFD軟件的認(rèn)識也比較模糊。隨著CFD通用軟件的推廣，其用戶與潛在用戶在迅速增加，不少人迫切希望對CFD軟件有個較全面的了解。然而盡管CFD方面的著作與論文相當(dāng)豐富，但很少涉及對CFD應(yīng)用軟件的介紹和評論。各軟件公司在宣傳材料與產(chǎn)品發(fā)布會上提供的信息往往流于表面，且難免有自我標(biāo)榜之嫌。筆者曾參加NUMECA軟件的研制，近年來經(jīng)常用PH0ENICS做模擬計算，對其他軟件也一直很關(guān)心，本文將根據(jù)筆者所了解的情況及有關(guān)資料對CFD通用軟件共同的特點、軟件的離散格式與解法、湍

9、流模型與網(wǎng)格生成等方面，以及國內(nèi)市場的主要CFD通用軟件概況作一個綜合介紹。1 CFD通用軟件的主要特點    各種CFD通用軟件的數(shù)學(xué)模型的組成都是以納維-斯托克斯方程組與各種湍流模型為主體，再加上多相流模型、燃燒與化學(xué)反應(yīng)流模型、自由面流模型以及非牛頓流體模型等。大多數(shù)附加的模型是在主體方程組上補充一些附加源項、附加輸運方程與關(guān)系式。隨著應(yīng)用范圍的不斷擴大和新方法的出現(xiàn)，新的模型也在增加。    離散方法采用有限體積法(FVM)或有限元素法(FEM)。由于有限體積法繼承了有限差分法的豐富格式，具有良好的守恒性，

10、能像有限元素法那樣采用各種形狀的網(wǎng)格以適應(yīng)復(fù)雜的邊界幾何形狀，卻比有限元素法簡便得多，因此，現(xiàn)在大多數(shù)CFD軟件都采用有限體積法。然而，有限元素法也有其優(yōu)點，它對高階導(dǎo)數(shù)的離散精度高于有限體積法，低速黏性流動與非牛頓流體運動采用有限元素法可以提高精度。有限元素法也更適合流體力學(xué)與固體力學(xué)相耦合的問題，如氣動彈性、振動噪聲等，因此在CFD方法中將有其自己的領(lǐng)域。目前國內(nèi)銷售的CFD通用軟件PHOENICS、FLUENT、STAR-CD、CFX-TASCflow和NUMECA等都采用有限體積法。而以固體力學(xué)計算為主的著名有限元軟件ANSYS中包含著流體力學(xué)計算模塊，適于合流固耦合計算。國外著名的C

11、FD有限元軟件還有適合非牛頓流體計算的POLYFLOW以及具有較強通用性的熱流計算軟件FIDAP、FLOTRAN、TURB、N3S等(POLYFLOW與FIDAP軟件己在1997年為FLUENT公司收購)。    為了體現(xiàn)通用性，CFD通用軟件應(yīng)能適應(yīng)從低速到高超音速的寬廣速度范圍。然而跨、超音速流動計算涉及激波的精確捕獲，對離散格式精度要求甚高，難度較大。由于跨、超音速流動主要存在于各種飛行器、高速旋轉(zhuǎn)葉輪機械以及高速噴管、閥門等，在其他工程應(yīng)用中很少出現(xiàn)，所以有些主要面向低速流動的CFD通用軟件在高速流動方面功能比較弱。  

12、60; 由于從納維爾-斯托克斯方程組出發(fā)，因此內(nèi)流與外流、旋轉(zhuǎn)與非旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的差別只是反映在邊界條件與源項的設(shè)置上。    三維流動數(shù)值模擬的計算量巨大，所以CFD通用軟件盡可能采用各種加速收斂技術(shù)，如多層網(wǎng)格法、殘差光順法與當(dāng)?shù)貢r間步長法等來加快收斂。并且利用平行計算法緩解單機容量不足與計算時間過長的困難。    為了方便用戶，有針對性地設(shè)置各種專用模塊。如PHOENICS中模擬建筑物暖通空調(diào)的FLAIR模塊，CFX-TASCf1ow與NUMECA中模擬葉輪機械旋轉(zhuǎn)流動的模塊等。FLURENT公司更是針對

13、不同的應(yīng)用發(fā)行了多種專用版，如模擬攪拌現(xiàn)象的MIXSIM軟件，模擬暖通空調(diào)的AIRPAK軟件等。專用模塊與專用版本使這些復(fù)雜流動計算中繁冗的網(wǎng)格生成和邊界條件設(shè)置等工作得到很大程度減輕，而且提供計算結(jié)果分析處理的輔助工具，是吸引工業(yè)用戶的重要途徑。    CFD軟件都配有網(wǎng)格生成(前處理)與流動顯示(后處理)模塊。網(wǎng)格生成質(zhì)量對計算精度與穩(wěn)定性影響極大，然而在幾何形狀復(fù)雜的區(qū)域上要生成好網(wǎng)格也是相當(dāng)困難的，所以網(wǎng)格生成能力的強弱也是衡量CFD通用軟件性能的一個重要因素。網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)型和非結(jié)構(gòu)型兩大類，目前廣泛采用的仍是結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格。對于較復(fù)雜的求解域，構(gòu)造

14、結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格時要根據(jù)其拓?fù)湫再|(zhì)分成若干子域，各子域間采用分區(qū)對接或分區(qū)重疊技術(shù)來連接?，F(xiàn)在CFD通用軟件都已能夠借助CAD軟件對流場幾何形狀建模輸入，但生成結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格仍是件相當(dāng)費時費力的工作。CFD軟件設(shè)置的各種專用模塊有個很重要的作用，就是提供網(wǎng)格自動生成功能，如CFX-TASCflow與NUMECA的葉輪機械模塊都能按用戶提供的幾何參數(shù)自動生成單級或多級葉輪的三維網(wǎng)格。另一方面，由于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格不受求解域的拓破結(jié)構(gòu)與邊界形狀限制，構(gòu)造起來方便得多，而且便于生成自適應(yīng)網(wǎng)格，能根據(jù)流場特征自動調(diào)整網(wǎng)格密度，對提高局部區(qū)域計算精度十分有利。然而，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格所需內(nèi)存量和計算工作量都比結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格大很多，有些流場解法和模型不適用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如目前常用的一些代數(shù)湍流模型和壁面函數(shù)等就有這樣的問題;此外，多層網(wǎng)格技術(shù)用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格也有較多困難。因此，兩者結(jié)合的復(fù)合型網(wǎng)格是網(wǎng)格生成技術(shù)的發(fā)展方向。由于網(wǎng)格類型與流場計算方法關(guān)系密切，把結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格的CFD軟件改變?yōu)榉墙Y(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，其流場計算模塊也需作大量修改，直至重新編制。目前，F(xiàn)LUREN