本節書摘來自異步社區《FLUENT 14流場分析自學手冊》一書中的第2章，第2.1節，作者：張惠 , 康士廷著，更多章節內容可以訪問云棲社區“異步社區”公眾號查看

第2章 流體流動分析軟件概述

2.1 CFD軟件簡介

FLUENT 14流場分析自學手冊
計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）是20世紀60年代起伴隨計算機技術迅速崛起的一門新型獨立學科。它建立在流體動力學以及數值計算方法的基礎上，以研究物理問題為目的，通過計算機數值計算和圖像顯示方法，在時間和空間上定量地描述流場數值解。

經過半個世紀的迅猛發展，各種CFD通用性軟件包陸續出現，成為解決各種流體流動與傳熱問題強有力的工具，并作為一種商品化軟件為工業界廣泛接受。隨著其性能日趨完善以及應用范圍的不斷擴大，如今CFD技術早己超越了傳統的流體機械與流體工程等應用范疇，被成功應用于如航空、航運、海洋、環境、水利、食品、化工、核能、冶金和建筑等各種科學技術領域。

CFD通用軟件包的出現與商業化，對CFD技術在工程應用中的推廣起了巨大的促進作用。但由于CFD依賴于系統的流體動力學知識和較深入的數理基礎，其艱深的理論背景與流體力學問題的復雜多變成為了它向工業界推廣的阻礙。如何將CFD研究成果與實際應用相結合成為極大難題。在此情況下，通用軟件包應運而生。英國CHAM公司的Spalding與Patankar在20世紀70年代提出了SIMPLE算法（半隱式壓力校正解法），在20世紀80年代初以該方法為基礎推出了計算流體力學與傳熱學的商業化軟件PHOENICS的早期版本。在其版本不斷更新的同時，新的通用軟件，如FLUENT、STAR-CD與CFX等也相繼問世。這些軟件十分重視商業化的要求，致力于工程實際應用，并在前、后處理人機對話等方面成績卓越，從而被工業界所認識和接受。進入20世紀90年代，更多的商業化CFD應用軟件如雨后春筍般出現，涉及范圍越來越廣。CFD通用軟件以其模擬復雜流動現象的強大功能、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注。

2.1.1 CFD軟件結構
各種CFD通用軟件的數學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、燃燒與化學反應流模型、自由面流模型以及非牛頓流體模型等。大多數附加的模型是在主體方程組上補充一些附加源項、附加輸運方程與關系式。隨著應用范圍的不斷擴大和新方法的出現，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，能像有限元素法那樣采用各種形狀的網格以適應復雜的邊界幾何形狀，卻比有限元素法簡便得多。因此，現在大多數CFD軟件都采用有限體積法。

CFD通用軟件應能適應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、高速旋轉葉輪機械以及高速噴管、閥門等，在其他工程應用中很少出現，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。

CFD軟件的流動顯示模塊都具有三維顯示功能，可以展現各種流動特性，有的還能以動畫形式演示非定常過程。

為方便用戶使用CFD軟件處理不同類型的工程問題，一般的CFD商用軟件往往將復雜的CFD過程集成，通過一定的接口，讓用戶快速地輸入問題的有關參數。所有的商用CFD軟件均包括3個基本環節，即前處理、求解和后處理。與之對應的程序模塊常簡稱前處理器、求解器和后處理器。以下簡要講解這3個程序模塊。

1．前處理器
前處理器（preprocessor）用于完成前處理工作。前處理環節是向CFD軟件輸入所求問題的相關數據，該過程一般是借助與求解器相對應的對話框等圖形界面來完成的。在前處理階段需要用戶進行以下工作。

定義所求問題的幾何計算域。
將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。
對所要研究的物理和化學現象進行抽象，選擇相應的控制方程。
定義流體的屬性參數。
為計算域邊界處的單元指定邊界條件。
對于瞬態問題，指定初始條件。
流動問題的解是在單元內部的節點上定義的，精度由網格中單元的數量決定。一般單元越多、尺寸越小，所得到解的精度越高，但所需要的計算機內存資源及CPU時間也相應增加。為了提高計算精度，在物理量梯度較大的區域，以及感興趣的區域，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軟件進行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。使用CFD軟件自身的前處理器可以生成幾何模型，也可以借用其他商用CFD或CAD/CAE軟件（如PATRAN、ANSYS、I-DEAS和Pro/Engineer協助提供的幾何模型。此外，指定流體參數的任務也是在前處理階段進行的。

2．求解器
求解器（solver）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、譜元法和有限體積法等。總體上講，這些方法的求解過程大致相同，包括以下步驟。

（1）借助簡單函數來近似待求的流動變量。

（2）將該近似關系代入連續型的控制方程中，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別在于流動變量被近似的方式及相應的離散化過程。

3．后處理器
后處理的目的是有效地觀察和分析流動計算結果。隨著計算機圖形功能的提高，目前的CFD軟件均配備了后處理（postprocessor），提供了較為完善的后處理功能，包括：

計算域的幾何模型及網格顯示。
矢量圖（如速度矢量線）。
等值線圖。
填充型的等值線圖（云圖）。
XY散點圖。
粒子軌跡圖。
圖像處理功能（平移、縮放、旋轉等）。
借助后處理功能，還可以動態模擬流動效果，直觀地了解CFD的計算結果。

2.1.2 CFD基本模型
流體流動所遵循的物理定律，是建立流體運動基本方程組的依據。這些定律主要包括質量守恒、動量守恒、動量矩守恒、能量守恒、熱力學第二定律，加上狀態方程、本構方程。在實際計算時，還要考慮不同的流態，如層流與湍流。湍流模型是CFD軟件的主要組成部分之一。通用CFD軟件都配有各種層次的湍流模型，通常可分為3類，第一類是湍流輸運系數模型，即將速度脈動的二階關聯量表示成平均速度梯度與湍流黏性系數的乘積，用笛卡兒張量表示為：

模型的任務就是給出計算湍流黏性系數μi的方法。根據建立模型所需要的微分方程的數目，可以分為零方程模型（代數方程模型）、單方程模型和雙方程模型。

第二類是拋棄了湍流輸運系數的概念，直接建立湍流應力和其他二階關聯量的輸運方程。

第三類是大渦模擬。前兩類是以湍流的統計結構為基礎，對所有渦旋進行統計平均。大渦模擬把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，通過求解三維經過修正的Navier-StOKes方程（簡稱N-S方程），得到大渦旋的運動特性，而對小渦旋運動還采用上述的模型。

1．系統與控制體
在流體力學中，系統是指某一確定流體質點集合的總體。系統以外的環境稱為外界。分隔系統與外界的界面，稱為系統的邊界。系統通常是研究的對象，外界則用來區別于系統。系統將隨系統內質點一起運動，系統內的質點始終包含在系統內，系統邊界的形狀和所圍空間的大小可隨運動而變化。系統與外界無質量交換，但可以有力的相互作用，及能量（熱和功）的交換。

控制體是指在流體所在的空間中，以假想或真實流體邊界包圍，固定不動形狀任意的空間體積。包圍這個空間體積的邊界面，稱為控制面。控制體的形狀與大小不變，并相對于某坐標系固定不動。控制體內的流體質點組成并非不變的。控制體既可通過控制面與外界有質量和能量交換，也可與控制體外的環境有力的相互作用。

2．質量守恒方程（連續性方程）
在流場中，流體通過控制面A__1流入控制體，同時也會通過另一部分控制面A__2流出控制體，在這期間控制體內部的流體質量也會發生變化。按照質量守恒定律，流入的質量與流出的質量之差，應該等于控制體內部流體質量的增量，由此可導出流體流動連續性方程的積分形式為：

式中，V表示控制體，A表示控制面。等式左邊第一項表示控制體V內部質量的增量；第二項表示通過控制表面流入控制體的凈通量。

根據數學中的奧-高公式，在直角坐標系下可將其化為微分形式：

對于不可壓縮均質流體，密度為常數，則：

對于圓柱坐標系，其形式為：

對于不可壓縮均質流體，密度為常數，則：

3．動量守恒方程（運動方程）
動量守恒是流體運動時應遵循的另一個普遍定律，描述為在一給定的流體系統，其動量的時間變化率等于作用于其上的外力總和，其數學表達式即為動量守恒方程，也稱為運動方程或N-S方程，其微分形式表達如下：

式中，F bz、F by、F yz分別是單位質量流體上的質量力在3個方向上的分量，p yx是流體內應力張量的分量。

動量守恒方程在實際應用中有許多表達形式，其中比較常見的有如下幾種。

（1） 可壓縮黏性流體的動量守恒方程：

（2） 常黏性流體的動量守恒方程：

（3） 常密度常黏性流體的動量守恒方程：

（4） 無黏性流體的動量守恒方程（歐拉方程）：

（5） 靜力學方程：

（6） 相對運動方程：

在非慣性參考系中的相對運動方程是研究像大氣、海洋及旋轉系統中流體運動所必須考慮的。由理論力學得知，絕對速度v a為相對速度v τ及牽連速度v c之和，即v a=v τ+v c，其中，v c=v 0+Ω×r，v 0為運動系中的平動速度，Ω是其轉動角速度，r為質點矢徑。

而絕對加速度a a為相對加速度a r、牽連加速度a e及科氏加速度a c之和，即：

將絕對加速度代入運動方程，即可得到流體的相對運動方程：

4．能量守恒方程
將熱力學第一定律應用于流體運動，把方程式（2-14）各項用有關的流體物理量表示出來，即是能量方程，如下所示。

式中：；k eff是有效熱傳導系數，，其中k t是湍流熱傳導系數，根據所使用的湍流模型來定義；C是組分j的擴散流量；S h包括了化學反應熱以及其他用戶定義的體積熱源項；方程右邊的前3項分別描述了熱傳導、組分擴散和黏性耗散帶來的能量輸運。

在實際計算時，還要考慮不同的流態，如層流與湍流。在下面的章節中將會詳細講解湍流模型。

2.1.3 常用的CFD商用軟件
自20世紀80年代以來，出現了一系列的CFD通用軟件，如PHOENICS、FLUENT、STAR-CD、CFX-TASCflow和NUMECA等。PHOENICS軟件是最早推出的CFD通用軟件，FLUENT、STAR-CD與CFX-TASCflow是目前國際市場上主流軟件，而NUMECA則使CFD通用軟件的應用普及更上一層樓。這些軟件通常具有如下顯著特點。

應用范圍廣，適用性強，幾乎可以處理工程界各種復雜的問題。
前后處理系統以及與其他CAD、CFD軟件的接口能力比較簡單易用，便于用戶快速完成造型、網絡化分等工作。同時，用戶還可以根據個人需要擴展自己的開發模塊。
具有較完善的容錯機制和操作界面，穩定性較高。
可在多種計算機操作系統以及并行環境下運行。
1．PHOENICS軟件
PHOENICS（Parabolic Hyperbolic or Elliptic Numerical Integration Code Series）軟件是世界上第一套計算流體動力學與傳熱學的商用軟件，由CFD著名學者D.B.Spalding和S.V.Patankar等提出，以低速熱流輸運現象為主要模擬對象，目前主要由Concentration Heat and Momentum Limited（CHAM）公司開發。除了CFD軟件的基本特征之外，PHOENICS軟件還具有自己獨特的功能：

開放性。這個軟件附帶了從簡到繁的大量范例，一般的工程應用問題幾乎都可以從中找到相近內容，再做一些修改就可計算用戶的課題，所以能給用戶帶來極大方便。
多種模型選擇。PHOENICS包含的湍流模型、多相流模型、燃燒與化學反應模型等相當豐富，其中有不少原創性的成分，如將湍流與層流成分假設為兩種流體的雙流體湍流模型MFM、專為組件雜陣的狹小空間（如計算機箱體）內的流動和傳熱計算而設計的代數湍流模型LVEL等。
多種模塊選擇。PHOENICS提供了多種專用模塊，用于特定領域的分析計算。如暖通空調計算模塊FLAIR被廣泛應用在小區規劃設計以及高大空間建筑的設計模擬；英國集成環境公司（IES）的虛擬環境軟件，就用來模擬局部空間的熱流現象。
雙重算法選擇。可采用歐拉算法和基于粒子運動軌跡的拉格朗日算法。
直角形網格（笛卡兒網格）。PHOENICS提供了網格局部加密功能與網格被邊界切割的補償功能。
優良性價比。軟件的價格比其他CFD通用軟件低得多，其高性價比使之成為國內用戶最多的軟件。
2．CFX軟件
CFX是全球第一個通過ISO9001質量認證的大型商業CFD軟件，由英國AEA Technology公司開發，2003年被ANSYS公司收購。目前，CFX已經遍及航空航天、旋轉機械、能源、石油化工、機械制造、汽車、生物技術、水處理、火災安全、冶金和環保等領域，幫助全球6000多個用戶解決了大量的實際問題。

誕生在工業應用背景中的CFX一直將精確的計算結果、豐富的物理模型、強大的用戶擴展性作為其發展的基本要求，并以其在這些方面的卓越成就，引領著CFD技術的不斷發展。與一些CFD軟件不同的是：

除了使用有限體積法外，CFD還采用了基于有限元的有限體積法。
可以直接訪問各種CAD軟件，如CADDS5、CATIA、Eucllid3、Pro/Engineer和Unigraphics，并從任一CAD系統例如MSC/PATRAN和I-DEAS，以IGES格式直接讀入CAD圖形。
采用ICEM CFD前處理模塊，在生成網絡時，可實現邊界層網格自動加密、流場變化劇烈域網格局部加密和分離流模擬等。
可計算的問題包括大批復雜現象的實用模型，并在其湍流模型中納入了k-ε模型、低Reynolds數k-ε模型、代數Reynolds應力模型、大渦模型等多種模型。
3．STAR-CD軟件
STAR-CD最初是由流體力學鼻祖—英國帝國理工大學計算流體力學領域的專家教授開發的，他們根據傳統傳熱基礎理論，合作開發了基于有限體積算法的非結構化網格計算程序。在完全不連續網格、滑移網格和網格修復等關鍵技術上，STAR-CD又經過來自全球10多個國家，超過200名知名學者的不斷補充與完善，使之成為同類軟件中網格適應性、計算穩定性和收斂性的佼佼者。最新湍流模型的推出使得其在計算的穩定性、收斂性和結果的可靠性等方面在又得到了更顯著的提高。其基本特征如下：

前處理器Prostar有較強的CAD建模功能，與當前流行的CAD/CAE軟件有良好的接口，可有效地進行數據轉換。
具有多種網格劃分技術（如Extrusion、Multi-block、Data import等）和網格局部加密技術，能夠很好地適應復雜計算區域，處理滑移網格的問題。
多種高級湍流模型，具有低階和高階的差分格式。
其后處理器具有動態和靜態顯示計算結果的功能。能用速度矢量圖來顯示流動特性，用等值線圖或顏色來表示各個物理量的計算結果。
4．FIDAP軟件
FIDAP是由英國Fluid Dynamics International（FDI）公司開發的計算流體力學與數值傳熱學的軟件。它是一種基于有限元方法和完全非結構化網絡的通用CFD軟件，可解決從不壓縮到可壓縮范圍內的復雜流動問題。FIDAP具有強大的流固耦合功能，可以分析由流動引起的結構響應問題，還適合模擬動邊界、自由表面、相變、電磁效應等復雜流動問題。FIDAP的典型應用領域包括汽車、化工、玻璃應用、半導體、生物醫學、冶金、環境工程和食品等行業。其獨特點在于：

完全基于有限元方法，不但可以模擬廣泛的物理模型，而且對于質量源項、化學反應等其他復雜現象都可以精確模擬。
具有自由表面模型功能，可同時使用變形網格和固定網格，也可以導入I-DEAS、PATRAN、ANSYS和ICEM CFD等軟件生成的網格模型。
具有流固耦合分析功能，可同時使用固體結構中的變形和應力，從而模擬液汽界面的蒸發與冷凝相變、材料填充和流面晃動等現象。
5．FLUENT軟件

總結

以上是生活随笔為你收集整理的《FLUENT 14流场分析自学手册》——第2章 流体流动分析软件概述 2.1 CFD软件简介...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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