CFD通用軟件綜述

1、歡迎訪問(wèn)Freekaoyan論文站CFD通用軟件綜述歡迎訪問(wèn)Freekaoyan論文站    歡迎訪問(wèn)Freekaoyan論文站    計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD)是20世紀(jì)60年代起伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速崛起的學(xué)科。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的迅猛發(fā)展，這門(mén)學(xué)科己相當(dāng)成熟，成熟的一個(gè)重要標(biāo)志是近十幾年來(lái)，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(kuò)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(dòng)力、水利等，而擴(kuò)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(duì)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(dòng)設(shè)計(jì)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(kāi)展研究工作，真正在工程設(shè)計(jì)中實(shí)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(wèn)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(mén)學(xué)科，由專家編制的程序用起來(lái)也不容易，因?yàn)榭傆胁簧贄l件、參數(shù)要根據(jù)具體問(wèn)題以及運(yùn)算過(guò)程隨時(shí)做出修改調(diào)整，若不熟

3、悉方法和程序，往往會(huì)束手無(wú)策，此外，前、后處理也顯得十分棘手。CFD研究成果與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合成為極大難題，這一切曾使人們對(duì)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(yùn)而生。一般認(rèn)為是Spalding主持的英國(guó)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(wèn)題求解，CHAM公司在80年代初以該方法為基礎(chǔ)推出了計(jì)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(wèn)世后很受歡迎。于是，在其版本不斷更新的同時(shí)，新的通用軟件，如FLU

4、ENT、STAR-CD與CFX等也相繼問(wèn)世，這些軟件十分重視商業(yè)化的要求，致力于工程實(shí)際應(yīng)用，并在前、后處理，人機(jī)對(duì)話等方面下大功夫，從而被工業(yè)界所認(rèn)識(shí)和接受，為CFD技術(shù)打開(kāi)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(lái)越廣。CFD通用軟件以其模擬復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象的強(qiáng)大功能、人機(jī)對(duì)話式的界面操作以及直觀清晰的流場(chǎng)顯示引起了人們的廣泛關(guān)注，其發(fā)展在西方國(guó)家得到工業(yè)界和政府部門(mén)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(jì)的重要手段。   &

5、#160;計(jì)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(dòng)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(jì)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(dòng)模擬的巨大計(jì)算

6、工作量。而在低速不可壓流動(dòng)方面，利用人工可壓縮性方法與壓力校正法等對(duì)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(kuò)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(guó)的引進(jìn)推廣比較晚，直到最近幾年才有較大起色。在很長(zhǎng)一段時(shí)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(fèi)的)，雖有一些CFD軟件公司曾在我國(guó)找過(guò)代理，舉辦過(guò)產(chǎn)品介紹會(huì)，但收

7、效甚微。著名軟件“CFX”于1995年在我國(guó)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(gè)CFD通用軟件;自1997起，PHOENICS以其較低廉的價(jià)格、較高的性價(jià)比以及代理商的成功促銷發(fā)展了不少國(guó)內(nèi)用戶。PHOENICS和CFX使很多人對(duì)CFD通用軟件包的特點(diǎn)與功能有了初步認(rèn)識(shí)。1998年，全球市場(chǎng)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(guó)市場(chǎng)，并迅速取得良好的銷售業(yè)績(jī)。STAR-CD、NUMECA(FINE)等著名軟件也先后在中國(guó)設(shè)立代理，發(fā)展用戶，于是國(guó)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(qiáng)的高科技產(chǎn)品，很多用戶，尤其是工業(yè)界用戶，對(duì)其性能特點(diǎn)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(duì)數(shù)值模擬缺乏了解，對(duì)CFD軟件的認(rèn)識(shí)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(duì)CFD軟件有個(gè)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(duì)CFD應(yīng)用軟件的介紹和評(píng)論。各軟件公司在宣傳材料與產(chǎn)品發(fā)布會(huì)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(lái)經(jīng)常用PH0ENICS做模擬計(jì)算，對(duì)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(duì)CFD通用軟件共同的特點(diǎn)、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(guó)內(nèi)市場(chǎng)的主要CFD通用軟件概況作一個(gè)綜合介紹。1 CFD通用軟件的主要特點(diǎn)    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(bǔ)充一些附加源項(xiàng)、附加輸運(yùn)方程與關(guān)系式。隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)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(jiǎn)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(diǎn)，它對(duì)高階導(dǎo)數(shù)的離散精度高于有限體積法，低速黏性流動(dòng)與非牛頓流體運(yùn)動(dòng)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(wèn)題，如氣動(dòng)彈性、振動(dòng)噪聲等，因此在CFD方法中將有其自己的領(lǐng)域。目前國(guó)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(jì)算為主的著名有限元軟件ANSYS中包含著流體力學(xué)計(jì)算模塊，適于合流固耦合計(jì)算。國(guó)外著名的C

11、FD有限元軟件還有適合非牛頓流體計(jì)算的POLYFLOW以及具有較強(qiáng)通用性的熱流計(jì)算軟件FIDAP、FLOTRAN、TURB、N3S等(POLYFLOW與FIDAP軟件己在1997年為FLUENT公司收購(gòu))。    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(dòng)計(jì)算涉及激波的精確捕獲，對(duì)離散格式精度要求甚高，難度較大。由于跨、超音速流動(dòng)主要存在于各種飛行器、高速旋轉(zhuǎn)葉輪機(jī)械以及高速噴管、閥門(mén)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(dòng)的CFD通用軟件在高速流動(dòng)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(xiàng)的設(shè)置上。    三維流動(dòng)數(shù)值模擬的計(jì)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?lè)ㄅc當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長(zhǎng)法等來(lái)加快收斂。并且利用平行計(jì)算法緩解單機(jī)容量不足與計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的困難。    為了方便用戶，有針對(duì)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(jī)械旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的模塊等。FLURENT公司更是針對(duì)

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(dòng)計(jì)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(jì)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(dòng)顯示(后處理)模塊。網(wǎng)格生成質(zhì)量對(duì)計(jì)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(qiáng)弱也是衡量CFD通用軟件性能的一個(gè)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(duì)于較復(fù)雜的求解域，構(gòu)造

14、結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格時(shí)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(duì)接或分區(qū)重疊技術(shù)來(lái)連接?，F(xiàn)在CFD通用軟件都已能夠借助CAD軟件對(duì)流場(chǎng)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(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。CFD軟件設(shè)置的各種專用模塊有個(gè)很重要的作用，就是提供網(wǎng)格自動(dòng)生成功能，如CFX-TASCflow與NUMECA的葉輪機(jī)械模塊都能按用戶提供的幾何參數(shù)自動(dòng)生成單級(jí)或多級(jí)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(lái)方便得多，而且便于生成自適應(yīng)網(wǎng)格，能根據(jù)流場(chǎng)特征自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格密度，對(duì)提高局部區(qū)域計(jì)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(jì)算工作量都比結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格大很多，有些流場(chǎng)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(wèn)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(chǎng)計(jì)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(chǎng)計(jì)算模塊也需作大量修改，直至重新編制。目前，F(xiàn)LUREN