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标题: CFD简介 [打印本页]

作者: liulang1119 时间: 2010-8-16 14:56
标题: CFD简介
计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)是20世纪60年代起伴随计算机技术迅速崛起的学科.经过半个世纪的迅猛发展,这门学科己相当成熟,成熟的一个重要标志是近十几年来,各种CFD通用性软件包陆续出现,成为商品化软件,为工业界广泛接受,性能日趋完善,应用范围不断扩大.至今,CFD技术的应用早己超越传统的流体力学和流体工程的范畴,如航空、航天、船舶、动力、水利等,而扩展到化工、核能、冶金、建筑、环境等许多相关领域中去了.CFD通用软件包的出现与商业化,对CFD技术在工程应用中的推广起了巨大的促进作用.在此之前,航空和航天工程一直较重视CFD技术,并早已研制出用于气动设计的专业性应用软件包.但在其他方面,主要还是在学术范围内开展研究工作,真正在工程设计中实际应用并不多.显然,CFD技术艰深的理论背景与流体力学问题的复杂多变阻碍了它向工业界推广.一般工程技术人员很难较深入地了解这门学科,由专家编制的程序用起来也不容易,因为总有不少条件、参数要根据具体问题以及运算过程随时做出修改调整,若不熟悉方法和程序,往往会束手无策,此外,前、后处理也显得十分棘手.CFD研究成果与实际应用的结合成为极大难题,这一切曾使人们对CFD的工程应用前景产生疑虑.在此情况下,通用软件包应运而生.一般认为是Spalding主持的英国CHAM公司跨出了第一步,Spalding与Patankar提出的SIMPLE算法(半隐式压力校正解法)在70138上海理工大学学报2002年第24卷年代己被广泛用于热流问题求解,CHAM公司在80年代初以该方法为基础推出了计算流体力学与传热学的商业化软件-PHOENICS的早期版本.这是CFD通用软件包的雏型,具有一定通用性,尽管功能还很不完备,但问世后很受欢迎.于是,在其版本不断更新的同时,新的通用软件,如FLUENT、STAR-CD与CFX等也相继问世,这些软件十分重视商业化的要求,致力于工程实际应用,并在前、后处理,人机对话等方面下大功夫,从而被工业界所认识和接受,为CFD技术打开了广阔的应用前景.进入90年代,更多的商业化CFD应用软件如雨后春笋般出现,涉及范围越来越广.CFD通用软件以其模拟复杂流动现象的强大功能、人机对话式的界面操作以及直观清晰的流场显示引起了人们的广泛关注,其发展在西方国家得到工业界和政府部门的有力支持.90年代后期,在工程技术界还曾出现推广学习CFD技术的热潮.这标志着CFD技术终于成功走出学术研究的象牙之塔,成为工程设计的重要手段.计算流体力学在20世纪80年代左右取得了不少重大进展.在高速可压缩流动方面,基于总变差减小(Total Variation Diminishing,TVD)[1~3]与矢通量分裂(Flux Vector Splitting)[4,5]、通量差分分裂(Flux Difference Splitting)[6,7]等方法的高精致格式(High Resolution Scheme)终于较好地解决了流体力学的一大难题——跨、超音速计算的激波精确捕获.而采用传统的人工黏性方法的Jameson格式[8]等在这方面也取得很大的成功.多层网格与残差光顺[9,10](Resisual Smoothing)等加速收敛技术有效地减少了三维流动模拟的巨大计算工作量.而在低速不可压流动方面,利用人工可压缩性方法与压力校正法等对纳维尔-斯托克斯方程组的直接求解取代了局限性很大的流函数-涡量法等传统解法,从而也促进CFD技术向流体传热、多相流、燃烧与化学反应流等领域迅速扩展与深入.这些进展为通用软件的发展奠定了良好的理论基础.受种种条件、因素的限制与影响,CFD通用软件在我国的引进推广比较晚,直到最近几年才有较大起色.在很长一段时间内,只有极少数研究单位和大型企业引进正规CFD软件,人们接触较多的是PHOENICS的早期版本(基本上是免费的),虽有一些CFD软件公司曾在我国找过代理,举办过产品介绍会,但收效甚微.著名软件“CFX”于1995年在我国设立代理,并成功地发展了一批用户,是进入较早的一个CFD通用软件;自1997起,PHOENICS以其较低廉的价格、较高的性价比以及代理商的成功促销发展了不少国内用户.PHOENICS和CFX使很多人对CFD通用软件包的特点与功能有了初步认识.1998年,全球市场占有率最高的CFD软件——FLURENT在北京设立代理公司,正式进入中国市场,并迅速取得良好的销售业绩.STAR-CD、NUMECA(FINE)等著名软件也先后在中国设立代理,发展用户,于是国内出现了CFD软件群雄逐鹿的局面.由于CFD软件是专业性很强的高科技产品,很多用户,尤其是工业界用户,对其性能特点和技术背景了解很少,即便是从事流体力学工作的人,如对数值模拟缺乏了解,对CFD软件的认识也比较模糊.随着CFD通用软件的推广,其用户与潜在用户在迅速增加,不少人迫切希望对CFD软件有个较全面的了解.然而尽管CFD方面的著作与论文相当丰富,但很少涉及对CFD应用软件的介绍和评论.各软件公司在宣传材料与产品发布会上提供的信息往往流于表面,且难免有自我标榜之嫌.笔者曾参加NUMECA软件的研制,近年来经常用PH0ENICS做模拟计算,对其他软件也一直很关心,本文将根据笔者所了解的情况及有关资料对CFD通用软件共同的特点、软件的离散格式与解法、湍流模型与网格生成等方面,以及国内市场的主要CFD通用软件概况作一个综合介绍.1 CFD通用软件的主要特点各种CFD通用软件的数学模型的组成都是以纳维-斯托克斯方程组与各种湍流模型为主体,再加上多相流模型、燃烧与化学反应流模型、自由面流模型以及非牛顿流体模型等.大多数附加的模型是在主体方程组上补充一些附加源项、附加输运方程与关系式.随着应用范围的不断扩大和新方法的出现,新的模型也在增加.离散方法采用有限体积法(FVM)或有限元素法(FEM).由于有限体积法继承了有限差分法的丰富格式,具有良好的守恒性,能像有限元素法那样采用各种形状的网格以适应复杂的边界几何形状,却比有限元素法简便得多,因此,现在大多数CFD软件都采用有限体积法.然而,有限元素法也有其优点,它对高阶导数的离散精度高于有限体积法,低速黏性流动与非牛顿流体运动采用有第2期姚征等:CFD通用软件综述139限元素法可以提高精度.有限元素法也更适合流体力学与固体力学相耦合的问题,如气动弹性、振动噪声等,因此在CFD方法中将有其自己的领域.目前国内销售的CFD通用软件PHOENICS、FLUENT、STAR-CD、CFX-TASCflow和NUMECA等都采用有限体积法.而以固体力学计算为主的著名有限元软件ANSYS中包含着流体力学计算模块,适于合流固耦合计算.国外著名的CFD有限元软件还有适合非牛顿流体计算的POLYFLOW以及具有较强通用性的热流计算软件FIDAP、FLOTRAN、TURB、N3S等(POLYFLO W与FIDAP软件己在1997年为FLUENT公司收购).为了体现通用性,CFD通用软件应能适应从低速到高超音速的宽广速度范围.然而跨、超音速流动计算涉及激波的精确捕获,对离散格式精度要求甚高,难度较大.由于跨、超音速流动主要存在于各种飞行器、高速旋转叶轮机械以及高速喷管、阀门等,在其他工程应用中很少出现,所以有些主要面向低速流动的CFD通用软件在高速流动方面功能比较弱.由于从纳维尔-斯托克斯方程组出发,因此内流与外流、旋转与非旋转系统的差别只是反映在边界条件与源项的设置上.三维流动数值模拟的计算量巨大,所以CFD通用软件尽可能采用各种加速收敛技术,如多层网格法、残差光顺法与当地时间步长法等来加快收敛.并且利用平行计算法缓解单机容量不足与计算时间过长的困难.为了方便用户,有针对性地设置各种专用模块.如PHOENICS中模拟建筑物暖通空调的FLAIR模块,CFX-TASCf1ow与NUMECA中模拟叶轮机械旋转流动的模块等.FLURENT公司更是针对不同的应用发行了多种专用版,如模拟搅拌现象的MIXSIM软件,模拟暖通空调的AIRPAK软件等.专用模块与专用版本使这些复杂流动计算中繁冗的网格生成和边界条件设置等工作得到很大程度减轻,而且提供计算结果分析处理的辅助工具,是吸引工业用户的重要途径.CFD软件都配有网格生成(前处理)与流动显示(后处理)模块.网格生成质量对计算精度与稳定性影响极大,然而在几何形状复杂的区域上要生成好网格也是相当困难的,所以网格生成能力的强弱也是衡量CFD通用软件性能的一个重要因素.网格分为结构型和非结构型两大类,目前广泛采用的仍是结构型网格.对于较复杂的求解域,构造结构型网格时要根据其拓扑性质分成若干子域,各子域间采用分区对接[11]或分区重叠技术来连接[12].现在CFD通用软件都已能够借助CAD软件对流场几何形状建模输入,但生成结构型网格仍是件相当费时费力的工作.CFD软件设置的各种专用模块有个很重要的作用,就是提供网格自动生成功能,如CFX-TASCflow与NUMECA的叶轮机械模块都能按用户提供的几何参数自动生成单级或多级叶轮的SolidWorks机械工程师论坛格.另一方面,由于非结构网格不受求解域的拓破结构与边界形状限制,构造起来方便得多,而且便于生成自适应网格,能根据流场特征自动调整网格密度,对提高局部区域计算精度十分有利.然而,非结构网格所需内存量和计算工作量都比结构型网格大很多,有些流场解法和模型不适用于非结构网格,如目前常用的一些代数湍流模型和壁面函数等就有这样的问题;此外,多层网格技术用于非结构网格也有较多困难.因此,两者结合的复合型网格是网格生成技术的发展方向.由于网格类型与流场计算方法关系密切,把结构型网格的CFD软件改变为非结构型网格,其流场计算模块也需作大量修改,直至重新编制.目前,FLURENT、STAR-CD与CFX都已具有非结构网格功能.除了CFD软件自带的网格生成模块,还可采用专门的网格生成软件,如EAGLE、GRIDGEN等生成网格.CFD软件的流动显示模块都具有三维显示功能来展现各种流动特性,有的还能以动画功能演示非定常过程.流动显示与流场计算没有内在联系,但其输出端应能与图形处理软件方便连接,否则用户会感到很不方便.

作者: tfkip 时间: 2010-8-16 14:58
看看，了解一下历史也挺不错的

作者: 15064197880 时间: 2010-8-16 15:05
了解一下，楼主能整理一下更好，看的眼花

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