Code_Saturne是由EDF自1997年起自主研发的一款通用计算流体力学开源软件，用于在2D，2D轴对称或3D流动情况下，求解Navier-Stokes方程的软件。 其主要模块用于模拟稳态或非稳态，层流或湍流，不可压缩或可压缩，等温或不等温流体。并可以考虑标量和标量的湍流波动。该软件包含多种特定的工业应用物理模型，包含拉格朗日粒子跟踪，半透明辐射传输，气体燃烧，粉煤燃烧，电力效应（焦耳效应和电弧）以及可压缩流体。Code_Saturne基于有限体积法，可以使用各类型的网格，这些网格可能是混合的（包含几种类型的网格），并可能具有结构不一致性（悬挂节点）。

离散化

Code_Saturne基于一个有限体积法，可以处理任何类型的单元网格（四面体，六面体，棱柱形，金字塔形，多面体...）和任何类型的网格结构的网格（非结构化，块结构化，混合，协调节点或悬挂节点）。Code_Saturne可以在稳态或非稳态模式下计算流体，对于时间离散化使用theta方案。

速度 - 压力耦合

Code_Saturne使用类似于SIMPLEC的分步法。

1.速度预测：用详细的压力梯度求解动量方程，得到预测的速度。

2.压力校正：使用连续性方程来实行质量守恒。

3.使用∇P更新速度场。

在更新速度之后，根据其时间方案完成湍流变量和标量的解析。

Rhie＆Chow插值用于计算压强以避免振荡。

线性系统解决方案

Code_Saturne有很多解决线性系统的方法：

•Jacobi（默认为速度，温度，湍流变量，被动标量）

•代数多重网格（默认为压力）

•共轭梯度

•稳定双共轭梯度（BI-CGSTAB）

对流方案

Code_Saturne中提供了不同的离散格式：

•一阶迎风格式

•中心差分格式

•二阶线性迎风（SOLU）格式

•迎风和二阶方案之间的混合格式

对于二阶格式，默认情况下激活斜率测试，以便在超越目标的情况下从第二阶转换为迎风格式。

梯度计算

在Code_Saturne中有几个选项可用：

•迭代重建非正交性（初始化为零或基于最小二乘法）

•最小二乘法（具有标准，扩展或部分扩展邻域）

高效能的计算能力

Code_Saturne广泛用于HPC机器（Clusters，IBM Blue Gene / Q，ARCHER（EPCC），...）。

它包括与任何MPI 2.x或MPI 3.x兼容库结合的经典域分区方案（ParMETIS，PT-SCOTCH或内部Morton空间填充曲线）。它的输入/输出是独立于分区的，基于经典的“自适应笛卡尔网格”方法，用于平行度和周期性。 大多数操作只需要自适应笛卡尔网格共享面; 用于渐变计算的扩展邻域也需要自适应笛卡尔网格共享顶点。

FATHER LES案例：T型接头中的热疲劳

•1M个单元格

•2003年，在EDF的富士通VPP 5000计算机上，使用一个矢量处理器进行了十秒的物理时间模拟（50 000次迭代），需要63天的时间。

•2004年，同样的运行需要10天的32位处理器的HP AlphaServer（CCRT）

•现在在Blue Gene EDF机器上：512个MPI级别需要不到1天的时间

网格的灵活性

兼容的网格生成器的格式包括：

· SALOME SMES

· I-DEAS Nx

· Gmsh

· Gambit (Fluent)

· Simail

· Harpoon

· ICEM-CFD

· Star-CCM+

用户体验

Code_Saturne具有图形用户界面

专用模块

专用模块可用于特定物理学，如辐射热传递，燃烧（气体，煤，重质燃料油，...），磁流体动力学，可压缩流，两相流（欧拉 - 拉格朗日法双向耦合） 焦耳效应，电弧，弱压缩流，大气流和转子/定子相互作用的液压机械。

l 任意拉格朗日 - 欧拉方法

l 大气流

l Code_Saturne耦合

l 燃烧建模

l 电气建模

l 粒子跟踪模块

任意拉格朗日 - 欧拉方法

这是一个演示案例，说明在流固耦合的条件下Code_Saturne的动网格（ALE）能力。当流体流动导致结构的位移或变形时，会发生这种情况。这种变形又改变了流体流动的边界条件。

大气流

Mercure_Saturne的部分代码逐步整合到Code_Saturne中。

这包括在大气边界层的建模中使用位温作为热力学变量。大气的微观物理和微观化学尚未被纳入软件代码中。

Code_Saturne耦合

Code_saturne可以与耦合的类型：

•本身（为了耦合不同模型RANS / LES），用于模拟大位移的流固耦合模型或旋转机器）

•Code_Aster（为了模拟流体 - 结构相互作用）

•SYRTHES（为了模拟共轭传热）

燃烧模型

该模块用于许多应用，例如：

粉煤燃烧

重燃燃烧

生物物质燃烧

污染物预测

水冷壁管上的灰渣降低了Q600型粉煤燃烧锅炉的效率

家用炉燃烧木材模型

电力模拟

本模块专用于焦耳效应和电弧模拟。

焦耳效应选项已扩展用于解决三相交流电的复合电位，并考虑到偏移效应。

 电弧模块包括焦耳效应和可以引起流动的电磁力建模，以及电弧的三维不稳定运动。

 电弧焊接多物理建模：焊接数值模拟包括电弧和固体电极以及焊池模拟。

粒子跟踪模块

部分功能：

•模拟多分散粒子的湍流

•时刻/ PDF（欧拉/拉格朗日）方法

•冷冻场，单向或双向耦合模拟

•专用型液滴蒸发，颗粒传热和颗粒沉积

这是一个演示案例，以说明影响后粒子的行为。 颗粒的颜色随其驻留时间而变化。

在2个弯头后湍流管流中的近壁颗粒浓度

管道湍流下弯曲处的粒子轨迹示例

气旋分离器，颗粒沉积，冲击现象

企业合作案例

由于EDF基金会，有一些初始的应用比如Lascaux洞穴模型或在运营影院的空气质量的研究。

自从发现以来，拉斯克神庙的绘画遭受了许多气候，人类或生物的干扰。 通过对洞穴和空调系统的日常监测，确保了它们的安全。 在EDF研发与法国文化部合作伙伴关系的框架内，由EDF基金会支持，研究洞穴内空气的运动，以便更好地了解Lascaux洞穴与其周边环境的潮湿平衡。 特别是墙壁上的水分特征会危及岩画。

洞穴中的客房包括公牛大殿，横向通道，墓穴，雕刻室，画廊和牧场。

通用求解器功能

连续质量和动量方程

层流

质量方程:

动量方程:

纳维-斯托克斯方程：

湍流 平均雷诺Navier-Stokes方法

大涡模拟

层流，平均雷诺Navier-Stokes 或大涡流的公式

热力学方程

能量方程：

热焓方程：

温度方程：

标量方程：

带漂移的标量方程

布朗扩散

沉积关系

漩涡运输

时间步长

运输方程的时间离散化：物理性质，质量流量， 源项，一般时间离散项

基于压力的速度 - 压力解算器：分离解算器:SIMPLEC，可变密度保守求解器，用于燃烧建模的可变密度半解析求解器。

空间离散化

对流项：一阶迎风方案 集中方案 二阶迎风方案。

扩散项：重建和非重建方案。

梯度计算：标准方法（迭代过程矢量场的迭代过程）、最小二乘法、矢量场最小二乘法

前沿课题：Rhie＆Chow过滤器、静水压力处理、边界处的压力外推。

边界条件

标准用户边界条件：出口、自有进出口、壁面、对称面

边界条件的内部编码：基本狄利克雷边界条件、诺埃曼边界条件、混合或罗宾边界条件、对流出口边界条件

壁面边界条件：光滑的墙壁和粗糙的墙壁的速度边界条件、光滑壁的标量边界条件、Arpaci和Larsen的三层壁面函数、压力的出口边界条件、压力增量下自由进出口边界条件。

湍流模型

Code Saturne对于湍流主要有如下模型：

涡流粘度模型 ：K-ε模型、、简化K-ε模型、Spalart-Allmaras模型。

差分雷诺应力模型：雷诺应力张量分量方程(LRR 模型)。

大涡模拟：标准Smagorinsky模型、动态Smagorinsky模型

燃烧

此版本的Code Saturne专注于稳定的工业燃烧过程;火灾传播不在范围内（但在短期内发布）。

在Code Saturne中，能够处理气相燃烧（二相，预混合，部分预混合）以及固体或液体分散的燃料（固定床和流化床不在范围内）。

Code Saturne对于燃烧主要有如下模型：

气体燃烧：预混-涡流分解、扩散-具有3点化学的PDF、部分预混-利比威廉姆斯模型

煤炭，生物质，重油燃烧：增强型二相燃烧扩散湍流反应

地下水流动

Code Saturne的水文地质模块是计算水流动和连续多孔介质中溶质运输的数值模型，基于达西定律流量算法，以及传统的经典对流二次方程。它能模拟稳定或不稳定的流动，饱和或不饱和，具有标量或张量渗透性，以及具有分散，吸附，沉淀和放射性衰变特性的运输问题。对于水分含量，渗透性和液压头之间的依属性，任何线性，甚至非线性都是可接受的。

在计算流量方面，使用了理查兹方程，它源自达西定律和质量守恒。在一般情况下，该方程是非线性的，必须通过牛顿迭代法求解。

在对流体进行运输方程进行求解中，考虑了到对流和扩散，另外考虑到地下运输的特殊性（特别是液相和土壤基质之间的隔离），会对这两项稍微修改。

拉格朗日粒子跟踪

网格中的粒子的拉格朗日跟踪意味着每个粒子的全局坐标及其在网格内的位置需要确定。 而粒子位移是根据运动的粒子方程式计算，特定的剖面模型允许评估粒子所属的网格。

参考文献

[1] Code_Saturne theory.pdf [EB/OL].http://code-saturne.org/cms/sites/default/files/docs/5.0/theory.pdf, 2017.6.

[2] 分享一个功能强大的CFD软件Code_Saturne [EB/OL].http://www.cfluid.com/thread-150802-1-1.html, 2016-10-14.

[3] Numerical method [EB/OL].http://code-saturne.org/cms/features/numerics,2017,6.

[4] Dedicated modoules [EB/OL].http://code-saturne.org/cms/features/modules,2017.6

[5] R.J.A. Howard, E. Serre. Large eddy simulation in Code_Saturne of thermal mixing in a T junction with brass walls [J]. International Journal of Heat and Fluid Flow ,2016, 63(2017):119-127.