什么是工程仿真

在南方，那里“可乐”这个词被用来代替“苏打水”或“软饮料”。可口可乐不仅仅是我们所拥有的（显然，还有奶茶），它似乎以一种方式主导了地区市场，以至于所有其他苏打水都简单地被称为“可乐”。尽管ANSYS Fluent并没有同样的名字识别度，以至于“CFD”可以被替换为“Fluent”，但也有一些相似之处。作为当今领先的CFD软件包之一，Fluent在该领域建立了强大的声誉，众所周知，受到尊重，并被广泛接受。它是如此常见，以至于我们经常从客户和潜在客户那里收到对我们的_.cas_（或“case”）文件的请求，这些文件是Fluent的本地文件，他们假设我们在工作使用Fluent。Fluent的历史可以追溯到20世纪80年代初，当时一家位于新罕布什尔州的公司Creare与英国谢菲尔德大学的一个研究小组合作，为广泛的工程应用创建CFD软件产品。1988年，Fluent, Inc.作为合作的结果成立，2006年，ANSYS购买了该公司。快进到今天，技术已经飞速发展，现在有许多成熟的CFD软件包。Fluent是否是市面上最好的商业CFD软件包之一？我们将通过审查最新的Fluent产品，即2019 R2版本，来回答这个问题，了解其易用性、网格划分、速度、自动化和定制能力、后处理、客户支持和准确性。 1-软件包内容 为了开始使用Fluent，ANSYS提供了几个包含Fluent和其他支持软件的软件包（或捆绑包）。“CFD高级捆绑包CFD Premium Bundle”包括Fluent、Workbench（一个项目管理式的包装器，管理多个软件工具）、SpaceClaim（一个CAD工具，现在是一个独立的软件）、Ensight（一个后处理软件包）、CFX（另一个CFD求解器）以及CFD-Post（一个为CFX构建的后处理工具，但也非常适合Fluent结果）。 尽管Fluent可以在基于Windows或Linux的版本中使用，但值得注意的是，SpaceClaim目前仅适用于Windows操作系统。 2-基本界面和工作流程 目前，我们更喜欢使用独立的CAD软件包进行初始几何体创建，例如SolidWorks或AutoDesk Inventor。然后，这个几何体被带入SpaceClaim，以便分隔和标记部件和边界以及创建所需的网格细化区域（“影响区域”）。接下来，SpaceClaim几何文件被导入Fluent进行预处理、网格划分和运行仿真。如果您已经有一段时间没有使用Fluent了，您可能会想知道Design Modeler和ANSYS Mesher这两个Workbench工具发生了什么，这两个工具以前是在生成Fluent网格之前必需的步骤。随着新的“无缝工作流程”的引入，只需要使用SpaceClaim（代替Design Modeler），然后将几何体直接带入Fluent进行本地网格划分。虽然Workbench确实有其优势，特别是在耦合几何体修改和多物理场应用时，流体求解器（Fluent/CFX）与固体/FEA求解器全部在一个环境中耦合，但我们认为能够绕过Workbench是一件非常好的事情。 Fluent用户界面，左侧为“设置”树，右侧为主视图窗口，底部为“控制台”上面显示的主要Fluent界面将为许多读者所熟悉，因为它在最近的更新中没有显著变化。在通过左侧的“设置”树启动仿真之前，必须输入边界条件、流体类型/属性、求解器设置、停止标准等。点击任何树项目时，“任务页面”会显示更多细节。几何体或任何图表或等高线（如果加载了解决方案），通过右侧的主窗口查看。对于传统用户，文本用户界面（TUI）允许在底部的“控制台”窗口中输入键盘命令。这也是仿真过程中残差和警告打印出来的地方。如果您需要找到某物，顶部的ribbon允许快速访问树中的大多数项目。一旦所有边界条件、物理设置和求解器设置都准备好了，仿真可以直接从Fluent内部启动，也可以通过批处理或作业提交脚本启动（这需要写入案例和数据文件）。一旦完成，结果可以在Fluent内部分析，也可以通过CFD-Post或Ensight进行。 3-物理建模能力 正如预期的那样，Fluent内部提供了大量材料属性和物理选项，包括RANS稳态、瞬态、分离和耦合求解器，层流、湍流和过渡流动求解器，单相或多相技术（包括相变），网格运动，能量源和汇，化学反应，被动标量/示踪剂等。LES和DES求解器也内置其中。如果有一些内置的物理现象不可用，Fluent支持使用称为UDF的用户提供的代码，这些是完全可定制的脚本，允许您进入每个计算单元的流变量，以模拟物理/行为。 演示Fluent体量-流体到离散相模型虽然我们还没有时间完全调查，但我们对Fluent现在包含的由Dr. Florian Menter的团队开发的新的GEKO湍流模型感到非常兴奋，可以将其描述为两种最受欢迎的RANS两方程模型之间的混合：K-Omega SST和K-Epsilon Realizable。另一个有前景的功能是新的混合体量-流体（VOF）到离散相模型（DPM），用于喷雾喷嘴仿真。这种新的VOF到DPM多相方法将通过VOF模型跟踪的大量液体转换为由DPM/拉格朗日技术跟踪的团块和滴液。 4-CAD清理和网格划分 如上所述，Fluent中的新方法被称为“无缝/水密工作流程 Watertight Workflow”。下面显示了Fluent中工作流程“树”的屏幕截图。这棵树结构指导您从上到下导入几何体、添加网格参数、标记边界和区域/区域，并创建表面和体积网格。与之前的本地Fluent网格划分相比，这项最近的进展在用户友好方面是一个巨大的升级。请注意，“导入几何体”功能允许直接导入通用CAD文件，如Parasolid，尽管需要购买额外的许可功能。相反，我们使用SpaceClaim来预处理实体模型几何体，然后可以直接导出到Fluent。SpaceClaim可以导入通用和本地CAD文件，包括Parasolid和SolidWorks格式。 Fluent水密几何工作流程树这里添加的关键功能是，用户现在可以导入实体几何体，然后在Fluent内生成用于运行CFD仿真的内部“流体空间”。这一切都在无缝工作流程树的“封闭流体区域”功能内完成。理论上，一个人可以在ANSYS软件包内完全创建几何体，而不需要外部CAD软件包。然而，我们发现在导入到SpaceClaim/Fluent之前，在外部CAD软件包内生成流体域更为方便，这也是一个完全可以接受的技术。值得注意的是，SpaceClaim本身是一个完全功能的3D CAD工具。你可以从头开始创建几何体，就像你可以在任何其他知名的CAD软件包中做的那样，尽管界面需要一些时间来适应，因为没有CAD“树”操作详细说明3D部件是如何构建的。使用直接建模方法，SpaceClaim需要与SolidWorks和Inventor中更常见的参数化建模方法不同的思维方式——身体和面孔是使用鼠标拉伸和拉动的，而不是首先设置草图，然后通过具有指定尺寸的特征功能进行挤出/切割。 Fluent自动显示的“切割网格”视图一旦完成无缝工作流程并且创建了网格，就该设置CFD仿真参数了。此时，用户通过写出.msh文件来保存生成的网格。通常情况下，经常保存是个好主意，特别是一旦通过写出.cas文件设置了所有物理/设置“以防万一”事情变得糟糕（双关语）。Fluent中的网格划分是最新版本真正闪耀的地方。现在的过程非常直接，工作流程指导用户完成剩余的工作。体积网格选项是四面体、六核、多面体和多六核。我们喜欢的一个功能是网格大小的“预览”，它允许用户在任何东西被网格化之前看到计算单元将有多小/大。这可以节省很多时间，否则可能会因为使用太粗糙或太细的网格来网格化几何体而浪费。我们还喜欢在完成时自动显示结果网格的“切割视图”。 Fluent多六核网格Fluent中本地网格划分器的另一个更新是新的马赛 克网格技术，也称为“poly-hexcore”。这种网格器创建了一个混合的六面体/多面体网格，其中在主体流动区域创建了与流动对齐的六面体单元，在墙壁附近使用了与墙壁对齐的多面体单元和边界层单元（“膨胀层”）。根据Fluent的文献，与单独使用多面体相比（这增加了速度），这种网格类型在类似的（或增强的）准确性下显示出总单元数的改进。我们在测试期间能够轻松地为内部流动几何体创建一个多六核网格。与我们使用相同的最小/最大单元大小设置生成的多面体网格相比，多六核网格的总单元数减少了约10%。我们还注意到，从4个核心的多六核网格的网格化时间从3分钟减少到相应的全部多面体网格的大约13.5分钟。这是一个相当大的加速（约4.5倍），并且可以为生成更大、更复杂的网格节省大量时间。此外，正如这种类型的软件所期望的那样，提供了并行网格划分，通过利用更多的可用处理器来提高网格划分时间。 5-仿真 Fluent包括广泛的数值求解器，包括分离/SIMPLE和高速情况下的压力-速度耦合。如果你有可用的核心或可以在云端运行你的案例，Fluent完全可以并行化。工作可以通过用于设置案例的GUI本地运行_或_它们可以通过命令行或作业提交脚本以批处理模式运行。即使在Windows中进行了预处理和设置，也可以在Linux中运行案例，反之亦然。流场数据（完整网格或在某些预设的监控点/位置）可以在仿真期间自动保存/导出，这对于瞬态案例和调试特别方便。 我们喜欢的一个较新的功能是能够在启动之前设置一个“报告”值来监控你的案例。例如，如果需要，可以在每次迭代时报告某些平面/边界上的压力降。这也可以在仿真期间实时绘制，并且可以根据这些自定义报告创建收敛标准。我们知道这些功能在其他软件包中也有，它们是最近Fluent版本中受欢迎的补充。尽管我们还没有测试，但ANSYS正在宣传通过使用GPU处理器为Fluent计算提供一些令人印象深刻的性能改进。另一个新功能是能够在GUI中创建用户“字段函数”，并且可以基于任何现有的流场参数，如压力、密度等。这些可能会，并且可能会取代更复杂的用户定义函数（UDF），后者需要用C编程语言编写的编译代码/脚本。最后，ANSYS维护了一套在每个版本发布之前在软件上运行的测试用例。这种测试的目的是允许用户验证软件是否按照文档执行，并为用户提供信心，即它能够在可容忍的准确性水平内充分解决各种物理问题。 6-后处理 仿真完成后，有几种选项可以对结果进行后处理。一般的CFD后处理能力在Fluent内部可用，如等高线、流线、向量和通过XY图分析数据。另一个选项是CFD-Post，它也提供类似的功能。对于瞬态案例，CFD-Post可能更容易使用，但我们认为这真的只是用户偏好的问题。我们确实喜欢你可以在CFD-Post中保存一个“状态”文件（.cst）。如果你有很多案例是针对相同几何体（或类似几何体）运行的，并且你想确保所有图表都是一致的，这将非常方便。首先可以加载状态文件，然后每个案例的结果（数据文件）可以导入到“状态”中。如果创建了流线、等高线和XY图，它们不需要为每个数据文件重新制作，因为它们存储在状态文件中。 Fluent后处理示例Ensight是ANSYS的新收购，是后处理的一个完全不同的选项。不幸的是，我们不熟悉它，但我们已经在网上看到了一些出色的视频/图像，展示了可以做什么。它似乎能够显示固体FEA模型结果以及流体CFD案例，并且对于分析和动画化流体-固体相互作用数据可能非常令人印象深刻。这个强大的工具随Fluent一起提供，如果你还没有，似乎值得你花时间去调查。 7-总结 凭借在CFD领域的强大历史、对代码基础和能力的持续尖端和持续升级、为众多流动案例/类型提供准确和验证结果的声誉、强大的用户群和社区，以及专门的客户支持和大量的在线资源和网络研讨会，总体而言，Fluent是一个强大的多物理场软件平台。最近增加的功能大大提高了它的易用性。 --- END ---邀您关注▽ 纯粹CFD：软件教程、行业应用、专业理论、基础科普、研究前沿、严选培训广告▽ 只聊CFD相关的大小事，信手天成，娓娓道来 来源：CFD饭圈