CFD大阅兵

计算流体力学是用电子计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析的一个新分支。

早在20世纪初，理查德就已提出用数值方法来解流体力学问题的思想。但是由于这种问题本身的复杂性和当时计算工具的落后，这一思想并未引起人们重视。自从40年代中期电子计算机问世以来，用电子计算机进行数值模拟和计算才成为现实。1963年美国的F.H.哈洛和J.E.弗罗姆用当时的IBM7090计算机，成功地解决了二维长方形柱体的绕流问题并给出尾流涡街的形成和演变过程，受到普遍重视。1965年，哈洛和弗罗姆发表“流体动力学的计算机实验”一文，对计算机在流体力学中的巨大作用作了引人注目的介绍。从此，人们把60年代中期看成是计算流体力学兴起的标志。

经过50年的理论基础和计算机硬件水平的不断提高，CFD已在很多领域得到应用并发挥着巨大的作用，各种商业CFD软件更是蓬勃发展，对CFD技术在工程应用中的推广起了巨大的促进作用，今天就对各种CFD商用软件做一个简要的介绍。

一、革命先驱

PHOENICS

一般认为是Spalding主持的英国CHAM公司是CFD软件商业化的先驱。Spalding与Patankar提出的SIMPLE算法(半隐式压力校正解法)在70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。

如今，PHOENICS已经发展成为一款能够模拟传热、流动、反应、燃烧过程的通用CFD软件。

主要特点：

1、开放性：Phoenics最大限度地向用户开放了程序，用户可以根据需要任意修改添加用户程序、用户模型。PLANT及INFORM功能的引入使用户不再需要编写FORTRAN源程序，GROUND程序功能使用户修改添加模型更加任意和方便。

2、CAD接口：Phoenics可以读入任何CAD软件的图形文件。

3、MOVOBJ：运动物体功能可以定义物体运动，避免了使用相对运动方法的局限性。

4、大量的模型选择：20多种湍流模型，多种多相流模型，多流体模型，燃烧模型，辐射模型。

5、提供了欧拉算法也提供了基于粒子运动轨迹的拉格朗日算法。

6、计算流动与传热时能同时计算浸入流体中的固体的机械和热应力。

7、VR（虚拟现实）用户界面引入了一种崭新的CFD建模思路。

8、PARSOL（CUT CELL）：部分固体处理。

9、软件自带1000多个例题，附有完整的可读可改的原始输入文件。

10、Phoenics专用模块：建筑模块（FLAIR） 电站锅炉模块（COFFUS）

应用领域：

能源动力 两相、多相流 航空航天 传热传质 化工 燃烧、爆炸 船舶水利 化学反应 建筑、暖通空调 流体机械 冶金 磁流体 环境 材料

最新版本：

Phoenics2014于2014年12月正式发布。 Phoenics模拟软件是一款集室内、室外通风、热岛分析功能于一体的绿色建筑节能评估软件，可准确模拟建筑内部、建筑周围风速、风速放大系数、风压、温度等分布情况，为优化建筑布局，改善建筑物朝向、开窗位置等提供方案指导。同时Phoenics软件在消防安全火灾、烟雾、城区污染物扩散等方面也有广泛应用。

二、中坚力量

FLUENT

FLUENT软件是当今世界CFD仿真领域最为全面的软件包之一，具有广泛的物理模型,以及能够快速准确的得到CFD分析结果。

FLUENT软件拥有模拟流动，湍流，热传递和反应等广泛物理现象的能力，在工业上的应用包括从流过飞机机翼的气流到炉膛内的燃烧，从鼓泡塔到钻井平台，从血液流动到半导体生产，以及从无尘室设计到污水处理装置等等。软件中的专用模型可以用于开展缸内燃烧，空气声学，涡轮机械和多相流系统的模拟工作。

现今，全世界范围内数千计的公司将FLUENT与产品研发过程中设计和优化阶段相整合，并从中获益。先进的求解技术可提供快速、准确的CFD结果、灵活的移动和变形网格，以及出众的并行可扩展能力。用户自定义函数可实现全新的用户模型和扩展现有模型。

FLUENT中的交互式的求解器设置、求解和后处理能力可轻易暂停计算过程，利用集成的后处理检查结果，改变设置，并随后用简单的操作继续执行计算。ANSYS CFD-Post可以读入Case和Data文件，并利用其先进的后处理工具开展深入分析，同时对比多个算例。

ANSYS Workbench集成ANSYS FLUENT后给用户提供了与所有主要CAD系统的双向连接功能，其中包括ANSYS DesignModeler强大的几何修复和生成能力，以及ANSYS Meshing先进的网格划分技术。该平台通过使用一个简单的拖放操作便可以共享不同应用程序的数据和计算结果。

最新版本：ANSYS FLUENT 16.2

CFX

CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件，由英国AEA Technology公司开发。2003年，CFX软件被ANSYS公司收购。诞生在工业应用背景中的CFX一直将精确的计算结果、丰富的物理模型、强大的用户扩展性作为其发展的基本要求，并以其在这些方面的卓越成就，引领着CFD技术的不断发展。目前，CFX已经遍及航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、冶金、环保等领域，为其在全球6000多个用户解决了大量的实际问题。

和大多数CFD软件不同的，CFX除了可以使用有限体积法之外，还采用了基于有限元的有限体积法。基于有限元的有限体积法保证了在有限体积法的守恒特性的基础上，吸收了有限元法的数值精确性。在CFX中，基于有限元的有限体积法，对六面体网格单元采用24点插值，而单纯的有限体积法仅仅采用6点插值；对四面体网格单元采用60点插值，而单纯的有限体积法仅仅采用4点插值。在湍流模型的应用上，除了常用的湍流模型外，CFX最先使用了大涡模拟（LES）和分离涡模拟（DES）等高级涡流模型。

CFX可计算的物理问题包括可压与不可压流体、耦合传热、热辐射、多相流、粒子输送过程、化学反应和燃烧问题。还拥有诸如气蚀、凝固、沸腾、多孔介质、相间传质、非牛顿流、喷雾干燥、动静干涉、真实气体等大批负责现象的使用模型。

在其湍流模型中，纳入了k-є模型、低Reynolds数k-є模型、低Reynolds数Wilcox模型、代数Reynolds应力模型、微分Reynolds应力模型、微分Reynolds通量模型、SST模型和大涡模型。

作为世界上唯一采用全隐式耦合算法的大型商业软件。算法上的先进性，丰富的物理模型和前后处理的完善性使ANSYS CFX在结果精确性，计算稳定性，计算速度和灵活性上都有优异的表现。

除了一般工业流动以外，ANSYS CFX还可以模拟诸如燃烧，多相流，化学反应等复杂流场。ANSYS CFX还可以和ANSYS Structure及ANSYS Emag等软件配合，实现流体分析和结构分析，电磁分析等的耦合。ANSYS CFX也被集成在ANSYS Workbench环境下，方便用户在单一操作界面上实现对整个工程问题的模拟。

ANSYS CFX不仅是一款强大的CFD软件。ANSYS Workbench平台融合了ANSYS DesignModeler强大的几何修复和ANSYS Meshing先进的网格划分技术，为所有主流的CAD系统提供优质的双向连接，使数据的拖-放转换以及不同的应用程序间共享结果更为容易。

最新版本：ANSYS CFX 16.2

STAR-CCM

STAR-CCM 是CD-adapco集团推出的新一代CFD软件。采用最先进的连续介质力学算法(computational continuum mechanics algorithms)，并和卓越的现代软件工程技术结合在一起，拥有出色的性能、精度和高可靠性。

STAR-CCM 拥有一体化的图形用户界面，从参数化CAD建模、表面准备、体网格生成、模型设定、计算求解一直到后处理分析的整个流程，都可以在同一个界面环境中完成。

基于连续介质力学算法的STAR-CCM ，不仅可以进行热、流体分析，还拥有结构应力、噪声等其它物理场的分析功能，功能强大而又易学易用。

STAR-CCM 创新性的表面包面功能、全自动生成多面体网格或六面体为核心的体网格功能、在计算过程中实时监控后处理结果的功能，甚至细微到使用复 制、粘贴功能传递设定参数等等，处处体现了STAR-CCM 为了最小化用户的人工操作时间、更方便更直接地将结果呈现在用户面前而精心设计的理念。

最新版本：STAR-CCM v10.04

三、专业方向

除了上述提到的一些通用CFD软件，还有一些在特定领域起到巨大作用的专业化CFD软件，这些软件不仅对于具体工程问题更有针对性，而且方便一些不具备专业流体知识的工程师快速上手使用。

AVL FIRE

AVL FIRE是一款专业的发动机CFD软件，能解决所有和发动机有关的CFD问题。它能对发动机系统及部件内部的流动、喷雾、混合气形成、壁膜、燃烧、和排放物的形成进行详细的模拟分析。还有专业的尾气后处理模块用于各类催化转化器的研究和优化。

最新版本：AVL Fire v2014

CONVERGE

CONVERGE是由美国Convergent Science公司开发的发动机缸内CFD专业分析软件。

如何快速、高效地生成高质量的计算网格一直是提高CFD分析工作效率的瓶颈，而CONVERGE拥有强大的自动化生成网格功能，可大量节省用户的网格生成时间。CONVERGE的网格体系完全基于正交化网格，可采用自适应加密等等多种网格控制策略，以最小的计算负荷量实现高精度的仿真分析。

CONVERGE拥有喷雾模型，燃烧模型等发动机缸内分析所必须的各种丰富的物理模型，可用来模拟汽油机，柴油机，天然气及HCCI等任何类型的发动机。

FLACS

FLACS是一款用于CFD爆炸建模的行业标准软件，同时还是一种适用于易燃、有毒物质排放的技术安全上下文建模的最佳验证工具。

FLACS是一个全面的、易于使用的3D建模软件工具，用于分散和爆炸的影响分析，是针对所有典型的易燃和有毒物质排放的解决方案。它广泛用于石油和天然气及过程工业，也越来越多的用于核工业，以及粉尘爆炸的潜力分析和许多其他领域的设施。CFD过程全部采用3D建模，可以更准确的预测后果，并减轻限制和拥塞真实的几何体的影响。更好的获取更高精确度的结果，不仅有助于提高安全性的真实水平，也可以让设计人员能够选择真正有效的设计方案和缓解措施，从而提高安全性和成本效益的。

Fluidyn

Fluidyn是为专门满足石化、石油和天然气工业的需求，应对潜在的高风险，应用计算流体动力学原理开发的软件。

这款软件可以专门用于：

• 定量和定性的风险评估

• 失效模式和影响分析

• 后果模拟

• 污染扩散模拟

这个行业广泛采用的一些Fluidyn软件如下：

• 过程工业风险分析和规划软件(fluidyn ASSESSRISK)

• 研究由工业事故导致的瞬态排放扩散模式或稠密气体扩散、火灾 (fluidyn PANEPR)

• 火灾研究和燃烧副产品扩散软件(fluidyn PANFIRE)

• 由于炼油厂、储罐区事故导致的波浪作用及后果的仿真 (fluidyn PANWAVE)

• 复杂流体流动分析软件(fluidyn MP)

FloVENT

FloVENT是一款功能强大的计算流体力学(CFD)软件，能够预测各类建筑物内和周围的三维气流、传热、污染分布和舒适度。它提供反应快速和简单易用的菜单系统，是专为设计和优化供暖、通风和空调设备的工程师而打造。

FloVENT擅长于模拟：

• 中庭、购物中心和办公楼

• 剧院、机场码头、仓储设施和仓库

• 海洋石油平台

• 建筑物和隧道火灾

• 汽车乘客舒适度

• 实验室、研究设施、医院、地下停车场的空气质量和污染控制

四、新生势力

XFLOW

XFlow是Next Limit Technologies公司开发的新一代的基于无网格、拉格朗日粒子法和大涡模拟（LES) 技术的流体力学计算软件，它省去了划分复杂网格的时间，能真实地模拟复杂的几何和运动物体， 大大提高流体计算效率和精确性, 为客户节省价格昂贵的试验成本。

重要特点包括：

• 无网格方法

XFlow中的无网络方法是基于粒子和具有完整拉格朗日函数的方法，这意味着将不再需要对经典的流体区域划分网格，同时表面复杂性不再是一种限制因素。XFlow能够解决运动的物体和可变形部分，能够适应低质量的输入几何。

• 基于粒子动力式解算器

XFlow以一种全新的、基于粒子的动力算法为特征，对波尔兹曼方程和可压缩的纳维－斯托克斯方程进行求解。该解算器的特点是具有现代化的大涡模拟（LES）建模能力，以及具有高级非平衡隔离型模型。

• 高级建模能力

XFlow能够处理大规模复杂模型，并且结合移动部分、强制或关联运动或接触建模过程，极大地简化分析结构。

• 高级分析能力

XFlow的求解器还支持热分析，热交换，辐射，跨音速和超音速流动，在多孔介质中流动，非牛顿流，离散相模型和复杂边界条件，如多孔介质中跳动或风扇类模型。

• 自适应踪迹改良

XFlow的引擎可根据用户需求自动适应解算规模，在各项隔离附近精确解算质量，并且在流动发展同时动态适应其踪迹。

• 单独一致的隔离模型

XFlow使用一种统一的非平衡隔离函数对边界层进行建模。该隔离模型可用于所有情况下，这意味着在不同的算法间无需进行选择，也无需处理每个体系相关的不同限制。

• 近似线性的可扩展性能

XFlow使用近似线性的可扩展能力，对于多核心技术实现完全的平行处理。

PowerFLOW

PowerFLOW是美国EXA公司基于LBM（格子-波尔兹曼方法）开发的CFD求解器。LBM相对于FVM（有限体积法）的先进性使PowerFLOW具有无需简化复杂的CAD模型、全自动生成笛卡尔网格、非定常模拟、几乎线性的并行效率、精确度极高等优点。另外它还具有在初始结构上增加并减少部件方便地进行参数化研究、利用同一个模型可以进行空气动力学、气动声学和热管理等多学科模拟等独特优势。对CAD无需做任何修改和简化、网格自动生成、专业化的咨询服务团队服务使得PowerFLOW变得非常易于使用，让企业使用CFD软件的门槛降到最低。这使PowerFLOW已经成为全球顶尖地面交通工具公司在气动、噪声及热管理等方面数值模拟的首选软件。它能为空气动力学优化提供一个真实的数字风洞求解，在全球占有统治地位。PowerFLOW进行内外空气动力学模拟的独特优势已经使得Exa成为该领域的领先者。

PowerFLOW的主要特点求解快速、完全的几何细节和瞬态分析–已经使得流体力学模拟成为一种真正可用于生产设计的工具，改变了空气动力学开发的方式。

主要特点：

• 高速的流体计算功能

做整车的CAD流体分析时间小于5天；

优化时间小于1天。 

• 无需简化的CAD模型

考虑完全的外部特征、底盘特征和内部特征；

所有设计细节完全考虑在内。 

• 准确的计算精度

与风洞试验曲线的完全吻合。

• 同一个模型可用于多学科的优化

利用同一个模型可进行空气动力学优化、气动噪声优化、散热分析优化。 

• 可进行参数化研究

在初始结构上增加并减少部件方便地进行参数化研究 

• 全自动生成笛卡尔网格

全自动网格生成节省时间和费用 

• 非定常模拟

真实的瞬态模拟特性能改善功能设计。 

• 多处理器的性能呈线性增加

多处理器机器的性能与单处理器的相比，呈线性增加，可达上百倍。

• 易于使用

PowerFLOW的使用者无需对CAD及CAE网格划分有高深的理解，且除了软件销售和安装之外，Exa全球的工程咨询服务机构会为企业提供全面的咨询服务。 

• 数值稳定性好

求解结果不依赖于几何及网格的优劣，不管几何多么复杂， PowerFLOW都能提供可信的结果。

• 兼容性好

带有CAD通用接口，能够跨平台使用，PowerFLOW可以用于现有的工程学环境。

结语

在过去的几十年中，CFD软件取的了飞速的进步，在未来前进的道路上，CFD软件必将还能发挥更大的作用，为压缩盗版空间让客户享受更专业优质的服务正版软件的价格将进一步降低，裁减售价“30万”也许会成为可能，为方便客户的专业化需求，将进一步开发个性化的仿真产品，云计算服务也将为客户提供更为方便的使用体验，硬件不再是工程师工作的瓶颈，等等这些都将会使CFD仿真有一个美好的未来！

让我们共同铭记历史所启示的伟大真理：便捷必胜！快速必胜！准确必胜！