本文介绍一些特殊的CFD软件（COMSOL、Converge、OMNIS）。

 

注：本文翻译自网络，原文地址：https://www.resolvedanalytics.com/theflux/comparing-cfd-software-part-3-semi-comprehensive-cfd-software。下文中所有对软件功能及性能的评价均为原作者的观点，并不表示本号完全认可文中的观点。

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以下为翻译内容。

之前我们将性能最高的 CFD 软件（STAR CCM+及Fluent）的类别定义为 "全面"。以下是我们将软件包划分为 "全面 "或 "非全面 "的并不科学的列表。

• 能够从不同来源导入复杂的三维实体和曲面几何图形
• 一体化工作流程，包括前处理、仿真和后处理
• 广泛的多物理场仿真能力
• 高效的数据架构、数值方法以及对不同硬件和软件配置的利用
• 供应商发起的物理场和数值方法验证和确认
• 对用户编码和/或命令行操作的要求较低

在本节中，我们将讨论一些软件包，这些软件包力求成为全面的多物理场工具，但在我们看来，它们在某些方面还略显不足。有许多可用的 CFD 软件包都可以被称为半全面软件包，我们不可能对它们进行全部评测，同时还能完成任何实际工作。因此，在这里，我们根据其庞大的用户群和/或成为全面软件的潜力，重点介绍这一类中的三个软件包：COMSOL Multiphysics、CONVERGE CFD 和 Numeca OMNIS。如果我们有更多时间的话，我们还希望对这一半全面性类别中的其他一些软件包进行评测，其中包括 Altair AcuSolve、Flow Science FLOW-3D、MSC SC/Tetra 和 SimScale等。

1 COMSOL Multiphysics

 

COMSOL 成立于 1986 年 7 月，总部位于瑞典斯德哥尔摩。公司创始人曾是瑞典皇家理工学院 Germund Dahlquist 教授的博士生，起最初与美国 Mathworks 公司合作，成为 MATLAB 的欧洲分销商。在此期间，COMSOL 开发了自己的软件 FEMLAB，扩展了 MATLAB 在求解偏微分方程方面的功能。起初，FEMLAB 依赖于 MATLAB 引擎，但到 2004 年两家公司分道扬镳时，COMSOL 已经开发出了自己的基于有限元的网格划分和求解程序。与 MATLAB 一样，该软件被认为是一个平台，具有额外的可用工具箱组件，用于创建和执行各种物理领域的仿真。早期的成功主要是与大学和研究实验室的合作，包括与 Chalmers 和斯坦福大学的密切合作。

2005 年，FEMLAB 更名为 COMSOL Multiphysics（COMSOL）。利用图形用户界面（GUI）和 "类似 MATLAB "的编程界面，研究人员可以利用 FEMLAB 工具进行定制分析，以解决其特定的多维物理应用问题，这是前所未有的。COMSOL 巧妙地填补了 MATLAB 缺乏空间离散化复杂性与 ANSYS 等更广泛使用的基于图形用户界面的空间求解器之间的空白，后者缺乏易于使用的编程界面，无法将通用求解例程应用于研究人员特定的微分方程和边界条件。

尽管 COMSOL 最近被作为通用工程工具推向市场，但传统上更多的是供研究人员而非工程师使用。不过，COMSOL 一直在努力改变这种状况，试图在提高工程师易用性的同时，又不疏远历来以研究为导向的用户群。

1.1 基本界面和工作流程

幸运的是，在 Resolved Analytics，我们可以为您省去这些繁琐的工作。让我们从 COMSOL 界面和工作流程开始。COMSOL 推荐的第一步是使用 "模型向导 "选项来指定您希望模拟的多物理场问题的性质，例如问题的性质是二维还是三维，将包括哪些物理场，以及问题是稳态还是随时间变化。完成这一步后，用户就进入了工作流程的 "模型生成器 "部分。

 

与大多数多物理场仿真软件一样，首先要创建或导入几何体。COMSOL 图形用户界面包括一套计算机辅助设计（CAD）工具，用于在 1D、2D 和 3D 中进行几何建模，但在大多数工程问题中，从现有 3D 实体模型中导入曲面文件或使用您公司所选 3D 实体建模软件中的更复杂工具创建新几何体更为有效。在 "模型生成器 "窗口左侧的模型资源管理器中显示了随后用于定义仿真参数、边界条件等的菜单项。

1.2 物理模拟功能

COMSOL 采用并将继续致力于 MATLAB 模式，即被许可人购买平台和额外的 "工具箱 "或模块，以满足其项目要求。这些工具箱包含设置和执行特定领域问题所需的内容。最初包括化学工程、电磁学和结构力学模块，现在已增加到 40 多个，如下图所示的最新产品套件图。在 CFD 模块中，COMSOL 提供多种多相流模型，包括用于自由表面界面跟踪的水平集方法、欧拉-欧拉分散相模型和拉格朗日粒子跟踪模型。流体结构相互作用可采用单向或双向耦合程序。可以模拟所有类型的流动流变，包括牛顿流体、粘弹性流体和其他非牛顿流体行为，以及多孔介质内的流动。此外，还有许多湍流壁面模型和湍流亚格子尺度模型可用，包括最近新增的 v2-f 湍流壁面模型。读者应牢记，虽然所有这些物理功能都可以组合使用，但组合使用时可能需要单独购买模块，并需要额外支付大量费用。

 

1.3 CAD清理和网格划分

在大多数 COMSOL 工作流程文档中，新用户都会发现其更倾向于使用几何体创建工具从头开始创建几何体。鉴于其为MATLAB附加产品的历史，这并不令人惊讶。COMSOL 的几何创建工具是同类中最好的工具之一。然而，这样的工作流程与快节奏的产品工程世界根本不符，因为在大多数情况下，产品工程世界中已经存在相当复杂的三维实体模型。COMSOL 针对这一现实情况，加入了 CAD 导入和 LiveLink 模块。

在基本软件模块中，只能导入 STL 文件。购买 CAD 导入模块后，导入功能可以扩展到 SAT、STEP 和 IGES 文件格式，以及本地 Inventor、NX、Pro/E 和 Solidworks 零件或装配体。LiveLink for CAD 模块进一步扩展了本地 3D 实体模型与仿真环境的互操作性，包括参数直通，这在优化研究中尤为有用。

 

COMSOL 提供了多种有用的几何修改工具。首先，三维实体模型文件中指定的单个实体和其他特征可在导入时保留，从而简化模型设置。其他有用的功能包括从导入的点或面网格创建三维实体、导入实体之间的布尔运算、表面清理和修复工具以及自动接触对定义。

网格划分可通过两种工作流程之一完成：物理控制网格划分或用户控制网格划分。可为任一工作流程指定的三维网格包括四面体、六面体、金字塔或棱柱，默认为四面体。如果存在多个区域，每个区域都可以单独网格化，网格化序列中首先定义的区域的尺寸定义驱动保形节点接口。我们在下图所示的边界层中创建了以棱柱元素为主的四面体网格，并没有遇到什么困难。事实证明，在尾流区域实施细化网格或将四边形元素与主要流动方向对齐较为困难，需要额外划分 CAD 区域。

1.4 仿真能力

使用有限元方法对偏微分方程的解进行数值逼近时，该方法需要假设分段线性形函数，该函数定义了解在空间离散节点之间的变化方式。通过组合更高阶的形状函数或增加节点放置密度，可以获得精度更高的近似解，但两者都会产生各自的计算成本。对于线性静态问题，有人认为增加形函数的阶数比增加节点数更有效。还有人认为，可以用控制方程的阶数作为假定形函数阶数的基础。

但问题在于，如果假设使用高阶单元，流体流动的纳维-斯托克斯方程的非线性会导致数值不稳定。在这种情况下，只能使用线性单元，并通过各种方法添加人工耗散来保持稳定。因此，对于包括流体流动在内的多物理场问题，流体流场的一阶离散证明在整个模型中使用一阶单元是合理的。将固体传热与固体力学相结合的问题也是如此。在多物理场仿真中，使用线性形函数对网格节点密度的要求很高，这是有限元模型的一个显著缺点，因为内存需求很快就会成为限制求解精度的因素。此外，基于域分解的并行化模拟不会像有限体积法那样随着处理能力的提高而线性缩减求解时间。这些数值上的低效是最流行的 CFD 代码都基于有限体积法的原因之一，也是我们认为 COMSOL 不符合全面CFD软件分类的原因之一。

1.5 后处理

COMSOL 中的后处理是可高度自定义的，但以效率和可访问性为代价。用于获取表面等高线图和流线图的方法相对简单明了，但生成的图形缺乏其他一些领先 CFD 软件包或专用后处理软件包的影响力。在下面的示例中，我们从图 1 中之前介绍的海洋船舶开始，只解决了船体在自由表面滑壁条件下穿过船壁的阻力问题。理想情况下，我们可以使用一种更优雅的可视化方式，将船舶作为透明对象分层显示在流动可视化图上，但我们无法将表面文件（输入）的可视化与求解域中结果的可视化（从液体区域减去表面文件所对应的网格体积）结合起来。颜色表和标题控制也很有限和繁琐。尽管这样的困境与模型预测的性能无关，但可视化仍是工程过程中极其重要的一部分。

我不喜欢 COMSOL 后处理的另一个方面是其依赖创建表达式来执行常规计算。例如，为了检查模拟中的质量、动量和能量是否保持不变，我们需要创建导出值，指定 COMSOL 内部变量的表面或体积积分，因此需要掌握程序语言变量表达式。另一个例子是阻力和攻角修正的计算，两者都需要耗时的用户交互。其他领先的软件包已将这些常见的流体动力学相关量作为直接输出，使其更易于访问。

1.6 许可和成本

根据最近的调查，购买一个节点锁定的永久 COMSOL 许可证大约需要 10,000 美元。每年维护该许可证并提供支持和最新的软件更新将增加 20% 的费用（2000 美元）。购买 CFD 模块需要额外支付 10,000 美元和 20% 的维护费用。结合流体流动分析和线性结构力学的流固耦合问题将增加 15,000 美元的资本支出和 3,000 美元的年度支出。基于模块的定价方式使 COMSOL 对于有不同物理要求的公司来说相当昂贵，对于重复解决物理组合有限的问题的组织来说最有意义。并行功能包含在节点锁定许可中，只要计算节点上有足够多的处理器就可以使用，不支持超线程，但在不同的物理问题和平台上只能提供不一致的收益。

1.7 总结

COMSOL 拥有令人印象深刻的物理建模功能库，不过基于模块的定价可能会比较昂贵。COMSOL 易于学习和使用。不过，在流体动力学方面，在调查的一些测试案例中，我们发现有限元法求解器的效率很低。虽然这并不影响每个人的使用，尤其是在时间不是问题的情况下，但对于高级用户来说，这绝对是一个值得关注的问题。

2 CONVERGE CFD

这里有一个有趣的例子。Convergent Science 是一家相对较新的公司，它一直在围绕扎实的 CFD 基础知识和一些创新建立一个平台，同时注重质量和准确性。该公司由威斯康星大学的一群研究生创立，旨在为内燃机模拟的一些难题提供解决方案。该公司于 2008 年售出了第一份 CFD 许可证。

Converge主要专注于汽车行业，开发了与喷射、燃烧和流固耦合模拟相关的知识产权。这种专注使该公司得以悄然而迅速地发展壮大，目前该公司声称其软件已被大多数美国、欧洲和亚洲的汽车公司和发动机制造商所采用。公司的目标是通过向具有类似挑战和属性的行业（尤其是燃气轮机行业）扩展来实现持续增长。

那么，让我们来看看CONVERGE CFD是什么。

2.1 谈谈引擎下的问题

就其核心而言，CONVERGE CFD 与我们迄今为止讨论过的许多其他软件包以及本系列最后一部分将讨论的全面软件包并无太大区别。与许多其他软件一样，CONVERGE CFD 采用基于有限体积的中心差分格式来积分离散守恒方程，并采用逐次超松弛法或双共轭梯度法来求解所产生的线性矩阵。

CONVERGE 与大多数传统CFD软件包的最大区别在于，其在运行时采用自动网格划分算法，并在模拟过程中进行可选的网格细化操作。这种自适应网格细化（AMR）过程增加了对陡峭场变量梯度区域的局部细化，现在许多其他领先的 CFD 软件原始设备制造商也在采用这种方法。该公司将这一过程称为 "autonomous meshing"，并提出了以下优点：

• 由于省去了手动创建、检查和细化网格的过程，因此可以节省时间
• 在需要网格密度的地方以及在手动网格策略可能无法分配网格密度的地方，可以通过提高网格密度来提高精度
• AMR 为捕捉大型或快速边界运动提供了一种稳健的方法
• AMR 使用了优化的计算单元数量，因此可以节省运行时间
• 通过使用一致的网格生成算法策略，可以实现一致性和标准化。

据该公司称，它的其他与众不同之处还包括高保真喷雾模型、详细的化学求解器、氮氧化物排放建模以及包含遗传算法参数优化程序。

2.2 物理模拟功能

CONVERGE CFD 拥有令人印象深刻的物理建模能力，尤其是对于一款只有 10 多年历史的软件而言。其功能包括所有标准功能，如稳态或瞬态模拟、不可压缩或可压缩流动、被动标量传输、RANS、URANS、DES 和 LES 湍流建模、多孔介质以及源和汇。高级功能最初侧重于内燃机模拟，包括带有汽化和破裂模型的拉格朗日多相模型、喷射器模型、壁膜模型、尿素喷射和氮氧化物排放模型、化学动力学求解器、预混和非预混燃烧模型、表面化学模型、辐射和共轭传热。最近，还增加了Eulerian-VOF方法以及Eulerian-to-Lagrangian相变模型。除了这些功能外，最近的其他改进还包括增加了多参考系方法（MRF）和改进的流固耦合（FSI）模拟。

2.3 基本界面和工作流程

Converge的网格划分可能是 "自动" 的，但前处理却不是。CONVERGE Studio 是一款前处理软件，包含在标准 CONVERGE 许可证中用于准备仿真，包括所有典型仿真流程，如几何准备、边界和初始条件指定、连续体定义等。CONVERGE Studio 的设置与许多其他前处理器类似，有各种窗口用于与模型交互，分类菜单（基座）用于访问工作流程和命令。

给我的总体印象是，虽然功能强大，但用户界面似乎有点拥挤，不够美观，在引导用户完成案例设置过程方面做得一般。反过来，这些特性又给用户带来了死板的使用体验。CONVERGE Studio 给人的感觉有点像 2000 年代末期 pro-STAR 和 GAMBIT 工具的改进版，而 CD-Adapco 和 ANSYS 在推出 STAR-CCM+ 和 Workbench 这两款替代工具之前，已经将它们推向了其他方向。我认为有改进余地的几个方面是可视化、组织、用户与菜单窗口的交互以及更多样化的输出功能。对我们来说，在提交仿真之前，无法在前处理器中运行网格划分序列和可视化输出是一个大问题。无论是否使用 AMR，这一功能都非常有用。目前，在第三方软件中查看网格之前，我们需要运行一个时间步，尽管没有求解流体力学问题，然后转换输出文件。由于这是我们经常进行的操作，因此我们希望避免这种耗时的工作流程。CONVERGE Studio 将在未来几年内进行改版，特别是考虑到公司最近的发展和成功。在撰写本篇文章时，LinkedIn 上最近发布的 C++ 程序员招聘信息暗示，改造工作可能已经开始了。

2.4 CAD清理

Converge Studio的前处理首先要导入要建模的流体和/或实体域边界的几何曲面（.stl）文件。我发现使用.stl 文件令人沮丧，因为它们经常出现边界边缘、表面交叉和法线翻转错误，需要手动修复或以更高的细分密度重新导出。我们认为这种情况在未来会有所改变，因为目前的趋势是采用三维实体文件类型，如 Parasolids（.x_b、.x_t），这是因为它们的优越性和 CFD 软件对高质量几何图形的需求。

然后，对边界曲面进行 "标记"，以便为其分配正确的物理仿真。根据 .stl 格式，边界曲面是相邻曲面三角形的组合。CONVERGE Studio 提供了一些额外的方法来 "栅栏 "单个边界，并自动将 "栅栏 "内的所有三角形标记为边界，而无需逐个挑选这些表面三角形来标记边界。导入的曲面可以平移、旋转或缩放。

遗憾的是，如果您计划处理具有精细几何细节的装配体或零件，您将会遇到必须在继续处理之前修正的曲面三角形错误。虽然 CONVERGE Studio 提供了执行此类修复的标准工具（检测、删除、拼接、修补、重归一化等），但无论使用什么软件，整个手动修复过程都让我想转行。老实说，我实在无法忍受浪费时间。我更喜欢处理三维实体。在这种情况下，CFD 检测到的几何图形错误是由于三维实体建模错误造成的，而不是由于导出过程中的曲面三角形定义错误造成的。相信我，这对于复杂的多零件装配体来说是一个更快的工作流程。(注：Convergent Science 已告知我们，即将发布的 CONVERGE Studio 3.0 主要版本将通过集成 Spatial 的 API 提供直接 CAD 几何图形导入选项）。

2.5 案例设置

此时，用户可以通过Case Setup菜单来设置模拟条件。该菜单通过指定仿真类型、连续体、边界条件、运动、物理模型、网格控制和输出控制提供了一个循序渐进的过程。与前面讨论过的 CAD 嵌入式工具中的简化仿真完全不同，CONVERGE Studio 中的案例设置给人一种反其道而行之的感觉。在这一过程中，要对许多输入步骤做出明智的选择，需要非常专业的知识。我认为 CONVERGE 可以从简化中获益，即隐藏一些技术性较强或较具挑战性的参数或模型选择，默认为最佳实践，专家控制只能通过附加菜单项访问。

边界条件指定非常典型，入口和出口边界类型以及壁边界、对称边界、周期边界和界面边界类型均可使用狄利克特条件和诺依曼条件。对于壁面边界，边界可以是静止的、平移的、旋转的，也可以通过流固耦合和牛顿定律确定。第二个选项是指定移动边界，在瞬态模拟的每个时间步长，网格将根据边界运动重新计算。在指定了物理模型选择和初始条件后，案例设置的最后一步就是网格定义。定义的基本网格尺寸（3 维）必须在各区域保持一致。然后，CONVERGE CFD 将在运行时利用切割单元笛卡尔方法创建边界拟合网格，网格单元大多为六边形，边界表面附近为任意边多面体。

此外，还有三种额外的网格操作：网格缩放、网格嵌入和前面提到的 AMR。网格缩放操作的效果和听起来一样--可以放大或缩小基础网格的单元密度。嵌入选项允许你指定细化基础网格的表面或体积，并可根据每个区域进行定义。最有趣的选项是 AMR 方法，用户可以指定细化的标准以及在模拟过程中进行细化的频率。所有网格划分选项以及案例设置中指定的其他仿真参数都可以在仿真过程中通过编辑包含案例设置的文本文件进行调整。

CONVERGE 最近提供了下面的示例案例，显示了使用自适应网格划分进行大涡流模拟（LES）的结果。读者应该注意到，在跟踪标量的高梯度区域，网格单元较为集中。棱柱单元选项可以在表面的法线方向上实现更精细的分辨率，这将是一个值得欢迎的额外网格选项，但目前还没有提供。(注：Convergent Science 已告知我们，即将发布的 CONVERGE Studio 3.0 主要版本将包含此功能）。

 

在模拟之前，会对案例设置文件进行验证，如果缺少关键设置数据，则会发出错误或警告。

2.6 仿真能力

从我的测试结果来看，CONVERGE CFD 显然是一款经过全面测试、功能强大的 CFD 求解器，具有丰富的用户控制功能。它可以完全并行运行，在 Windows 和 Linux 平台上都具有出色的扩展性能。求解器本身看起来也相对快速和稳定。我认为，CONVERGE CFD 的数值耗散水平很可能低于其他主流代码，这使它更适用于更高精度的方法，如 DES 和 LES，而且在常规 RANS 计算中可能更加精确，不过我还没有对这一理论进行严格测试。串行执行可以从 CONVERGE Studio 内部或通过命令行启动，而并行执行只能通过命令行访问。

从以前的结果重新开始似乎运行良好，数据输出，甚至是离散时间步长的三维场数据输出，似乎都很高效。在我运行的测试案例中，唯一拖慢求解器速度的是生成网格的方法。AMR 程序和边界运动方法都要求在周期性时间步长内重新计算网格。虽然这一过程可以通过变形或局部重网格化在幕后进行优化，但我测试的移动边界问题的重网格化过程需要占用大量的整体运行时间（约 50%）。这导致求解时间落后于使用移动网格/界面方法的不同求解器进行的同类模拟。但需要注意的是，Convergent Science 认为这种移动网格方法 会增加过多的人工耗散，从而使其方法更加精确，而且对于较低的三角形数量，重网格化所用的运行时间比例会大大降低，这在流行的引擎应用中是很典型的。

2.7 后处理

后处理是阻碍CONVERGE CFD成为业界领先的全面工具的最大缺陷。自2018年起，CONVERGE CFD捆绑了 "Tecplot for CONVERGE "许可证，允许使用Tecplot 360（一种流行的后处理工具）。运行 CONVERGE CFD 仿真，并在仿真期间和/或结束时创建结果文件。如果要在不同时间查询计算结果以进行随时间变化的分析，则需要在每个时间创建完整的结果文件。这些结果文件被收集到一个文件夹中，然后使用一个名为 "post-convert" 的工具将这些结果转换为 Tecplot 360 或其他常用后处理器文件类型（如 FieldView 或 Paraview）所使用的格式。然后将这些结果文件导入 Tecplot 360。

作为 Resolved Analytics 标准工作流程的一部分，我们会在求解过程中积极检查仿真结果。在这种实时查询过程中，我们会查看网格特征及其与空间和时间上波动的求解变量之间的关系（作为衡量仿真质量和仿真收敛性的标准）；我们会调整和监控流动均匀性指数、传热系数、扭矩或功率输出等相关量的计算；我们会根据需要校准仿真输入，以提高仿真精度；我们还会测试对各种输入的敏感性。在 CONVERGE CFD 中，我们可以通过智能设计基于文本的连续输出文件和使用 Studio 线条绘图应用程序来管理一些典型的检查和平衡，而无需额外的开销。不过，任何与三维现场数据相关的工作都需要进行文件转换和 Tecplot 处理，这是一个耗时的中间过程，而那些完全集成了三维后处理功能的软件包则不需要这样做。我们对这种交互式查询的需求与我们正在进行的模拟的多样性有很大关系，很可能一个有数百个类似模型需要运行的用户不会像我们这样依赖这种查询。与此同时，我们也相信所有的仿真工程师都会在一定程度上受益于这种交互式查询。

后处理工作流程在录制与时间发展相关的流动量动画时尤其具有局限性。以下面的搅拌罐动画为例。模拟的实际时间为 10 秒，相当于搅拌叶轮旋转 300 度。动画需要每 0.03 秒写入 330 个输出文件，包括表面数据和相关场变量（标量）。对于 250k 单元数的模拟，每个文件的写入量约为 30MB，需要额外增加 20% 的模拟时间。post_convert "工具需要额外的几分钟时间将这些文件处理成相应的 Tecplot 文件，每个文件 43MB，总存储需求为 24GB。模拟完成后，我花了大约 30 分钟完成这个过程。读者可以得出一个显而易见的结论：对于具有数百万计算单元、较长模拟时间和多个相关量的问题，这种工作流程的密集程度会有多高。与这些要求相比，"标准"方法是在内置后处理功能的软件包中创建此类动画，以规定的频率导出图像文件，然后将这些文件连接成动画，每幅图像只需 1-2 MB（取决于所需的图像质量），而且不需要额外的计算时间或后处理时间。

2.8 许可和成本

CONVERGE CFD 提供典型的许可安排，包括锁定本地节点以及按需使用云和浮动许可。Convergent Science 对其定价讳莫如深，但公开 信息显示，单个年度许可约为 20,000 美元，额外的并行核心每个约为 1,000 美元。按需每小时许可证费用为10美元/小时，略低于竞争对手的按需价格。CONVERGE CFD可在Rescale、R-Systems和TotalCAE等云计算主机上使用。

2.9 总结

CONVERGE CFD 具有巨大的潜力，目前仅在我们的 5 项 "全面 CFD 软件包 "标准中的一项上有所欠缺。它唯一不符合的标准是我们对前处理、交互式模拟和结果可视化的单一用户界面/平台的要求。鉴于它在许多技术难题上的出色表现，我们相信它实现飞跃只是时间问题。

3 Numeca OMNIS

Numeca 由查尔斯-赫希（Charles Hirsch）教授于 20 世纪 90 年代初创立，是布鲁塞尔自由大学流体力学系的一个分支。有趣的是，Charles Hirsch 教授为我撰写了研究生阶段的 CFD 教科书--Numerical Computation of Internal and External Flows: 卷1和卷2：如果您想从他那里了解更多有关 Numeca 的信息，可以收听 Talking CFD 的 Robin Knowles 所做的访谈。Numeca 成立之初，市场上已经出现了几款多用途/通用 CFD 工具，但 Numeca 的与众不同之处在于，它允许用户专注于特定的 CFD 应用，而不是被迫使用当时的通用软件包。每个名为 FINE（流体集成环境）的专用软件包都使用一个专用 CFD 求解器，以及封装在图形用户界面中的前处理和后处理工具，包括各种类型，如结构化求解器 FINE/Turbo（用于内部涡轮机应用）、特定求解器 FINE/Marine（专门用于解决自由表面、网格自适应和自动细化以及自由度等问题）、非结构化求解器 FINE/Open（一般工业应用）和 FINE/Acoustics 等。

然而，在 2017 年末，Numeca 发布了自己的通用 CFD 软件包 OMNIS，力求吸引更广泛的用户，从修补匠和设计师到产品和工艺工程师，再到博士级 CFD 大师和超级用户。创建 OMNIS 的目的是为用户提供一种更简化的方法，以解决更广泛的 CFD 问题，从精度可能不如速度/计算时间重要的快速运行前端分析，到需要在云中多个内核上耗费数周 CPU 时间的高度复杂、高保真模型。

那么，OMNIS 究竟是什么呢？Numeca 称其为一个 "环境"：一个单一的图形用户界面，允许进行预处理和网格划分，通过任何 FINE 求解器（现在包括格构-玻尔兹曼求解器）进行求解，以及后处理（以及协同处理，我们稍后会详细介绍）。让我们深入了解一下。

 

译者注：Numeca于2021年被Cadence收购。目前OMNIS被集成到Cadence新推出的CFD软件Fidelity中。

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3.1 基本界面和工作流程

总的来说，在 OMNIS 中启动和运行分析的工作流程简单直观，即使是没有经过太多培训的初学者也能轻松上手。用户界面左侧是文件树，根据文件树的选择弹出属性窗口，中间是主图形窗口。在图形窗口的底部中央，有一个非常有用的 "导航 "工具/工作流程小部件，可显示项目的当前阶段/视图，以及运行研究必须经过的先前和未来步骤。导航窗口小部件如下图所示，其中包括按顺序排列的每个步骤--几何图形、计算域、网格、模拟和结果。在导航工作流程的上方，一个饼形控制面板显示了有用的可用功能/选项。饼形控制面板中的选项会根据活动工作流程步骤的不同而改变。

 

当分析师逐步完成每个阶段时，几何体、网格等都可以根据需要进行设置，如果需要调整或忘记设置，还可以跳回一两个步骤而不会丢失任何设置。下面，我将简要介绍每个步骤。

3.2 几何

第一步是导入用于分析的几何图形。我们在测试中使用了 Parasolid 格式，但需要注意的是，软件也支持导入SOLIDWORKS 和 CATIA 等软件的原生几何格式。除了导入几何图形，导航中的这一步还允许用户创建原始几何图形，主要用于网格细化区，也可以与主几何图形一样的方式导入。调整/修改导入的几何体也可以在这里进行。

3.3 计算域

下一步是 "域"，在这一步中，导入的几何体被分割成所需的边界，并分配物理边界条件。这一步并不复杂，但按部就班的进行可以让用户集中精力完成任务，而不会陷入分析设置的杂乱无章中。

3.4 网格

几何体和域设置完成后，接下来就是网格划分。OMNIS 内置了以六面体为主的 HEXPRESS 网格器。在测试过程中，我们感觉该网格划分器功能强大，可提供高质量的网格以及边界层细化。通过插入 "细化几何体 "进行细化的功能非常流畅和直观。网格分析也很容易，调整设置和重网格的能力也很强（记住，用户只需单击鼠标就能轻松返回域或几何图形，而不会丢失任何设置）。我们特别喜欢的一项功能是网格 "预览"，当用户在属性面板中调整单元尺寸设置时，网格 "预览 "会实时显示几何体上的曲面网格。这样，分析师就可以在运行更耗时的网格划分步骤之前，直观地看到最终网格的样子。注意：不支持多面体网格。

下图显示了我们在管道中心成功插入的细化区。这两个区域都是在外部创建的，并作为单独的 Parasolid 文件导入。

3.5 仿真能力

网格创建成功后，就可以确定模拟设置了。在这里，需要设置流体类型、属性、边界条件和求解器设置，包括停止条件。这一步也非常直观，不过，对我们来说，与其他软件包相比，停止条件有点特殊。稍后我们将讨论这个问题。模拟准备就绪后，只需点击一下按钮，就可以在图形用户界面中启动模拟，然后就可以使用 "结果分析 "进行 "协同处理"。这一功能非常有用，因为用户可以在模拟求解的同时监控流体分布、矢量等后处理场景。这在批处理模式下显然是不可用的，但在模型设置过程中作为一项错误检查功能还是很不错的。

使用 OMINS 进行模拟的一个缺点是，目前只包含一个基本的单相流求解器（除了Lattice-Boltzmann外，我们还没有测试过）。这意味着没有被动标量、多孔介质、多相（拉格朗日或欧拉）、化学反应/燃烧、移动网格/移动边界，也没有从流体到固体区域的共轭传热。OMNIS 只是一个单相流体流雷诺平均纳维-斯托克斯求解器。提供瞬态和稳态选项，以及层流和湍流（K-Omega、K-Epsilon、Spalart-Allmaras 以及其他几种）选项。不过，据我们所知，Numeca 的目标是最终将所有这些功能引入 OMNIS 环境，并通过附加的物理功能来增强该工具。

 

译者注：本文写于2020年，OMNIS版本更新得较快，这几年又更新了不少功能，有需要了解具体内容的道友可自行去官网查看。

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3.6 结果分析

模拟完成后，导航面板工作流程的最后一步是结果分析。在这里，图形用户界面主窗口中提供了典型的后处理工具，包括制作等高线/矢量图像的剪切平面，以及提取数据的线探针。创建 "quantity"是一个很好的功能，用户可以根据求解的连续体属性创建自定义值（在每个单元）。Numeca 用户指南中提供的一个例子是创建用户矢量场 "动量"（密度乘以速度矢量），然后通过矢量图绘制。

在这里，我们还希望看到一些其他功能。首先，我们希望能够创建用户监控器和报告，如域内或某平面/轴/位置上任何流体场属性（速度、密度等）的最小值、最大值或平均值。其次，我们认为在求解过程中导出场景图像的功能将有助于制作瞬态模拟动画。最后，内置的后处理功能似乎还缺少一些我们对其他商业产品所期望的基本功能，例如显示流线的功能。希望在未来的版本中，后处理功能能增加更多的功能。

3.7 其他要点

我们发现，无论是设置案例还是运行案例都非常直观。然而，我们发现在计算费用和准确性之间取得平衡是一项挑战，因为与其他软件包相比，确定模拟收敛性的方法并不典型。通常，模拟的收敛性是通过求解代表相关偏微分方程离散化版本的代数方程系统时的全局数值误差最小化来衡量的。随着稳态模拟的进行，这些 "残差 "会越来越小，解法中的 "误差 "也会越来越小。通常情况下，数值求解器的每次 "迭代 "都会跟踪残差值，并可设置一个停止标准，使代码运行到残差值达到某个目标值（如 1.0E-4 左右）为止。不过，在 OMNIS 中，这种残差并没有得到典型的处理。

首先，不是通过所有单元的归一化/平均全局误差来跟踪残差，而是根据与原始解决方案的数量级进行跟踪。这就意味着，不是按照 1.0e-3 或 1.0e-4 的残差目标进行跟踪，而是按照 -3.0 或 -4.0 的残差目标进行跟踪，这相当于从初始迭代开始减少 3 或 4 个数量级的误差。使用默认求解器设置（3 个多重网格、默认 CFL 数和离散化方案）进行简单层流管道流动时，要达到这一水平需要在多核机器上花费大量时间。我们尝试运行的一个教程在 16 个内核上运行了 4 个多小时，也未能达到收敛标准。

我们注意到的第二点是，这些残差是在每个 "周期 "而不是 "迭代 "中跟踪的。对我们来说，周期是多网格格式的术语，因为在多网格算法的每次迭代中，矩阵都会被粗化并放松几层，以便更高效地求解最细网格。这里的循环与迭代相同吗？不确定。我们注意到，输入迭代次数作为停止标准并不一定会在循环次数达到时结束模拟。由于 OMNIS 通过多网格方法在（默认情况下）3 个网格上求解，因此作为停止标准输入的迭代次数可能仅针对最终/最细网格，而不是所有三个网格的总和。

并行处理似乎没有问题，不过，与其他同类求解器相比，我们运行的测试用例需要更长的时间才能达到收敛。也许我们试图收敛的目标太低了。这可能是因为用户指定的残差公差适用于所有多网格。也许这可以加快速度，也许这里也应该添加一些独立的多网格残差调整。无论如何，为了避免混淆，应该通过用户文档提供更多关于通过残差误差确定收敛性的信息。

我们没有测试任何批处理模式流程或云计算；不过，根据用户文档，应该具备这种能力。

3.8 许可和成本

我们尚未获得 OMNIS 的任何定价信息，也不知道是否提供按需许可。一旦有相关信息，我们将及时更新。

3.9 总结

Numeca OMNIS 是一款功能强大的工具，可让从新手到专家的各类 CFD 用户在单一环境中高效地设置和运行单相流体分析。目前，后处理功能以及高级物理功能（如移动网格和多相）似乎受到了一些限制。我们被告知，在未来的 OMNIS 版本中，这些先进功能将从 FINE 产品线移植过来。我们一定会密切关注 OMNIS 的发展。从我们目前的体验来看，OMNIS 大有可为，尤其是在 Numeca 完成对 FINE 产品线全套功能的整合之后。

4 结论

上述三种工具都有可能在适当的情况下发挥巨大的价值。

COMSOL 具有独特的功能，可将自定义物理与流体动力学的预打包求解方法相结合。此外，它还具有强大的多物理场能力，以及良好的工作流程、预处理和后处理能力。它的缺点是由于依赖有限元方法，计算费用（内存和速度）较高，而且在组合多个模块以实现扩展的多物理场时成本较高。

与此同时，CONVERGE CFD 拥有大量最先进的工具，可用于模拟内燃机，并正在迅速增加许多功能，以满足更广泛的应用需求。任何希望在微尺度上生成高保真结果的从业人员都会对其独特的自适应网格划分方法感兴趣，因为在划分网格之前，需要细化网格的区域是未知的。它最大的缺点是工作流程笨拙，因为预处理受到限制，而且需要第三方后处理器，同时我们还担心在移动边界问题上，每个时间步重新网格化的计算费用。

OMNIS 是 NUMECA 的一个令人兴奋的新项目，它有望将 NUMECA 各类软件的出色物理建模功能整合到一个集成的工作流程环境中。虽然最初发布的版本在细节方面略显粗糙，也缺乏任何多物理场功能，但其工作流程非常流畅，预处理和后处理也很充分。我们会密切关注它的未来发展。

(完）