中财网鲤鱼怎么弄好吃:CFD——计算流体力学
来源：百度文库 编辑：中财网 时间：2024/04/27 18:01:32
CFD---Computational Fluid Dynamics, 即计算流体动力学
CFD软件是目前国际上一个强有力的研究领域, 是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术, 广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计、HAVC&R 等诸多工程领域, 板翅式换热器设计是CFD 技术应用的重要领域之一。
CFD 在最近20 年中得到飞速的发展, 除了计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外, 还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制, 例如由于问题的复杂性, 既无法作分析解, 也因费用昂贵而无力进行实验确定, 而CFD 的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。经过一定考核的CFD 软件可以拓宽实验研究的范围, 减少成本昂贵的实验工作量。在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次数值实验, 历史上也曾有过首先由CFD 数值模拟发现新现象而后由实验予以证实的例子。CFD 软件一般都能推出多种优化的物理模型, 如定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等等。对每一种物理问题的流动特点, 都有适合它的数值解法, 用户可对显式或隐式差分格式进行选择, 以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。CFD 软件之间可以方便地进行数值交换, 并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在计算机方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动, 而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。
CFD 软件的总体介绍
1、 CFD 软件的一般结构
CFD 软件的一般结构由前处理、求解器、后处理三部分组成。
前处理、求解器及后处理三大模块, 各有其独特的作用, 分别表示如下:
一般结构
前处理
a. 几何模型
b. 划分网格
求解器
a. 确定CFD 方法的控制方程
b. 选择离散方法进行离散
c. 选用数值计算方法
d. 输入相关参数
后处理
速度场、温度场、压力场及其它参数的计算机可视化及动画处理
2、商业软件介绍
自从1981 年英国CHAM 公司首先推出求解流动与传热问题的商业软件PHOENICS以来, 迅速在国际软件产业中形成了通称为CFD 软件的产业市场。到今天, 全世界至少已有50 余种这样的流动与传热问题的商业软件, 在促进CFD 技术应用于工业实际中起了很大的作用。下面介绍当今世界上应用较广的CFD 商业软件。
(1) CFX
该软件采用有限容积法、拼片式块结构化网络, 在非正交曲线坐标(适体坐标) 系上进行离散, 变量的布置采用同位网格方式。对流项的离散格式包括一阶迎风、混合格式、QUICK、CONDIF、MUSCI 及高阶迎风格式。压力与速度的耦合关系采用SIMPLE 系列算法, 代数方程求解的方法中包括线迭代、代数多重网络、ICCG、STON E 强隐方法及块隐式(BIM)。软件可计算不可压缩及可压缩流动、耦合传热问题、多相流、化学反应、气体燃烧等问题。
(2) FIDAP
这是英语Fluid Dynamics Analysis Package 的缩写, 系于1983 年由美国Fluid Dynamics International Inc. 推出, 是世界上第一个使用有限元法(FEM) 的CFD 软件。可以接受如I-DEAS、PATRAN、ANSYS 和ICEMCFD 等著名生成网格的软件所产生的网格。该软件可以计算可压缩及不可压缩流、层流与湍流、单相与两相流、牛顿流体及非牛顿流体的流动问题。
(3) FLUENT
这一软件由美国FLU EN T Inc. 于1983 年推出, 是继PHOEN ICS 软件之后的第二个投放市场的基于有限容积法的软件。它包含有结构化及非结构化网格两个版本。在结构化网格版本中有适体坐标的前处理软件, 同时也可以纳入I-DEAS、PATRAN、ANSYS 和ICEMCFD 等著名生成网格的软件所产生的网格。速度与压力耦合采用同位网格上的SIMPLE算法。对流项差分格式纳入了一阶迎风、中心差分及QU ICK 等格式。软件能计算可压缩及不可压缩流动、含有粒子的蒸发、燃烧过程、多组分介质的化学反应过程等问题。
(4) PHOENICS
这是世界上第一个投放市场的CFD 商业软件, 可以算是CFD 商用软件的鼻祖。这一软件中所采用的一些基本算法, 如SIMPLE 方法、混合格式等, 正是由该软件创始人D BSpalding 及其合作者S V Patankar 等所提出的, 对以后开发的商业软件有较大的影响。近年来, PHOENICS 软件在功能上与方法方面做了较大的改进, 包括纳入拼片式多网格及细密网格嵌入技术, 同位网格及非结构化网格技术; 在湍流模型方面开发了通用的零方程、低Reynolds k-E模型、RNG k-E模型等。应用这一软件可计算大量的实际工作问题, 其中包括: 城市污染预测、叶轮中的流动、管道流动。
(5) STAR-CD
这一软件名称是英语Simulation of Turbulent Flow in Arbitrary Region 的缩写, 连字符后的CD 是开发商Computational Dynamics Ltd 的简称。这是基于有限容积法的一个通用软件。在网格生成方面, 采用非结构化网格, 单元的形态可以有六面体、四面体、三角形截面的棱柱体、金字塔形的锥体及六种形状的其它多面体。应用这一软件可以计算稳态与非稳态流动、牛顿流及非牛顿流体的流动、多孔介质中的流动、亚音速及超音速流动, 并且这一软件在世界汽车工业中应用的十分广泛。
CFD软件是目前国际上一个强有力的研究领域, 是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术, 广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计、HAVC&R 等诸多工程领域, 板翅式换热器设计是CFD 技术应用的重要领域之一。
CFD 在最近20 年中得到飞速的发展, 除了计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外, 还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制, 例如由于问题的复杂性, 既无法作分析解, 也因费用昂贵而无力进行实验确定, 而CFD 的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。经过一定考核的CFD 软件可以拓宽实验研究的范围, 减少成本昂贵的实验工作量。在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次数值实验, 历史上也曾有过首先由CFD 数值模拟发现新现象而后由实验予以证实的例子。CFD 软件一般都能推出多种优化的物理模型, 如定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等等。对每一种物理问题的流动特点, 都有适合它的数值解法, 用户可对显式或隐式差分格式进行选择, 以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。CFD 软件之间可以方便地进行数值交换, 并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在计算机方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动, 而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。
CFD 软件的总体介绍
1、 CFD 软件的一般结构
CFD 软件的一般结构由前处理、求解器、后处理三部分组成。
前处理、求解器及后处理三大模块, 各有其独特的作用, 分别表示如下:
一般结构
前处理
a. 几何模型
b. 划分网格
求解器
a. 确定CFD 方法的控制方程
b. 选择离散方法进行离散
c. 选用数值计算方法
d. 输入相关参数
后处理
速度场、温度场、压力场及其它参数的计算机可视化及动画处理
2、商业软件介绍
自从1981 年英国CHAM 公司首先推出求解流动与传热问题的商业软件PHOENICS以来, 迅速在国际软件产业中形成了通称为CFD 软件的产业市场。到今天, 全世界至少已有50 余种这样的流动与传热问题的商业软件, 在促进CFD 技术应用于工业实际中起了很大的作用。下面介绍当今世界上应用较广的CFD 商业软件。
(1) CFX
该软件采用有限容积法、拼片式块结构化网络, 在非正交曲线坐标(适体坐标) 系上进行离散, 变量的布置采用同位网格方式。对流项的离散格式包括一阶迎风、混合格式、QUICK、CONDIF、MUSCI 及高阶迎风格式。压力与速度的耦合关系采用SIMPLE 系列算法, 代数方程求解的方法中包括线迭代、代数多重网络、ICCG、STON E 强隐方法及块隐式(BIM)。软件可计算不可压缩及可压缩流动、耦合传热问题、多相流、化学反应、气体燃烧等问题。
(2) FIDAP
这是英语Fluid Dynamics Analysis Package 的缩写, 系于1983 年由美国Fluid Dynamics International Inc. 推出, 是世界上第一个使用有限元法(FEM) 的CFD 软件。可以接受如I-DEAS、PATRAN、ANSYS 和ICEMCFD 等著名生成网格的软件所产生的网格。该软件可以计算可压缩及不可压缩流、层流与湍流、单相与两相流、牛顿流体及非牛顿流体的流动问题。
(3) FLUENT
这一软件由美国FLU EN T Inc. 于1983 年推出, 是继PHOEN ICS 软件之后的第二个投放市场的基于有限容积法的软件。它包含有结构化及非结构化网格两个版本。在结构化网格版本中有适体坐标的前处理软件, 同时也可以纳入I-DEAS、PATRAN、ANSYS 和ICEMCFD 等著名生成网格的软件所产生的网格。速度与压力耦合采用同位网格上的SIMPLE算法。对流项差分格式纳入了一阶迎风、中心差分及QU ICK 等格式。软件能计算可压缩及不可压缩流动、含有粒子的蒸发、燃烧过程、多组分介质的化学反应过程等问题。
(4) PHOENICS
这是世界上第一个投放市场的CFD 商业软件, 可以算是CFD 商用软件的鼻祖。这一软件中所采用的一些基本算法, 如SIMPLE 方法、混合格式等, 正是由该软件创始人D BSpalding 及其合作者S V Patankar 等所提出的, 对以后开发的商业软件有较大的影响。近年来, PHOENICS 软件在功能上与方法方面做了较大的改进, 包括纳入拼片式多网格及细密网格嵌入技术, 同位网格及非结构化网格技术; 在湍流模型方面开发了通用的零方程、低Reynolds k-E模型、RNG k-E模型等。应用这一软件可计算大量的实际工作问题, 其中包括: 城市污染预测、叶轮中的流动、管道流动。
(5) STAR-CD
这一软件名称是英语Simulation of Turbulent Flow in Arbitrary Region 的缩写, 连字符后的CD 是开发商Computational Dynamics Ltd 的简称。这是基于有限容积法的一个通用软件。在网格生成方面, 采用非结构化网格, 单元的形态可以有六面体、四面体、三角形截面的棱柱体、金字塔形的锥体及六种形状的其它多面体。应用这一软件可以计算稳态与非稳态流动、牛顿流及非牛顿流体的流动、多孔介质中的流动、亚音速及超音速流动, 并且这一软件在世界汽车工业中应用的十分广泛。
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