FLUENT軟件技術優(yōu)勢以及FLUENT與主流CFD軟件對比

2017-02-28 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

FLUENT軟件技術優(yōu)勢

前處理方面

ANSYS擁有全球最著名的ICEM高端網格劃分工具,其幾何清補及六面體網格劃分能力居所有CFD前處理軟件之首。同時具有Workbench平臺下統(tǒng)一的全參數(shù)化建模軟件DesignModeler和自動化程度極高的AnsysMeshing網格劃分工具(AnsysMeshing完全取代了Gambit和CFX-Mesh功能,并且它現(xiàn)在基本整合ICEM和FLUENTMeshing的四面體網格劃分功能)。

針對不同的模型,客戶可以靈活地選擇自己需要的網格劃分工具(對于商業(yè)客戶,以前FLUENT全包中不包含ICEM,16.0版本之后,ICEM和AnsysMeshing都會被包含在FLUENT全包中;對于高校科研版本客戶,16.0版本之后,HPC的并行由之前的4hpc擴展成為16hpc)。與此同時,FLUENT配合ANSYS統(tǒng)一的前處理工具DesignModeler和AnsysMeshing或ICEM,能方便地實現(xiàn)幾何模型、網格尺寸、邊界條件等參數(shù)化分析,這能大大提高企業(yè)及科研院所等設計單位的模型相似設計、工況系列設計的工作效率。

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關于數(shù)值算法

FLUENT軟件基于有限體積法,提供了三種數(shù)值算法,包括基于壓力的分離算法、基于密度的耦合顯式算法、基于密度的耦合隱式算法,是商用軟件中最多的。

(1)Pressure Based Segregate Solver:該算法源于經典的SIMPLE算法,其適用范圍為不可壓縮流動和中等可壓縮流動。

(2)Density Based Explicit Solver:這種算法由FLUENT公司與NASA聯(lián)合開發(fā),主要用來求解可壓縮流動(跨音速、超音速流動乃至高超音速)。

(3)Density Based Implicit Solver:該算法對Navier-Stokes方程組進行聯(lián)立求解,由于采用隱式格式,因而計算精度與收斂性要優(yōu)于Density Based Explicit方法,但卻占用較多的內存。該算法另一個突出的優(yōu)點是可以求解全速度范圍,即求解范圍從低速流動到高超音速流動。

FLUENT6.3版本以后在壓力-速度耦合方法新增了耦合壓力基算法,比壓力基算法可以達到更好的收斂性,比密度基算法計算代價小。

FLUENT的這幾種算法保證了FLUENT軟件可以模擬計算低速不可壓縮到高速可壓縮再到超音速的物理問題。并不是所有的CFD軟件都有這么多算法,因為算法的限制,有些CFD軟件甚至只能算氣動不能計算如水等不可壓縮物理問題的仿真模擬。

求解器及物理模型

1)湍流和噪聲模型

FLUENT的湍流模型一直處于商業(yè)CFD軟件的前沿,它提供的豐富的湍流模型中有經常使用到的湍流模型、針對強旋流和各相異性流的雷諾應力模型等,隨著計算機能力的顯著提高,FLUENT已經將大渦模擬(LES)納入其標準模塊,并且開發(fā)了更加高效的分離渦模型(DES),FLUENT提供的壁面函數(shù)和加強壁面處理的方法可以很好地處理壁面附近的流動問題。

氣動聲學在很多工業(yè)領域中倍受關注,模擬起來卻相當困難,如今,使用FLUENT可以有多種方法計算由非穩(wěn)態(tài)壓力脈動引起的噪音,瞬態(tài)大渦模擬(LES)預測的表面壓力可以使用FLUENT內嵌的快速傅立葉變換(FFT)工具轉換成頻譜。Fflow-Williams&Hawkings聲學模型可以用于模擬從非流線型實體到旋轉風機葉片等各式各樣的噪聲源的傳播,寬帶噪聲源模型允許在穩(wěn)態(tài)結果的基礎上進行模擬,這是一個快速評估設計是否需要改進的非常實用的工具。

2)動態(tài)和移動網格

內燃機、閥門、彈體投放和火箭發(fā)射都是包含有運動部件的例子,FLUENT提供的動網格模型滿足這些具有挑戰(zhàn)性的應用需求。它提供幾種網格重構方案,根據(jù)需要用于同一模型中的不同運動部件,僅需要定義初始網格和邊界運動。動網格與FLUENT提供的其他模型如霧化模型、燃燒模型、多相流模型、自由表面預測模型和可壓縮流模型相兼容。攪拌槽、泵、渦輪機械中的周期性運動可以使用FLUENT中的動網格模型(moving mesh)進行模擬,滑移網格和多參考坐標系模型被證實非常可靠,并和其他相關模型如LES模型、化學反應模型和多相流等有很好的兼容性。

3)傳熱、相變、輻射模型

許多流體流動伴隨傳熱現(xiàn)象,FLUENT提供一系列應用廣泛的對流、熱傳導及輻射模型。對于熱輻射,P1和Rossland模型適用于介質光學厚度較大的環(huán)境,基于角系數(shù)的Surface to Surface模型適用于介質不參與輻射的情況,DO模型(Discrete ordinates)適用于包括玻璃的任何介質。DTRM模型(Discrete ray tracing module)也同樣適用。太陽輻射模型使用光線追蹤算法,包含了一個光照計算器,它允許光照和陰影面積的可視化,這使得氣候控制的模擬更加有意義。

其他與傳熱緊密相關的汽蝕模型、可壓縮流體模型、熱交換器模型、殼導熱模型、真實氣體模型、和濕蒸汽模型。相變模型可以追蹤分析流體的融化和凝固。離散相模型(DPM)可用于液滴和濕粒子的蒸發(fā)及煤的液化。易懂的附加源項和完備的熱邊界條件使得FLUENT的傳熱模型成為滿足各種模擬需要的成熟可靠的工具。

4)化學反應模型

化學反應模型,尤其是湍流狀態(tài)下的化學反應模型在FLUENT軟件中自其誕生以來一直占著很重要的地位,多年來,FLUENT強大的化學反應模擬能力幫助工程師完成了對各種復雜燃燒過程的模擬。渦耗散概念、PDF轉換以及有限速率化學模型已經加入到FLUENT的主要模型中:渦耗散模型、均衡混合顆粒模型,小火焰模型以及模擬大量氣體燃燒,煤燃燒、液體燃料燃燒的預混合模型。預測NOx生成的模型也被廣泛的應用與定制。

許多工業(yè)應用中涉及發(fā)生在固體表面的化學反應,FLUENT表面反應模型可以用來分析氣體和表面組分之間的化學反應及不同表面組分之間的化學反應,以確保表面沉積和蝕刻現(xiàn)象被準確預測。對催化轉化、氣體重整、污染物控制裝置及半導體制造等的模擬都受益于這一技術。

FLUENT的化學反應模型可以和大渦模擬(DES)及分離渦(DES)湍流模型聯(lián)合使用,這些非穩(wěn)態(tài)湍流模型耦合到化學反應模型中,我們才有可能預測火焰穩(wěn)定性及燃盡特性。

5)多相流模型

多相流混合物廣泛應用于工業(yè)中,FLUENT軟件是在多相流建模方面的領導者,其豐富的模擬能力可以幫助工程師洞察設備內那些難以探測的現(xiàn)象,Eulerian多相流模型通過分別求解各相的流動方程的方法分析相互滲透的各種流體或各相流體,對于顆粒相流體采用特殊的物理模型進行模擬。很多情況下,占用資源較少的的混合模型也用來模擬顆粒相與非顆粒相的混合。FLUENT可用來模擬三相混合流(液、顆粒、氣),如泥漿氣泡柱和噴淋床的模擬,可以模擬相間傳熱和相間傳質的流動,使得對均相及非均相的模擬成為可能。

FLUENT標準模塊中還包括許多其他的多相流模型,對于其他的一些多相流流動,如噴霧干燥器、煤粉高爐、液體燃料噴霧,可以使用離散相模型(DPM)。射入的粒子,泡沫及液滴與背景流之間進行發(fā)生熱、質量及動量的交換。

后處理效果

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FLUENT的后處理可以生成有實際意義的圖片、動畫、報告,這使得CFD的結果非常容易地被轉換成工程師和其他人員可以理解的圖形,表面渲染、跡線追蹤僅是該工具的幾個特征卻使FLUENT的后處理功能獨樹一幟。FLUENT的數(shù)據(jù)結果還可以導入到第三方的圖形處理軟件或者CAE軟件進行進一步的分析。

FLUENT的CFD-POST后處理具有強大的3D渲染效果,能同步對多工況進行對比分析,并能自動以云圖的形式顯示被對比工況的差異,CFD-POST還能自動出仿真結果的計算報告。

數(shù)據(jù)集成方面

FLUENT集成于ANSYS Workbench中,可以實現(xiàn)參數(shù)化的模擬流程,包括從幾何建模、網格劃分、計算求解、后處理和優(yōu)化的整個流程。在多物理場耦合方面,FLUENT在ANSYS Workbench中和ANSYS結構、電磁、顯示動力學等模塊實現(xiàn)無縫耦合,各模塊可以共用幾何建模和網格劃分流程。

市場份額、軟件易用性、售后服務

FLUENT軟件在全球的市場占有率超過38%,美國的市場占有率超過65%,國內的市場,FLUENT軟件在國內的市場占有率超過80%,因為軟件的易用性,超過95%的高校使用FLUENT軟件做流體仿真分析。