主流CFD仿真軟件概述與比較--CAE工程師必讀

2016-09-14 by:CAE仿真在線來源:互聯網

CFD(計算流體動力學)作為CAE的重要分支,是通過數值方法來描述流體的運動狀態,包含流動、傳熱、化學反應以及流體和固體之間的相互作用等。CFD描述質量傳輸、動量傳輸和能量傳輸三種過程,并通過數值方法在一個控制體內將這三種守恒的數學方程通過數值方法來進行求解,獲取豐富的流場信息。

流體求解常用有限體積法,借鑒有限元的思想,同樣進行離散并構造節點間的插值函數,求解節點因變量。但有限元由節點組成單元,因變量在單元體內分布變化,變化規律由節點之間的插值函數變化體現;而有限體積則是點轄屬體積,直接求解點上的因變量,根據插值函數對點轄體積積分獲取全場變量分布。

三大通用CFD軟件為Fluent、CFX、STAR-CD/CCM+。Fluent于1998年率先被引入國內,通用性最強,湍流模型、輻射模型全面,歐拉多相流模型也具備優勢;STAR-CD/CCM+的燃燒模型、拉氏多相流模型更擅勝場,并且具備Trim網格,處理結構復雜模型有一定優勢;CFX中規中矩,良好的前后處理接口是其賣點。

雖然通用CFD軟件方興未艾,但由于CFD技術在數值理論(N-S方程不封閉、非線性偏微分方程求解算法待完善)、物理模型(湍流模型、轉捩模型、燃燒模型等)、網格效應、驗證確認等方面的疑難,通用CFD軟件的應用仍存在局限性與較高的使用門檻,CFD仿真結果的精度與工程師的水平具備明顯的關聯關系。

為了發揮CFD技術在工程領域的應用價值,專用CFD軟件順勢而生,諸如專注運動機械

與泵閥模擬的PumpLinx、擅長自由液面分析的Flow-3D、通用并長于處理旋轉機械的NUMECA、電子產品熱分析專家FloTHERM、多相流反應器仿真利器Barracuda等,都在各自的領域獨樹一幟、傲視群雄。

對于葉片泵、容積泵、螺旋槳等運動機械而言,空化與汽蝕效應分析、動網格與微米級嚙合間隙的處理(對于齒輪泵、柱塞泵等容積式泵)是開展CFD模擬的難點。借助結構化動網格模板、全空化與汽蝕分析模型、半自動網格生成技術與高效的計算效率,專業CFD工具PumpLinx在此領域經歷了廣泛的工業驗證。此外,孤立研究單個部件,常難以給定真實的邊界并反應系統工作行為。開展系統級三維CFD分析遭遇網格劃分、大計算量的瓶頸。PumpLinx借助半自動化網格生成及動網格模板、計算效率高等特點,使系統級CFD分析成為可能。

對于流化床、反應器、焙燒爐等實際工業設備,其中包含顆粒-流體流動,顆粒數量達到天文數字且密相-稀相并存,化學反應也極為復雜。Barracuda基于CPFD方法(強耦合的歐拉-拉格朗日方法),在此類問題上獨擅勝場。