計算流體動力學(xué)與顱內(nèi)動脈瘤

CFD (計算流體動力學(xué)) 

CFD,軟件(Computational Fluid Dynamics),即計算流體動力學(xué),是流體力學(xué)的一個分支,簡稱CFD。CFD是近代流體力學(xué),數(shù)值數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物,是一門具有強大生命力的邊緣科學(xué)。它以電子計算機為工具,應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法,對流體力學(xué)的各類問題進行數(shù)值實驗、計算機模擬和分析研究,以解決各種實際問題。

工具:

1、Fluent:2006完成被ansys收購!

 在美國,有限體積法FVM法,Fluent已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品如下:(廣泛應(yīng)用!支持c\c++語言開發(fā))

 Fluent6.2---基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通用CFD求解器,以前的是結(jié)構(gòu)網(wǎng)格求解器,如4.5、5.5版的;

 Fluent的軟件設(shè)計基于CFD軟件群的思想,從用戶需求角度出發(fā),針對各種復(fù)雜流動的物理現(xiàn)象,Fluent軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法,以期在特定的領(lǐng)域內(nèi)使計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合,從而高效率地解決各個領(lǐng)域的復(fù)雜流動計算問題。基于上述思想,Fluent開發(fā)了適用于各個領(lǐng)域的流動模擬軟件,這些軟件能夠模擬流體流動、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和其它復(fù)雜的物理現(xiàn)象,軟件之間采用了統(tǒng)一的網(wǎng)格生成技術(shù)及共同的圖形界面,而各軟件之間的區(qū)別僅在于應(yīng)用的工業(yè)背景不同,因此大大方便了用戶。

GAMBIT—專用的CFD前置處理器(幾何/網(wǎng)格生成),Fluent系列產(chǎn)品皆采用Fluent公司自行研發(fā)的Gambit前處理軟件來建立幾何形狀及生成網(wǎng)格,是一具有超強組合建構(gòu)模型能力之前處理器,然后由Fluent進行求解。

Fidap——基于有限元方法的通用CFD求解器,為一專門解決科學(xué)及工程上有關(guān)流體力學(xué)傳質(zhì)及傳熱等問題的分析軟件,是全球第一套使用有限元法于CFD領(lǐng)域的軟件,其應(yīng)用的范圍有一般流體的流場、自由表面的問題、紊流、非牛頓流流場、熱傳、化學(xué)反應(yīng)等等。FIDAP本身含有完整的前后處理系統(tǒng)及流場數(shù)值分析系統(tǒng)。對問題整個研究的程序,數(shù)據(jù)輸入與輸出的協(xié)調(diào)及應(yīng)用均極有效率。

Polyflow——針對粘彈性流動的專用CFD求解器,用有限元法仿真聚合物加工的CFD軟件,主要應(yīng)用于塑料射出成形機,擠型機和吹瓶機的模具設(shè)計。

Mixsim——針對攪拌混合問題的專用CFD軟件,是一個專業(yè)化的前處理器,可建立攪拌槽及混合槽的幾何模型,不需要一般計算流體力學(xué)軟件的冗長學(xué)習(xí)過程。它的圖形人機接口和組件數(shù)據(jù)庫,讓工程師直接設(shè)定或挑選攪拌槽大小、底部形狀、折流板之配置,葉輪的型式等等。MixSim隨即自動產(chǎn)生三維網(wǎng)絡(luò),并啟動Fluent做后續(xù)的模擬分析。

IcePak---專業(yè)的電子熱分析軟件。

Airpak---強大的通風(fēng)系統(tǒng)分析軟件。

QFin---專門針對散熱器優(yōu)化和設(shè)計的CFD軟件。

英國有限體積法FVM法及基于有限元的有限體積法。支持c\c++語言開發(fā)。

網(wǎng)格能力(Fluent Gambit不如ICEM CFD);

精確性(Fluent不如CFX,人家CFX默認(rèn)的差分格式就是二階的,而Fluent用二階格式時很難收斂);

可靠性(Fluent不如CFX。憑心而論,CFX的耦合求解器比Fluent收斂快多了。那時數(shù)量級的差別。)

并行能力(Fluent也不如CFX。曾用這兩種軟件在多CPU機群上算飛機外流等問題,Fluent太慢了。)

后處理(Fluent的后處理圖太土了,相比之下CFX的圖漂亮、專業(yè)多了。)

各有優(yōu)缺點,CFX的優(yōu)點是物理模型豐富,功能強大,基于有限元的有限體積離散方法,精度比較高,但是計算速度慢;Fluent物理模型比較缺乏,很多問題沒有對應(yīng)的模型,比如多相流中每相不能是多組分,對于濕空氣和其他流體組成的多相流就不能算了。而且Fluent的前處理器格式封閉,只能適合于Fluent,CFX的前處理器icem輸出格式豐富。

(1)CFX只有fully implicit solver 一種,Fluent有segreggated,fully explicit,fully implicit三種。雖然CFX解的iteration少些,但是記憶體耗得兇啊。

(2)CFX的moving grid是我最垢病的,簡直是拉扯網(wǎng)格,Fluent在這方面明顯的強大許多

(3)CFX的udf(UserFortran in CFX),有許多函數(shù)未知,不容易開發(fā)復(fù)雜模型,但是我也不知道Fluent的udf ( in C language)是否提供完整的呼叫資訊。

(4)CFX的GUI的確弄得比Fluent好,前後處理串得很好,協(xié)調(diào)性夠。Fluent只是沒把重點擺在GUI的改善吧,可是都可以達(dá)到相同的功能,習(xí)慣就好,CFD code的重點在於容不容易求出錯誤解而不自知。code developer有無盡量減少CFD code error,GUI友不友善倒不是重點?；旧?求解的準(zhǔn)度與使用者的功力有很大的關(guān)系。同一種軟體,相同題目,有的人解出來的是錯的離譜,有的卻是OK的。

(5)兩種軟體的用戶都有許多,不容易整并成一種,倒是有可能互補長短,同時提升。

(6)至於模型,大概都會反應(yīng)最新的學(xué)術(shù)或業(yè)界的研究成果到solver models中吧,感覺是大同小異。

4、Phoenics:支持FORTRAN語言開發(fā)。

Phoenics是英國CHAM公司開發(fā)的模擬傳熱、流動、反應(yīng)、燃燒過程的通用CFD軟件,有30多年的歷史。網(wǎng)格系統(tǒng)包括:直角、圓柱、曲面(包括非正交和運動網(wǎng)格,但在其VR環(huán)境不可以)、多重網(wǎng)格、精密網(wǎng)格。可以對三維穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)的可壓縮流或不可壓縮流進行模擬,包括非牛頓流、多孔介質(zhì)中的流動,并且可以考慮粘度、密度、溫度變化的影響。在流體模型上面,Phoenics內(nèi)置了22種適合于各種Re數(shù)場合的湍流模型,包括雷諾應(yīng)力模型、多流體湍流模型和通量模型及k-e模型的各種變異,共計21個湍流模型,8個多相流模型,10多個差分格式。

Phoenics的VR(虛擬現(xiàn)實)彩色圖形界面菜單系統(tǒng)是這幾個CFD軟件里前處理最方便的一個,可以直接讀入Pro/E建立的模型(需轉(zhuǎn)換成STL格式),是復(fù)雜幾何體的生成更為方便,在邊界條件的定義方面也極為簡單,并且網(wǎng)格自動生成,但其缺點則是網(wǎng)格比較單一粗糙,針對復(fù)雜曲面或曲率小的地方的網(wǎng)格不能細(xì)分,也即是說不能在VR環(huán)境里采用貼體網(wǎng)格。另外VR的后處理也不是很好。要進行更高級的分析則要采用命令格式進行,但這在易用性上比其它軟件就要差了。

另外,Phoenics自帶了1000多個例題與驗證題,附有完整的可讀可改的輸入文件。其中就有CHAM公司做的一個PDC鉆頭的流場分析。Phoenics的開放性很好,提供對軟件現(xiàn)有模型進行修改、增加新模型的功能和接口,可以用FORTRAN語言進行二次開發(fā)。

Star-CD的最大缺點是不容易上手,至于說到它的前處理器還是相當(dāng)不錯的,只是很多人不愿意靜下心來研究它的使用,因為在這樣的時候,很多人會找借口,用Fluent,CFX多方便啊,干嗎還要學(xué)Star-CD。實際上,你熟悉了它的思想,并且你喜歡動腦子,你就會發(fā)現(xiàn)很多工作只有Star-CD能快速的做。一個形狀復(fù)雜的換熱器,你想都別想Fluent或者CFX一天能把網(wǎng)格搞定,但Star-CD可以,兩個也能搞定。如果你認(rèn)為四面體網(wǎng)格是萬能的,試一下吧,不累死你和你的機器才怪。Star-CD的后處理是不怎么樣用了兩年star-cd,雖然上手慢,但一旦熟練,就會覺得其實不比其它軟件差,但是它的后處理實在太差,不能畫流線,不能處理成渦量場等等Star-CD在四大CFD軟件中首先采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的求解器,想當(dāng)初Star-CD就是靠這起家的,Star-CD從它開始就是針對非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的。

V315好像在求解器上確實又有了進步,但是Star-CD是英國的公司,英國公司的毛病是不會管理,不會經(jīng)營,Star-CD和CFX都有這個毛病,CFX雖然比Star-CD在前處理上強一些,但是也做的“亂”。Fluent就不一樣了,界面做得簡潔,容易上手,能引起初學(xué)者的喜歡,并且國內(nèi)多數(shù)歸國學(xué)者是美國的,當(dāng)然對Fluent熟。

CFX V5.4以后好像采用的計算方法有了變化,不是采用我們常規(guī)的FVM,而是CV-FEM,這種方法我不喜歡。此外Star-CD確實有點不爭氣,Star-CD的research group集中了現(xiàn)代計算流體力學(xué)的重量級的人物,如MILOVANERIC,I·Demirdzic and S·Muzaferija這幾位在非正交網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格計算方面的工作,基本上是革命性的,現(xiàn)代CFD軟件采用FVM方法的多數(shù)是采用他們提出的方法,并且他們很早以前就將FVM的方法擴展到結(jié)構(gòu)計算(應(yīng)力分析),以及相變換熱這些比較難處理的領(lǐng)域,大家可以看看Hamburg大學(xué)的開發(fā)的CFD軟件COMET,這個軟件可以說是這幾位老先生還在學(xué)校的時候 指導(dǎo)開發(fā)的,再看一看COMET的說明,就會發(fā)現(xiàn)Star-CD只是COMET的一個相似的版本,二者有驚人的相似,從計算方法,網(wǎng)格生成的命令,編程使用的變量,幾乎是一致的;但是現(xiàn)在COMET已并入Star-CD公司,COMET很早就有了計算應(yīng)力的模塊,而且是采用FVM方法, 也就是說COMET早就解決了 流動 傳熱應(yīng)力的耦合計算,并且是FVM方法。

想起Star-CD現(xiàn)在的經(jīng)驗業(yè)績,不得不為其擔(dān)心,大家可以到CFD-ONLINE上看看,好像Star-CD現(xiàn)在內(nèi)部出現(xiàn)了嚴(yán)重的問題。Star-CD畢竟是我比較喜歡的求解器,在使用Star-CD過程對我編寫的程序有了非常大的幫助,Star-CD采用的方法是MILOVAN PERIC,I·Demirdzic and S·Muzaferija提出的方法,這幾位是我非常崇拜的老先生,他們的每一篇文章,我?guī)缀醵际占?而且大有受益。尤其PERICMILOVAN教授在我編寫程序過程中給了很多指導(dǎo)。

英國的CFD事業(yè)永遠(yuǎn)陷入一個怪循環(huán):英國人出理論,美國人出軟件。

Numeca國際公司一直致力于高度集成及用戶化的流場數(shù)值模擬軟件,及其葉輪機械設(shè)計軟件的研制和開發(fā)。這些軟件均采用最新的先進數(shù)值分析技術(shù)。Numeca國際公司集中了許多優(yōu)秀的CFD工程師,他們可給用戶提供及時有效的技術(shù)支持和服務(wù)。自從Numeca國際公司成立以來,特別是近五年來,Numeca國際公司已經(jīng)成功地在國際CFD市場,特別是在葉輪機械領(lǐng)域,掀起了強勁的Numeca旋風(fēng)。Numeca公司的軟件-FINE系列軟件,雖然市場化的較晚,但她是目前國際上最優(yōu)秀的軟件,她采用了近幾年研發(fā)出的最先進技術(shù),因此,無論在計算速度、計算精度、所需計算機內(nèi)存、使用方便程度、界面友好程度等方面都優(yōu)于其他軟件(如:Fluent和Star-CD等)。所以,她引導(dǎo)著世界CFD軟件發(fā)展的新潮流。其計算速度、精度和計算機內(nèi)存需要量均比其它軟件(如:Fluent、Tarsflow和Star-CD等優(yōu)越,其優(yōu)越程度使用過其它軟件的用戶非常驚訝?，F(xiàn)在其它軟件公司(在網(wǎng)格生成和核心求解器中)也逐漸開始采用類似于Numeca的方法。她所研發(fā)并采用的其它技術(shù)和方法現(xiàn)也已被其它軟件開發(fā)者逐步采用。因此,Numeca公司領(lǐng)導(dǎo)著世界CFD軟件發(fā)展的新潮流。

過去幾年,FINE系列軟件被國際上普遍認(rèn)為是葉輪機械等內(nèi)部流動模擬分析的首選軟件。但隨著FINE/HEXA和HEXPRESS的推出,將使Numeca的CFD軟件在模擬外部流動(包括各種飛行器:飛機、火箭、衛(wèi)星等;各種運輸工具:汽車、機車船舶等;房屋建筑群,橋梁方面,也比其它軟件有許多獨特的優(yōu)越性。

另外,由于Numeca軟件自身的特點(高的速度,高的精度,低內(nèi)存需求,以及使用方便等),她現(xiàn)在也是現(xiàn)代流體工程企業(yè)實現(xiàn)其設(shè)計、制造自動化體系的首選CFD軟件。