CFD軟件哪家強(qiáng)

2017-02-07 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

計(jì)算流體力學(xué)是用電子計(jì)算機(jī)和離散化的數(shù)值方法對(duì)流體力學(xué)問題進(jìn)行數(shù)值模擬和分析的一個(gè)新分支。

早在20世紀(jì)初,理查德就已提出用數(shù)值方法來解流體力學(xué)問題的思想。但是由于這種問題本身的復(fù)雜性和當(dāng)時(shí)計(jì)算工具的落后,這一思想并未引起人們重視。自從40年代中期電子計(jì)算機(jī)問世以來,用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬和計(jì)算才成為現(xiàn)實(shí)。1963年美國(guó)的F.H.哈洛和J.E.弗羅姆用當(dāng)時(shí)的IBM7090計(jì)算機(jī),成功地解決了二維長(zhǎng)方形柱體的繞流問題并給出尾流渦街的形成和演變過程,受到普遍重視。1965年,哈洛和弗羅姆發(fā)表“流體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)”一文,對(duì)計(jì)算機(jī)在流體力學(xué)中的巨大作用作了引人注目的介紹。從此,人們把60年代中期看成是計(jì)算流體力學(xué)興起的標(biāo)志。

經(jīng)過50年的理論基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)硬件水平的不斷提高,CFD已在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用并發(fā)揮著巨大的作用,各種商業(yè)CFD軟件更是蓬勃發(fā)展,對(duì)CFD技術(shù)在工程應(yīng)用中的推廣起了巨大的促進(jìn)作用,今天就對(duì)各種CFD商用軟件做一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。

一、革命先驅(qū)

PHOENICS

一般認(rèn)為是Spalding主持的英國(guó)CHAM公司是CFD軟件商業(yè)化的先驅(qū)。Spalding與Patankar提出的SIMPLE算法(半隱式壓力校正解法)在70年代己被廣泛用于熱流問題求解,CHAM公司在80年代初以該方法為基礎(chǔ)推出了計(jì)算流體力學(xué)與傳熱學(xué)的商業(yè)化軟件PHOENICS的早期版本。這是CFD通用軟件包的雛型,具有一定通用性,盡管功能還很不完備,但問世后很受歡迎。

如今,PHOENICS已經(jīng)發(fā)展成為一款能夠模擬傳熱、流動(dòng)、反應(yīng)、燃燒過程的通用CFD軟件。

主要特點(diǎn):

1、開放性:Phoenics最大限度地向用戶開放了程序,用戶可以根據(jù)需要任意修改添加用戶程序、用戶模型。PLANT及INFORM功能的引入使用戶不再需要編寫FORTRAN源程序,GROUND程序功能使用戶修改添加模型更加任意和方便。

2、CAD接口:Phoenics可以讀入任何CAD軟件的圖形文件。

3、MOVOBJ:運(yùn)動(dòng)物體功能可以定義物體運(yùn)動(dòng),避免了使用相對(duì)運(yùn)動(dòng)方法的局限性。

4、大量的模型選擇:20多種湍流模型,多種多相流模型,多流體模型,燃燒模型,輻射模型。

5、提供了歐拉算法也提供了基于粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的拉格朗日算法。

6、計(jì)算流動(dòng)與傳熱時(shí)能同時(shí)計(jì)算浸入流體中的固體的機(jī)械和熱應(yīng)力。

7、VR(虛擬現(xiàn)實(shí))用戶界面引入了一種嶄新的CFD建模思路。

8、PARSOL(CUT CELL):部分固體處理。

9、軟件自帶1000多個(gè)例題,附有完整的可讀可改的原始輸入文件。

10、Phoenics專用模塊:建筑模塊(FLAIR) 電站鍋爐模塊(COFFUS)

應(yīng)用領(lǐng)域:

能源動(dòng)力、兩相、多相流、航空航天、傳熱傳質(zhì)、化工燃燒、爆炸、船舶水利、化學(xué)反應(yīng)、建筑、暖通空調(diào)、流體機(jī)械、冶金、磁流體、環(huán)境、材料。

二、中堅(jiān)力量

FLUENT

FLUENT軟件是當(dāng)今世界CFD仿真領(lǐng)域最為全面的軟件包之一,具有廣泛的物理模型,以及能夠快速準(zhǔn)確的得到CFD分析結(jié)果。

FLUENT軟件擁有模擬流動(dòng),湍流,熱傳遞和反應(yīng)等廣泛物理現(xiàn)象的能力,在工業(yè)上的應(yīng)用包括從流過飛機(jī)機(jī)翼的氣流到爐膛內(nèi)的燃燒,從鼓泡塔到鉆井平臺(tái),從血液流動(dòng)到半導(dǎo)體生產(chǎn),以及從無塵室設(shè)計(jì)到污水處理裝置等等。軟件中的專用模型可以用于開展缸內(nèi)燃燒,空氣聲學(xué),渦輪機(jī)械和多相流系統(tǒng)的模擬工作。

現(xiàn)今,全世界范圍內(nèi)數(shù)千計(jì)的公司將FLUENT與產(chǎn)品研發(fā)過程中設(shè)計(jì)和優(yōu)化階段相整合,并從中獲益。先進(jìn)的求解技術(shù)可提供快速、準(zhǔn)確的CFD結(jié)果、靈活的移動(dòng)和變形網(wǎng)格,以及出眾的并行可擴(kuò)展能力。用戶自定義函數(shù)可實(shí)現(xiàn)全新的用戶模型和擴(kuò)展現(xiàn)有模型。

FLUENT中的交互式的求解器設(shè)置、求解和后處理能力可輕易暫停計(jì)算過程,利用集成的后處理檢查結(jié)果,改變?cè)O(shè)置,并隨后用簡(jiǎn)單的操作繼續(xù)執(zhí)行計(jì)算。ANSYS CFD-Post可以讀入Case和Data文件,并利用其先進(jìn)的后處理工具開展深入分析,同時(shí)對(duì)比多個(gè)算例。

ANSYS Workbench集成ANSYS FLUENT后給用戶提供了與所有主要CAD系統(tǒng)的雙向連接功能,其中包括ANSYS DesignModeler強(qiáng)大的幾何修復(fù)和生成能力,以及ANSYS Meshing先進(jìn)的網(wǎng)格劃分技術(shù)。該平臺(tái)通過使用一個(gè)簡(jiǎn)單的拖放操作便可以共享不同應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果。

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CFX

CFX是全球第一個(gè)通過ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的大型商業(yè)CFD軟件,由英國(guó)AEA Technology公司開發(fā)。2003年,CFX軟件被ANSYS公司收購(gòu)。誕生在工業(yè)應(yīng)用背景中的CFX一直將精確的計(jì)算結(jié)果、豐富的物理模型、強(qiáng)大的用戶擴(kuò)展性作為其發(fā)展的基本要求,并以其在這些方面的卓越成就,引領(lǐng)著CFD技術(shù)的不斷發(fā)展。目前,CFX已經(jīng)遍及航空航天、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、能源、石油化工、機(jī)械制造、汽車、生物技術(shù)、水處理、火災(zāi)安全、冶金、環(huán)保等領(lǐng)域,為其在全球6000多個(gè)用戶解決了大量的實(shí)際問題。

和大多數(shù)CFD軟件不同的,CFX除了可以使用有限體積法之外,還采用了基于有限元的有限體積法。基于有限元的有限體積法保證了在有限體積法的守恒特性的基礎(chǔ)上,吸收了有限元法的數(shù)值精確性。在CFX中,基于有限元的有限體積法,對(duì)六面體網(wǎng)格單元采用24點(diǎn)插值,而單純的有限體積法僅僅采用6點(diǎn)插值;對(duì)四面體網(wǎng)格單元采用60點(diǎn)插值,而單純的有限體積法僅僅采用4點(diǎn)插值。在湍流模型的應(yīng)用上,除了常用的湍流模型外,CFX最先使用了大渦模擬(LES)和分離渦模擬(DES)等高級(jí)渦流模型。

CFX可計(jì)算的物理問題包括可壓與不可壓流體、耦合傳熱、熱輻射、多相流、粒子輸送過程、化學(xué)反應(yīng)和燃燒問題。還擁有諸如氣蝕、凝固、沸騰、多孔介質(zhì)、相間傳質(zhì)、非牛頓流、噴霧干燥、動(dòng)靜干涉、真實(shí)氣體等大批負(fù)責(zé)現(xiàn)象的使用模型。

在其湍流模型中,納入了k-?模型、低Reynolds數(shù)k-?模型、低Reynolds數(shù)Wilcox模型、代數(shù)Reynolds應(yīng)力模型、微分Reynolds應(yīng)力模型、微分Reynolds通量模型、SST模型和大渦模型。

作為世界上唯一采用全隱式耦合算法的大型商業(yè)軟件。算法上的先進(jìn)性,豐富的物理模型和前后處理的完善性使ANSYS CFX在結(jié)果精確性,計(jì)算穩(wěn)定性,計(jì)算速度和靈活性上都有優(yōu)異的表現(xiàn)。

除了一般工業(yè)流動(dòng)以外,ANSYS CFX還可以模擬諸如燃燒,多相流,化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜流場(chǎng)。ANSYS CFX還可以和ANSYS Structure及ANSYS Emag等軟件配合,實(shí)現(xiàn)流體分析和結(jié)構(gòu)分析,電磁分析等的耦合。ANSYS CFX也被集成在ANSYS Workbench環(huán)境下,方便用戶在單一操作界面上實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工程問題的模擬。

ANSYS CFX不僅是一款強(qiáng)大的CFD軟件。ANSYS Workbench平臺(tái)融合了ANSYS DesignModeler強(qiáng)大的幾何修復(fù)和ANSYS Meshing先進(jìn)的網(wǎng)格劃分技術(shù),為所有主流的CAD系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)的雙向連接,使數(shù)據(jù)的拖-放轉(zhuǎn)換以及不同的應(yīng)用程序間共享結(jié)果更為容易。

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STAR-CCM+

STAR-CCM+是CD-adapco集團(tuán)推出的新一代CFD軟件。采用最先進(jìn)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)算法(computational continuum mechanics algorithms),并和卓越的現(xiàn)代軟件工程技術(shù)結(jié)合在一起,擁有出色的性能、精度和高可靠性。

STAR-CCM+擁有一體化的圖形用戶界面,從參數(shù)化CAD建模、表面準(zhǔn)備、體網(wǎng)格生成、模型設(shè)定、計(jì)算求解一直到后處理分析的整個(gè)流程,都可以在同一個(gè)界面環(huán)境中完成。

基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)算法的STAR-CCM+,不僅可以進(jìn)行熱、流體分析,還擁有結(jié)構(gòu)應(yīng)力、噪聲等其它物理場(chǎng)的分析功能,功能強(qiáng)大而又易學(xué)易用。

STAR-CCM+創(chuàng)新性的表面包面功能、全自動(dòng)生成多面體網(wǎng)格或六面體為核心的體網(wǎng)格功能、在計(jì)算過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控后處理結(jié)果的功能,甚至細(xì)微到使用復(fù)制、粘貼功能傳遞設(shè)定參數(shù)等等,處處體現(xiàn)了STAR-CCM+為了最小化用戶的人工操作時(shí)間、更方便更直接地將結(jié)果呈現(xiàn)在用戶面前而精心設(shè)計(jì)的理念。

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三、行家里手

除了上述提到的一些通用CFD軟件,還有一些在特定領(lǐng)域起到巨大作用的專業(yè)化CFD軟件,這些軟件不僅對(duì)于具體工程問題更有針對(duì)性,而且方便一些不具備專業(yè)流體知識(shí)的工程師快速上手使用。

AVL FIRE

AVL FIRE是一款專業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)CFD軟件,能解決所有和發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)的CFD問題。它能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及部件內(nèi)部的流動(dòng)、噴霧、混合氣形成、壁膜、燃燒、和排放物的形成進(jìn)行詳細(xì)的模擬分析。還有專業(yè)的尾氣后處理模塊用于各類催化轉(zhuǎn)化器的研究和優(yōu)化。

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CONVERGE

CONVERGE是由美國(guó)Convergent Science公司開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)CFD專業(yè)分析軟件。

如何快速、高效地生成高質(zhì)量的計(jì)算網(wǎng)格一直是提高CFD分析工作效率的瓶頸,而CONVERGE擁有強(qiáng)大的自動(dòng)化生成網(wǎng)格功能,可大量節(jié)省用戶的網(wǎng)格生成時(shí)間。CONVERGE的網(wǎng)格體系完全基于正交化網(wǎng)格,可采用自適應(yīng)加密等等多種網(wǎng)格控制策略,以最小的計(jì)算負(fù)荷量實(shí)現(xiàn)高精度的仿真分析。

CONVERGE擁有噴霧模型,燃燒模型等發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)分析所必須的各種豐富的物理模型,可用來模擬汽油機(jī),柴油機(jī),天然氣及HCCI等任何類型的發(fā)動(dòng)機(jī)。

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FLACS

FLACS是一款用于CFD爆炸建模的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件,同時(shí)還是一種適用于易燃、有毒物質(zhì)排放的技術(shù)安全上下文建模的最佳驗(yàn)證工具。

FLACS是一個(gè)全面的、易于使用的3D建模軟件工具,用于分散和爆炸的影響分析,是針對(duì)所有典型的易燃和有毒物質(zhì)排放的解決方案。它廣泛用于石油和天然氣及過程工業(yè),也越來越多的用于核工業(yè),以及粉塵爆炸的潛力分析和許多其他領(lǐng)域的設(shè)施。CFD過程全部采用3D建模,可以更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)后果,并減輕限制和擁塞真實(shí)的幾何體的影響。更好的獲取更高精確度的結(jié)果,不僅有助于提高安全性的真實(shí)水平,也可以讓設(shè)計(jì)人員能夠選擇真正有效的設(shè)計(jì)方案和緩解措施,從而提高安全性和成本效益的。

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Fluidyn

Fluidyn是為專門滿足石化、石油和天然氣工業(yè)的需求,應(yīng)對(duì)潛在的高風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)原理開發(fā)的軟件。

這款軟件可以專門用于:

定量和定性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
失效模式和影響分析
后果模擬
污染擴(kuò)散模擬

這個(gè)行業(yè)廣泛采用的一些Fluidyn軟件如下:

過程工業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析和規(guī)劃軟件(fluidyn ASSESSRISK)
研究由工業(yè)事故導(dǎo)致的瞬態(tài)排放擴(kuò)散模式或稠密氣體擴(kuò)散、火災(zāi) (fluidyn PANEPR)
火災(zāi)研究和燃燒副產(chǎn)品擴(kuò)散軟件(fluidyn PANFIRE)
由于煉油廠、儲(chǔ)罐區(qū)事故導(dǎo)致的波浪作用及后果的仿真 (fluidyn PANWAVE)
復(fù)雜流體流動(dòng)分析軟件(fluidyn MP)

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FloVENT

FloVENT是一款功能強(qiáng)大的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件,能夠預(yù)測(cè)各類建筑物內(nèi)和周圍的三維氣流、傳熱、污染分布和舒適度。它提供反應(yīng)快速和簡(jiǎn)單易用的菜單系統(tǒng),是專為設(shè)計(jì)和優(yōu)化供暖、通風(fēng)和空調(diào)設(shè)備的工程師而打造。

FloVENT擅長(zhǎng)于模擬:

中庭、購(gòu)物中心和辦公樓
劇院、機(jī)場(chǎng)碼頭、倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施和倉(cāng)庫(kù)
海洋石油平臺(tái)
建筑物和隧道火災(zāi)
汽車乘客舒適度
實(shí)驗(yàn)室、研究設(shè)施、醫(yī)院、地下停車場(chǎng)的空氣質(zhì)量和污染控制

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四、新生勢(shì)力

XFLOW

XFlow是Next Limit Technologies公司開發(fā)的新一代的基于無網(wǎng)格、拉格朗日粒子法和大渦模擬(LES) 技術(shù)的流體力學(xué)計(jì)算軟件,它省去了劃分復(fù)雜網(wǎng)格的時(shí)間,能真實(shí)地模擬復(fù)雜的幾何和運(yùn)動(dòng)物體, 大大提高流體計(jì)算效率和精確性, 為客戶節(jié)省價(jià)格昂貴的試驗(yàn)成本。

重要特點(diǎn)包括:

無網(wǎng)格方法

XFlow中的無網(wǎng)絡(luò)方法是基于粒子和具有完整拉格朗日函數(shù)的方法,這意味著將不再需要對(duì)經(jīng)典的流體區(qū)域劃分網(wǎng)格,同時(shí)表面復(fù)雜性不再是一種限制因素。XFlow能夠解決運(yùn)動(dòng)的物體和可變形部分,能夠適應(yīng)低質(zhì)量的輸入幾何。

基于粒子動(dòng)力式解算器

XFlow以一種全新的、基于粒子的動(dòng)力算法為特征,對(duì)波爾茲曼方程和可壓縮的納維-斯托克斯方程進(jìn)行求解。該解算器的特點(diǎn)是具有現(xiàn)代化的大渦模擬(LES)建模能力,以及具有高級(jí)非平衡隔離型模型。

高級(jí)建模能力

XFlow能夠處理大規(guī)模復(fù)雜模型,并且結(jié)合移動(dòng)部分、強(qiáng)制或關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)或接觸建模過程,極大地簡(jiǎn)化分析結(jié)構(gòu)。

高級(jí)分析能力

XFlow的求解器還支持熱分析,熱交換,輻射,跨音速和超音速流動(dòng),在多孔介質(zhì)中流動(dòng),非牛頓流,離散相模型和復(fù)雜邊界條件,如多孔介質(zhì)中跳動(dòng)或風(fēng)扇類模型。

自適應(yīng)蹤跡改良

XFlow的引擎可根據(jù)用戶需求自動(dòng)適應(yīng)解算規(guī)模,在各項(xiàng)隔離附近精確解算質(zhì)量,并且在流動(dòng)發(fā)展同時(shí)動(dòng)態(tài)適應(yīng)其蹤跡。

單獨(dú)一致的隔離模型

XFlow使用一種統(tǒng)一的非平衡隔離函數(shù)對(duì)邊界層進(jìn)行建模。該隔離模型可用于所有情況下,這意味著在不同的算法間無需進(jìn)行選擇,也無需處理每個(gè)體系相關(guān)的不同限制。

近似線性的可擴(kuò)展性能

XFlow使用近似線性的可擴(kuò)展能力,對(duì)于多核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)完全的平行處理。

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PowerFLOW

PowerFLOW是美國(guó)EXA公司基于LBM(格子-波爾茲曼方法)開發(fā)的CFD求解器。LBM相對(duì)于FVM(有限體積法)的先進(jìn)性使PowerFLOW具有無需簡(jiǎn)化復(fù)雜的CAD模型、全自動(dòng)生成笛卡爾網(wǎng)格、非定常模擬、幾乎線性的并行效率、精確度極高等優(yōu)點(diǎn)。另外它還具有在初始結(jié)構(gòu)上增加并減少部件方便地進(jìn)行參數(shù)化研究、利用同一個(gè)模型可以進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)、氣動(dòng)聲學(xué)和熱管理等多學(xué)科模擬等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。對(duì)CAD無需做任何修改和簡(jiǎn)化、網(wǎng)格自動(dòng)生成、專業(yè)化的咨詢服務(wù)團(tuán)隊(duì)服務(wù)使得PowerFLOW變得非常易于使用,讓企業(yè)使用CFD軟件的門檻降到最低。這使PowerFLOW已經(jīng)成為全球頂尖地面交通工具公司在氣動(dòng)、噪聲及熱管理等方面數(shù)值模擬的首選軟件。它能為空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化提供一個(gè)真實(shí)的數(shù)字風(fēng)洞求解,在全球占有統(tǒng)治地位。PowerFLOW進(jìn)行內(nèi)外空氣動(dòng)力學(xué)模擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)已經(jīng)使得Exa成為該領(lǐng)域的領(lǐng)先者。

PowerFLOW的主要特點(diǎn)求解快速、完全的幾何細(xì)節(jié)和瞬態(tài)分析–已經(jīng)使得流體力學(xué)模擬成為一種真正可用于生產(chǎn)設(shè)計(jì)的工具,改變了空氣動(dòng)力學(xué)開發(fā)的方式。

主要特點(diǎn):

高速的流體計(jì)算功能

做整車的CAD流體分析時(shí)間小于5天;

優(yōu)化時(shí)間小于1天。

無需簡(jiǎn)化的CAD模型

考慮完全的外部特征、底盤特征和內(nèi)部特征;

所有設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)完全考慮在內(nèi)。

準(zhǔn)確的計(jì)算精度

與風(fēng)洞試驗(yàn)曲線的完全吻合。

同一個(gè)模型可用于多學(xué)科的優(yōu)化

利用同一個(gè)模型可進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化、氣動(dòng)噪聲優(yōu)化、散熱分析優(yōu)化。

可進(jìn)行參數(shù)化研究

在初始結(jié)構(gòu)上增加并減少部件方便地進(jìn)行參數(shù)化研究

全自動(dòng)生成笛卡爾網(wǎng)格

全自動(dòng)網(wǎng)格生成節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用

非定常模擬

真實(shí)的瞬態(tài)模擬特性能改善功能設(shè)計(jì)。

多處理器的性能呈線性增加

多處理器機(jī)器的性能與單處理器的相比,呈線性增加,可達(dá)上百倍。

易于使用

PowerFLOW的使用者無需對(duì)CAD及CAE網(wǎng)格劃分有高深的理解,且除了軟件銷售和安裝之外,Exa全球的工程咨詢服務(wù)機(jī)構(gòu)會(huì)為企業(yè)提供全面的咨詢服務(wù)。

數(shù)值穩(wěn)定性好

求解結(jié)果不依賴于幾何及網(wǎng)格的優(yōu)劣,不管幾何多么復(fù)雜, PowerFLOW都能提供可信的結(jié)果。

兼容性好

帶有CAD通用接口,能夠跨平臺(tái)使用,PowerFLOW可以用于現(xiàn)有的工程學(xué)環(huán)境。

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結(jié)語(yǔ)

在過去的幾十年中,CFD軟件取的了飛速的進(jìn)步,在未來前進(jìn)的道路上,CFD軟件必將還能發(fā)揮更大的作用,為方便客戶的專業(yè)化需求,將進(jìn)一步開發(fā)個(gè)性化的仿真產(chǎn)品,云計(jì)算服務(wù)也將為客戶提供更為方便的使用體驗(yàn),硬件不再是工程師工作的瓶頸,等等這些都將會(huì)使CFD仿真有一個(gè)美好的未來!

讓我們共同銘記歷史所啟示的偉大真理:便捷必勝!快速必勝!準(zhǔn)確必勝!

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