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(lián)網(wǎng)

CFD(計算流體動力學(xué))作為CAE的重要分支,是通過數(shù)值方法來描述流體的運動狀態(tài),包含流動、傳熱、化學(xué)反應(yīng)以及流體和固體之間的相互作用等。CFD描述質(zhì)量傳輸、動量傳輸和能量傳輸三種過程,并通過數(shù)值方法在一個控制體內(nèi)將這三種守恒的數(shù)學(xué)方程通過數(shù)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(gòu)造節(jié)點間的插值函數(shù),求解節(jié)點因變量。但有限元由節(jié)點組成單元,因變量在單元體內(nèi)分布變化,變化規(guī)律由節(jié)點之間的插值函數(shù)變化體現(xiàn);而有限體積則是點轄屬體積,直接求解點上的因變量,根據(jù)插值函數(shù)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(nèi),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(yōu)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(wǎng)格,處理結(jié)構(gòu)復(fù)雜模型有一定優(yōu)勢;CFX中規(guī)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(shù)在數(shù)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(zhuǎn)捩模型、燃燒模型等)、網(wǎng)格效應(yīng)、驗證確認(rèn)等方面的疑難,通用CFD軟件的應(yīng)用仍存在局限性與較高的使用門檻,CFD仿真結(jié)果的精度與工程師的水平具備明顯的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

為了發(fā)揮CFD技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)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(zhuǎn)機械的NUMECA、電子產(chǎn)品熱分析專家FloTHERM、多相流反應(yīng)器仿真利器Barracuda等,都在各自的領(lǐng)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(yīng)分析、動網(wǎng)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(jié)構(gòu)化動網(wǎng)格模板、全空化與汽蝕分析模型、半自動網(wǎng)格生成技術(shù)與高效的計算效率,專業(yè)CFD工具PumpLinx在此領(lǐng)域經(jīng)歷了廣泛的工業(yè)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(yīng)系統(tǒng)工作行為。開展系統(tǒng)級三維CFD分析遭遇網(wǎng)格劃分、大計算量的瓶頸。PumpLinx借助半自動化網(wǎng)格生成及動網(wǎng)格模板、計算效率高等特點,使系統(tǒng)級CFD分析成為可能。

對于流化床、反應(yīng)器、焙燒爐等實際工業(yè)設(shè)備,其中包含顆粒-流體流動,顆粒數(shù)量達(dá)到天文數(shù)字且密相-稀相并存,化學(xué)反應(yīng)也極為復(fù)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。