常用的CFD计算软件推荐

为进行流场计算，以往多是各自编写计算程序，但是由于研究问题的物理背景不同，各种程序往往缺乏通用性、普适性，且编写程序本身需要耗费大量的时间与精力，人们不能够把注意力全部投放在解决物理问题本身上，因此CFD商业软件应运而生。

CFD软件早在1970年后就在美国诞生，但在国内真正得到应用则是在最近几年。目前，CFD已成为解决各种流体流动与传热问题的强有力工具，成功应用于能源动力、石油化工、汽车设计、建筑暖通、航空航天及电子散热等各种领域。目前，比较流行的CFD计算软件有FLUENT、CFX、PHOENICS、STAR-CD、FIDAP、FloEFD等。

2.6.5.1　FLUENT

FLUENT是由美国FLUENT公司于1983年推出的CFD软件，目前已被ANSYS公司收购。FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。

2.6.5.2　CFX

CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件，是英国AEA Technology公司首先为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而开发，并于1986年开始作为商业软件向全球发售，目前已经成为主流的CFD软件之一。CFX一直将精确的计算结果、丰富的物理模型、强大的用户扩展性作为其发展的基本要求，并以其在这些方面的卓越成就，引领着CFD技术的不断发展。目前，CFX已经遍及航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、冶金、环保等领域，为其在全球6000多个用户解决了大量的实际问题。

2.6.5.3　PHOENICS

PHOENICS软件是英国CHAM公司开发的模拟传热、流动、化学反应、燃烧过程的通用CFD软件，已经有30多年的历史，是世界上第一套计算流体力学与计算传热学的商用软件，其名称是Parabolic Hyperbolic or Elliptic Numerical Integration Code Series的缩写。PHOENICS提供了直角坐标系、柱坐标系和局部坐标系三套坐标系统，可用于求解一维、二维及三维空间的可压缩或不可压缩、单相或多相的稳态或瞬态流动。

2.6.5.4　STAR-CD

STAR-CD是美国Computational Dynamics公司开发出来的全球第一个采用完全非结构化网格生成技术和有限体积方法来研究工业领域中复杂流动的流体分析商用软件包。STAR-CD独特的全自动六面体/四面体非结构化网格技术，满足了用户对复杂网格处理的需求，因此它首先在汽车/内燃机领域获得了成功，并迅速扩展到航空、航天、核工程、电力、电子、石油、化工、造船、家用电器、铁路、水利、建筑、环境等几乎所有重要的工业和研究领域，在全世界拥有数千用户。

2.6.5.5　FIDAP

FIDAP软件是英国Fluid Dynamics International（FDI）公司开发的计算流体力学与数值传热学软件。FIDAP是基于有限元方法和完全非结构化网格的通用CFD软件，具有内含丰富的物理模型和高效的求解方法，适合解决从不可压缩到可压缩范围内的复杂流动问题。FIDAP具有强大的流固耦合功能，可以分析由流动引起的结构响应问题，是唯一能够提供完整流固耦合功能的专用CFD软件。除此以外，FIDAP软件还适合模拟动边界、自由表面、相变、电磁效应等复杂流动问题。FIDAP的典型应用领域包括汽车、化工、聚合物处理、薄膜涂层、玻璃应用、半导体晶体生长、生物医学、冶金、环境工程、食品、玻璃处理和其他相关的领域。

2.6.5.6　FloEFD

FloEFD是Flomerics公司开发的流动与传热分析软件，是唯一无缝嵌入CAD环境的流体/传热分析软件。FloEFD完全支持直接导入Pro/E、Catia、Solidworks、Siemens-NX、Inventor等所有主流三维CAD模型，并可以导入Parasolid、IGES、STEP、ASIC、VDAFS、WRML、STL、IDF、DXF、DWG等格式的模型文件。FloEFD的分析步骤包括CAD模型建立、自动网格划分、边界条件施加、求解和后处理等都完全在CAD软件界面下完成，整个过程快速高效。FloEFD直接应用CAD实体模型，自动判定流体区域，自动进行网格划分，无需对流体区域再建模。在做CAD结构优化分析时，先对一个CAD模型进行一次FloEFD分析定义，同类结构（装配）的CAD模型只需应用独有的项目克隆（Project Clone）技术，即可进行不同装配下的FloEFD计算，从而快速优化设计方案。

2.6.6 流场网格划分技术

CFD的基本思想是把在时间和空间上连续的物理量场（例如速度场、压力场、温度场等），用一系列离散点上的变量值集合代替。网格划分便是定义这一系列离散点坐标的技术方法。网格生成工作约占整个数值计算周期的80%～95%，生成一套高质量的网格将显著提高计算精度和收敛速度。

2.6.6.1　几何模型

在进行流场数值模拟时，首先建立几何模型。针对垂直轴风力机流场分析，需建立垂直轴风力机模型、旋转域以及流场模型。根据所研究问题，可分为二维几何模型和三维几何模型，亦可在此基础上做出相应的简化。

但是，目前几乎所有的CFD软件包中的前处理模块在几何模型处理方面都并不很强大。因此，对于复杂的几何模型，有效的处理方式是利用第三方图形处理软件进行实体建模，如AutoCAD、ProE、UG、CATIA等。这些图形软件均具备不同图形格式输出接口，基本可以满足不同CFD软件包的图形文件格式要求。

2.6.6.2 流场网格划分(www.xing528.com)

网格主要分为结构化网格和非结构化网格。结构化网格的生成需要耗费技术人员大量精力，但是对计算机而言，求解时计算量小，能够较好地控制网格生成质量，同时保证边界层网格尺寸满足特定要求，计算时更容易达到收敛；非结构化网格对模型的自适应性好，技术人员工作量小，但是计算机计算量大，对计算机要求高，网格质量不好控制，边界层网格尺寸难以满足特定要求。

1.结构化网格生成方法

（1）代数方法生成网格。代数生成方法是通过利用已知边界值插值获得计算网格的方法。插值法由于使用方便，对简单区域能够获得较好的网格，对于复杂区域能够预置网格，即作为使用偏微分方程生成网格的初始条件。代数法又分为无限插值法、多面法、双边界法及边界规范化法。

（2）偏微分方程方法生成网格。微分方程法是一类经典方法，利用微分方程的解析性质，如调和函数的光顺性，变换中的正交不变性等，进行物理空间到计算空间的坐标变换，生成的网格比代数网格光滑、合理，适用性强。偏微分方程法包括椭圆型方程法、双曲线方程法、抛物型方程法，其中椭圆形方程法应用最为广泛。

2.非结构化网格生成方法

结构化网格不能解决任意形状和任意联通区域的网格划分，针对这一问题，20世纪60年代后提出了非结构化网格手段。非结构化网格对几何模型的适应性好，可以对复杂区域划分网格。非结构化网格生成方法主要包括以下三种。

（1）四叉树（二维）/八叉树（三维）方法。该方法的基本思想是先用一个较粗的矩形（二维）/立方体（三维）网格覆盖包含物体的整个计算域，然后按照网格尺度的要求不断细分矩形（立方体），即将一个矩形分为四（八）个子矩形（立方体），最后将各矩形（立方体）划分为三角形（四面体）。四叉树/八叉树方法是直接将矩形/立方体划分为三角形/四面体，由于不涉及邻近点面的查询，以及邻近单元间的相交性和相容性判断问题，所以网格生成速度很快。不足之处是网格质量较差，特别是在流场边界附近，被切割的矩形/立方体可能千奇百怪，由此划分的三角形/四面体网格质量也很难保证。尽管如此，四叉树/八叉树作为一种数据结构已被广泛应用于Delaunay法和阵面推进法中，以提高查询效率。

（2）Delaunay方法。Delaunay三角化的依据是Dirichlet在1950年提出的一种利用已知点集将已知平面划分为凸多边形的理论。该理论的基本思想是，假设平面内存在点集，则能将此平面域划分为互不重合的Dirichlet子域。每个Dirichlet子域内包含点集内的一个点，而且对应于该域的包含点，即构成唯一的Delaunay三角形网格。将上述Dirichlet的思想简化为Delaunay准则，即每个三角形的外接圆内不存在除自身三个角点外的其他点。进而给出划分三角形的简化方法：给定一个人工构造的简单初始三角形网格系，引入一个新点，标记并删除初始网格系中不满足Delaunay准则的三角形单元，形成一个多边形空洞，连接新点与多边形的顶点构成新的Delaunay网格系。重复上述过程，直至达到预期的分布。

（3）阵面推进法。阵面推进法的基本思想是首先将流场边界划分为小的阵元，构成初始阵面，然后选定某一阵面，组成新的阵面，这样阵面不断向流场中推进，直至整个流场被非结构化网格覆盖。

2.6.6.3　常用的网格划分软件

网格生成占了整个数值计算周期的绝大部分，理想的网格可显著提高计算精度和收敛速度。目前，已有多种网格生成软件，比较成熟的有ICEM、GAMBIT、Gridgen、Grid-Pro等。

1.ICEM

ANSYS ICEM CFD作为一款强大的前处理软件，不仅可以为世界上几乎所有主流CFD软件（如FLUENT、CFX、STAR-CD、STAR-CCM+）提供高质量网格，还可用于完成多种CAE软件（ANSYS、Nastran、Abaqus等）的前处理工作。ICEM具有友好的操作界面、丰富的几何接口、完善的几何功能、灵活的拓扑创建、先进的O型网格技术、丰富的求解器接口等优势，越来越被业内人士所认可。

2.GAMBIT

GAMBIT是FLUENT公司推出的一款面向CFD的前处理器软件，其主要功能包括几何建模和网格生成。GAMBIT可以生成FLUENT5、FLUENT4.5、FIDAP、POLYFLOW等求解器所需要的网格。GAMBIT软件将功能强大的几何建模能力和灵活易用的网格生成技术集成在一起，大大减少建立几何模型和划分网格所需要的时间。

3.Gridgen

Gridgen是Pointwise公司下的旗舰产品。Gridgen是专业的网格生成器，被工程师和科学家用于生成CFD网格和其他计算分析。它可以生成高精度的网格以使得分析结果更加准确。同时它还可以分析并不完美的CAD模型，且不需要人工清理模型。Gridgen可以生成多块结构网格、非结构网格和混合网格，可以引进CAD的输出文件作为网格生成基础。生成的网格可以输出十几种常用商业流体软件的数据格式，直接让商业流体软件使用。

4.GridPro

GridPro是美国PDC公司专为NASA开发的高质量网格生成软件，是目前世界上最先进的网格生成软件之一。它可以为航天、航空、汽车、医药、化工等领域研究的CFD分析提供最佳网格处理解决方案。它能够快速而精确地分析所有复杂几何型体，并生成高质量的网格，为任何细部结构提供精确的网格划分。GridPro能够自动生成正交性极好的网格结果，网格质量大大高于其他网格系统。网格精度的提高可使CFD分析的准确性有很大提高。