搜索FLUENT软件技术优势以及FLUENT与主流CFD软件对比
2017-02-28 by:CAE仿真在线 来源:互联网
ANSYS拥有全球最著名的ICEM高端网格划分工具,其几何清补及六面体网格划分能力居所有CFD前处理软件之首。同时具有Workbench平台下统一的全参数化建模软件DesignModeler和自动化程度极高的AnsysMeshing网格划分工具(AnsysMeshing完全取代了Gambit和CFX-Mesh功能,并且它现在基本整合ICEM和FLUENTMeshing的四面体网格划分功能)。
针对不同的模型,客户可以灵活地选择自己需要的网格划分工具(对于商业客户,以前FLUENT全包中不包含ICEM,16.0版本之后,ICEM和AnsysMeshing都会被包含在FLUENT全包中;对于高校科研版本客户,16.0版本之后,HPC的并行由之前的4hpc扩展成为16hpc)。与此同时,FLUENT配合ANSYS统一的前处理工具DesignModeler和AnsysMeshing或ICEM,能方便地实现几何模型、网格尺寸、边界条件等参数化分析,这能大大提高企业及科研院所等设计单位的模型相似设计、工况系列设计的工作效率。
FLUENT软件基于有限体积法,提供了三种数值算法,包括基于压力的分离算法、基于密度的耦合显式算法、基于密度的耦合隐式算法,是商用软件中最多的。
(1)Pressure Based Segregate Solver:该算法源于经典的SIMPLE算法,其适用范围为不可压缩流动和中等可压缩流动。
(2)Density Based Explicit Solver:这种算法由FLUENT公司与NASA联合开发,主要用来求解可压缩流动(跨音速、超音速流动乃至高超音速)。
(3)Density Based Implicit Solver:该算法对Navier-Stokes方程组进行联立求解,由于采用隐式格式,因而计算精度与收敛性要优于Density Based Explicit方法,但却占用较多的内存。该算法另一个突出的优点是可以求解全速度范围,即求解范围从低速流动到高超音速流动。
FLUENT6.3版本以后在压力-速度耦合方法新增了耦合压力基算法,比压力基算法可以达到更好的收敛性,比密度基算法计算代价小。
FLUENT的这几种算法保证了FLUENT软件可以模拟计算低速不可压缩到高速可压缩再到超音速的物理问题。并不是所有的CFD软件都有这么多算法,因为算法的限制,有些CFD软件甚至只能算气动不能计算如水等不可压缩物理问题的仿真模拟。
1)湍流和噪声模型
FLUENT的湍流模型一直处于商业CFD软件的前沿,它提供的丰富的湍流模型中有经常使用到的湍流模型、针对强旋流和各相异性流的雷诺应力模型等,随着计算机能力的显著提高,FLUENT已经将大涡模拟(LES)纳入其标准模块,并且开发了更加高效的分离涡模型(DES),FLUENT提供的壁面函数和加强壁面处理的方法可以很好地处理壁面附近的流动问题。
气动声学在很多工业领域中倍受关注,模拟起来却相当困难,如今,使用FLUENT可以有多种方法计算由非稳态压力脉动引起的噪音,瞬态大涡模拟(LES)预测的表面压力可以使用FLUENT内嵌的快速傅立叶变换(FFT)工具转换成频谱。Fflow-Williams&Hawkings声学模型可以用于模拟从非流线型实体到旋转风机叶片等各式各样的噪声源的传播,宽带噪声源模型允许在稳态结果的基础上进行模拟,这是一个快速评估设计是否需要改进的非常实用的工具。
2)动态和移动网格
内燃机、阀门、弹体投放和火箭发射都是包含有运动部件的例子,FLUENT提供的动网格模型满足这些具有挑战性的应用需求。它提供几种网格重构方案,根据需要用于同一模型中的不同运动部件,仅需要定义初始网格和边界运动。动网格与FLUENT提供的其他模型如雾化模型、燃烧模型、多相流模型、自由表面预测模型和可压缩流模型相兼容。搅拌槽、泵、涡轮机械中的周期性运动可以使用FLUENT中的动网格模型(moving mesh)进行模拟,滑移网格和多参考坐标系模型被证实非常可靠,并和其他相关模型如LES模型、化学反应模型和多相流等有很好的兼容性。
3)传热、相变、辐射模型
许多流体流动伴随传热现象,FLUENT提供一系列应用广泛的对流、热传导及辐射模型。对于热辐射,P1和Rossland模型适用于介质光学厚度较大的环境,基于角系数的Surface to Surface模型适用于介质不参与辐射的情况,DO模型(Discrete ordinates)适用于包括玻璃的任何介质。DTRM模型(Discrete ray tracing module)也同样适用。太阳辐射模型使用光线追踪算法,包含了一个光照计算器,它允许光照和阴影面积的可视化,这使得气候控制的模拟更加有意义。
其他与传热紧密相关的汽蚀模型、可压缩流体模型、热交换器模型、壳导热模型、真实气体模型、和湿蒸汽模型。相变模型可以追踪分析流体的融化和凝固。离散相模型(DPM)可用于液滴和湿粒子的蒸发及煤的液化。易懂的附加源项和完备的热边界条件使得FLUENT的传热模型成为满足各种模拟需要的成熟可靠的工具。
4)化学反应模型
化学反应模型,尤其是湍流状态下的化学反应模型在FLUENT软件中自其诞生以来一直占着很重要的地位,多年来,FLUENT强大的化学反应模拟能力帮助工程师完成了对各种复杂燃烧过程的模拟。涡耗散概念、PDF转换以及有限速率化学模型已经加入到FLUENT的主要模型中:涡耗散模型、均衡混合颗粒模型,小火焰模型以及模拟大量气体燃烧,煤燃烧、液体燃料燃烧的预混合模型。预测NOx生成的模型也被广泛的应用与定制。
许多工业应用中涉及发生在固体表面的化学反应,FLUENT表面反应模型可以用来分析气体和表面组分之间的化学反应及不同表面组分之间的化学反应,以确保表面沉积和蚀刻现象被准确预测。对催化转化、气体重整、污染物控制装置及半导体制造等的模拟都受益于这一技术。
FLUENT的化学反应模型可以和大涡模拟(DES)及分离涡(DES)湍流模型联合使用,这些非稳态湍流模型耦合到化学反应模型中,我们才有可能预测火焰稳定性及燃尽特性。
5)多相流模型
多相流混合物广泛应用于工业中,FLUENT软件是在多相流建模方面的领导者,其丰富的模拟能力可以帮助工程师洞察设备内那些难以探测的现象,Eulerian多相流模型通过分别求解各相的流动方程的方法分析相互渗透的各种流体或各相流体,对于颗粒相流体采用特殊的物理模型进行模拟。很多情况下,占用资源较少的的混合模型也用来模拟颗粒相与非颗粒相的混合。FLUENT可用来模拟三相混合流(液、颗粒、气),如泥浆气泡柱和喷淋床的模拟,可以模拟相间传热和相间传质的流动,使得对均相及非均相的模拟成为可能。
FLUENT标准模块中还包括许多其他的多相流模型,对于其他的一些多相流流动,如喷雾干燥器、煤粉高炉、液体燃料喷雾,可以使用离散相模型(DPM)。射入的粒子,泡沫及液滴与背景流之间进行发生热、质量及动量的交换。
FLUENT的后处理可以生成有实际意义的图片、动画、报告,这使得CFD的结果非常容易地被转换成工程师和其他人员可以理解的图形,表面渲染、迹线追踪仅是该工具的几个特征却使FLUENT的后处理功能独树一帜。FLUENT的数据结果还可以导入到第三方的图形处理软件或者CAE软件进行进一步的分析。
FLUENT的CFD-POST后处理具有强大的3D渲染效果,能同步对多工况进行对比分析,并能自动以云图的形式显示被对比工况的差异,CFD-POST还能自动出仿真结果的计算报告。
FLUENT集成于ANSYS Workbench中,可以实现参数化的模拟流程,包括从几何建模、网格划分、计算求解、后处理和优化的整个流程。在多物理场耦合方面,FLUENT在ANSYS Workbench中和ANSYS结构、电磁、显示动力学等模块实现无缝耦合,各模块可以共用几何建模和网格划分流程。
FLUENT软件在全球的市场占有率超过38%,美国的市场占有率超过65%,国内的市场,FLUENT软件在国内的市场占有率超过80%,因为软件的易用性,超过95%的高校使用FLUENT软件做流体仿真分析。
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