这些计算流体的应用领域你都知道吗？

2018-04-14 by:CAE仿真在线来源:互联网

近十多年来,CFD有了很大的发展,替代了经典流体力学中的一些近似计算法和图解法,过去的一些典型教学实验,如Reynolds实验,现在完全可以借助CFD手段在计算机上实现。

所有涉及流体流动、热交换、分子输运等现象的问题,几乎都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟。CFD不仅作为一个研究工具,而且还作为设计工具在水利工程、土木工程、环境工程、食品工程、海洋结构工程、工业制造等流域发挥作用。典型的应用场合及相关的工程问题包括:

1.航空工程

CFD在航空和国防工业中的应用经历了一个长期的发展过程,取得了令人瞩目的成绩。在激烈的竞争环境中,CFD在改进飞行设计中起到了关键性的作用。实际上,很多工程师已将CFD和空气动力学结合起来用于诸如飞机机翼升力的计算。随着CFD计算技术和计算机能力的提高,其使用更为简便,人们在计算升力之外,其应用范围已经得到很大拓展。今天,CFD正用于求解很多困难的实际问题,而这些问题用过去的计算工具是难以分析或求解的。

2.汽车工程

现在,汽车工程师们正在依靠更多的模拟技术将提出的新车设计概念付诸实施。计算机辅助工程已经处于革新汽车内部系统的技术前沿,可以更好地全计算流体力学长期以来一直是汽车设计和制造中的一个基本要素。除了航空航天工业外,汽车工业在研究制造中也大量使用了CFD技术。因此,作为工程模拟工具,即使面对最困难的挑战,CFD仍然在许多工业领域中得到很好的应用。

3.生物科学工程

医学研究者现在依靠模拟工具帮助预测人体中血液循环流动状态,数值模拟能够提供实验难以得到的有价值的信息,而且CFD还可以对很多流体动力学参数进行研究。同时,CFD 在制药工业也有广泛的应用。

4.化学和采矿工程

很多世界必需品源于化学工业和采矿业,这些工业通过物理或化学方法加工原材料,消耗大量的热能和电能,为食品、保健品以且先进的计算技术设备和生物技术设备提供初级产品,面对不断加剧的竞争,这些工业面临的主要挑战是既要满足当前世界性的需求,同时时未来发展丑不造成损害,这就要求生产过程更高效、更安全以及更少污染物的排放。

5.民用和环境工程

政府、研究机构以且企业正在职融寻求途径满足环境保护法,在维持一定生产水平、满足市场不断增加需靠的同时,保证减少环境污染。在很多时候,CFD模拟已经成为解决环境问题的核心技术。

6.能源工程

在不断竞争的能源市场中,设备制造商们转向CFD寻求技术支持,以便更好地了解和提升能源工业中的设备和工艺。尽管传统的发电方式仍在广泛使用,但已经出现了具有潜力的可再生能源,如凤力发电。为使投资得到最大回报,面提升驾驶体验,改善驾破员和乘客的舒适性和安全性,并且进一步降低油耗,CFD已经被用于风力发电涡轮叶片的优化设计当中,使之在不同的来风条件下能产生恒定的功率。通过CFD的风能资源评估,工程师可以更好地研究风力发电站的经济性,正确的模拟结果可以减少投资风险。

7.体育

随着体育水平的不断提高,特别是在奥运赛场上,运动员的水平都在伯仲之间,体育比赛的胜负差距非常微小,为了在比赛中获得胜利,不得不为提高器材的性能投入大量的资金。体育器材的流体动力性能越来越重要,越来越多的优秀运动员、运动队以及体育设备制造商们都在努力从先进的流体模型中获取比赛空气动力的有利条件,越来越多的体育器材外形的研究成果逐渐为人们所认可。同时,CFD不仅可以研究体育运动器械等硬件设备,还可以对运动员的运动技巧进行分析,针对不同运动员的自身条件,通过计算分析,制定更为科学量化的竞技动作和训练内容。

CFD软件工具

为了完成CFD计算,过去多是用户自己编写计算程序,但由于CFD的复杂性及计算机硬件条件的多样性,使得用户各自的应用程序往往缺乏通用性,而CFD本身又有其鲜明的系统性和规律性,因此,比较适合于被制成通用的商用软件。

在1981年以来,出现了如FLUENT、PHOENICS、STAR-CD、STAR-CCM+、CFX、等多个商用CFD软件,其中FLUENT软件是当今世界CFD仿真领域最为全面的软件包之一,这些软件的特点是:

功能比较全面、适用性强,几乎可以求解工程界中的各种复杂问题
具有比较易用的前后处理系统和与其它CAD及CFD软件的接口能力,便于用户快速完成造型、网格划分等工作。同时,还可让用户扩展自己的开发模块。
具有比较完备的容错机制和操作界面,稳定性高。
可在多种计算机、多种操作系统,包括并行环境下运行。

随着计算机技术的快速发展,这些商用软件在工程界正在发挥着越来越大的作用。

FLUENT

FLUENT软件是当今世界CFD仿真领域最为全面的软件包之一,具有广泛的物理模型,以及能够快速准确的得到CFD分析结果。

FLUENT软件拥有模拟流动,湍流,热传递和反应等广泛物理现象的能力,在工业上的应用包括从流过飞机机翼的气流到炉膛内的燃烧,从鼓泡塔到钻井平台,从血液流动到半导体生产,以及从无尘室设计到污水处理装置等等。软件中的专用模型可以用于开展缸内燃烧,空气声学,涡轮机械和多相流系统的模拟工作。

现今,全世界范围内数千计的公司将FLUENT与产品研发过程中设计和优化阶段相整合,并从中获益。先进的求解技术可提供快速、准确的CFD结果、灵活的移动和变形网格,以及出众的并行可扩展能力。用户自定义函数可实现全新的用户模型和扩展现有模型。

FLUENT中的交互式的求解器设置、求解和后处理能力可轻易暂停计算过程,利用集成的后处理检查结果,改变设置,并随后用简单的操作继续执行计算。ANSYS CFD-Post可以读入Case和Data文件,并利用其先进的后处理工具开展深入分析,同时对比多个算例。

ANSYS Workbench集成ANSYS FLUENT后给用户提供了与所有主要CAD系统的双向连接功能,其中包括ANSYS DesignModeler强大的几何修复和生成能力,以及ANSYS Meshing先进的网格划分技术。该平台通过使用一个简单的拖放操作便可以共享不同应用程序的数据和计算结果