主流CFD仿真软件概述与比较--CAE工程师必读

2016-09-14 by:CAE仿真在线来源:互联网

CFD(计算流体动力学)作为CAE的重要分支,是通过数值方法来描述流体的运动状态,包含流动、传热、化学反应以及流体和固体之间的相互作用等。CFD描述质量传输、动量传输和能量传输三种过程,并通过数值方法在一个控制体内将这三种守恒的数学方程通过数值方法来进行求解,获取丰富的流场信息。

流体求解常用有限体积法,借鉴有限元的思想,同样进行离散并构造节点间的插值函数,求解节点因变量。但有限元由节点组成单元,因变量在单元体内分布变化,变化规律由节点之间的插值函数变化体现;而有限体积则是点辖属体积,直接求解点上的因变量,根据插值函数对点辖体积积分获取全场变量分布。

三大通用CFD软件为Fluent、CFX、STAR-CD/CCM+。Fluent于1998年率先被引入国内,通用性最强,湍流模型、辐射模型全面,欧拉多相流模型也具备优势;STAR-CD/CCM+的燃烧模型、拉氏多相流模型更擅胜场,并且具备Trim网格,处理结构复杂模型有一定优势;CFX中规中矩,良好的前后处理接口是其卖点。

虽然通用CFD软件方兴未艾,但由于CFD技术在数值理论(N-S方程不封闭、非线性偏微分方程求解算法待完善)、物理模型(湍流模型、转捩模型、燃烧模型等)、网格效应、验证确认等方面的疑难,通用CFD软件的应用仍存在局限性与较高的使用门槛,CFD仿真结果的精度与工程师的水平具备明显的关联关系。

为了发挥CFD技术在工程领域的应用价值,专用CFD软件顺势而生,诸如专注运动机械

与泵阀模拟的PumpLinx、擅长自由液面分析的Flow-3D、通用并长于处理旋转机械的NUMECA、电子产品热分析专家FloTHERM、多相流反应器仿真利器Barracuda等,都在各自的领域独树一帜、傲视群雄。

对于叶片泵、容积泵、螺旋桨等运动机械而言,空化与汽蚀效应分析、动网格与微米级啮合间隙的处理(对于齿轮泵、柱塞泵等容积式泵)是开展CFD模拟的难点。借助结构化动网格模板、全空化与汽蚀分析模型、半自动网格生成技术与高效的计算效率,专业CFD工具PumpLinx在此领域经历了广泛的工业验证。此外,孤立研究单个部件,常难以给定真实的边界并反应系统工作行为。开展系统级三维CFD分析遭遇网格划分、大计算量的瓶颈。PumpLinx借助半自动化网格生成及动网格模板、计算效率高等特点,使系统级CFD分析成为可能。

对于流化床、反应器、焙烧炉等实际工业设备,其中包含颗粒-流体流动,颗粒数量达到天文数字且密相-稀相并存,化学反应也极为复杂。Barracuda基于CPFD方法(强耦合的欧拉-拉格朗日方法),在此类问题上独擅胜场。