計算流體力學

CFD 軟體一般都能推出多種優化的物理模型，如定常和非定常流動、層流、紊流、不可壓縮和可壓縮流動、傳熱、化學反應等等。對每一種物理問題的流動特點，都有適合它的數值解法，用戶可對顯式或隱式差分格式進行選擇，以期在計算速度、穩定性和精度等方面達到最佳。CFD 軟體之間可以方便地進行數值交換，並採用統一的前、后處理工具，這就省卻了科研工作者在計算機方法、編程、前後處理等方面投入的重複、低效的勞動，而可以將主要精力和智慧用於物理問題本身的探索上。

CFD 軟體的一般結構由前處理、求解器、后處理三部分組成。前處理、求解器及后處理三大模塊，各有其獨特的作用，分別表示如下。

前處理

a. 幾何模型

b. 劃分網格

求解器

a. 確定CFD 方法的控制方程

b. 選擇離散方法進行離散

c. 選用數值計算方法

d. 輸入相關參數

后處理

速度場、溫度場、壓力場及其它參數的計算機可視化及動畫處理

自從1981 年英國CHAM 公司首先推出求解流動與傳熱問題的商業軟體PHOENICS以來，迅速在國際軟體產業中形成了通稱為CFD 軟體的產業市場。到今天，全世界至少已有50餘種這樣的流動與傳熱問題的商業軟體，在促進CFD技術應用於工業實際中起了很大的作用。下面介紹當今世界上應用較廣的CFD商業軟體。

(1) CFX

該軟體採用有限容積法、拼片式塊結構化網路，在非正交曲線坐標(適體坐標) 繫上進行離散，變數的布置採用同位網格方式。對流項的離散格式包括一階迎風、混合格式、QUICK、CONDIF、MUSCI及高階迎風格式。壓力與速度的耦合關係採用SIMPLE系列演演算法(SIMPLEC),代數方程求解的方法中包括線迭代、代數多重網路、ICCG、STONE 強隱方法及塊隱式(BIM)。軟體可計算不可壓縮及可壓縮流動、耦合傳熱問題、多相流、化學反應、氣體燃燒等問題。

(2) FIDAP

這是英語Fluid Dynamics Analysis Package 的縮寫，繫於1983年由美國Fluid Dynamics International Inc. 推出，是世界上第一個使用有限元法(FEM) 的CFD軟體。可以接受如I-DEAS、PATRAN、ANSYS和ICEMCFD 等著名生成網格的軟體所產生的網格。該軟體可以計算可壓縮及不可壓縮流、層流與湍流、單相與兩相流、牛頓流體及非牛頓流體的流動問題。

(3) FLUENT

這一軟體由美國FLUENT Inc.於1983年推出，是繼PHOENICS 軟體之後的第二個投放市場的基於有限容積法的軟體。它包含有結構化及非結構化網格兩個版本。在結構化網格版本中有適體坐標的前處理軟體，同時也可以納入I- DEAS、PATRAN、ANSYS 和ICEMCFD 等著名生成網格的軟體所產生的網格。速度與壓力耦合採用同位網格上的SIMPLEC 演演算法。對流項差分格式納入了一階迎風、中心差分及QUICK 等格式。軟體能計算可壓縮及不可壓縮流動、含有粒子的蒸發、燃燒過程、多組分介質的化學反應過程等問題。

(4) PHOENICS

這是世界上第一個投放市場的CFD 商業軟體，可以算是CFD商用軟體的鼻祖。這一軟體中所採用的一些基本演演算法，如SIMPLE 方法、混合格式等，正是由該軟體創始人D. B. Spalding及其合作者S. V. Patankar 等所提出的，對以後開發的商業軟體有較大的影響。近年來，PHOENICS軟體在功能上與方法方面做了較大的改進，包括納入拼片式多網格及細密網格嵌入技術，同位網格及非結構化網格技術; 在湍流模型方面開發了通用的零方程、低Reynolds k-E模型、RNG k-E模型等。應用這一軟體可計算大量的實際工作問題，其中包括：城市污染預測、葉輪中的流動、管道流動。

(5) STAR-CD

徠這一軟體名稱是英語Simulation of Turbulent Flow in Arbitrary Region 的縮寫，連字元后的CD 是開發商Computational Dynamics Ltd 的簡稱。這是基於有限容積法的一個通用軟體。在網格生成方面，採用非結構化網格，單元的形態可以有六面體、四面體、三角形截面的稜柱體、金字塔形的錐體及六種形狀的其它多面體。應用這一軟體可以計算穩態與非穩態流動、牛頓流及非牛頓流體的流動、多孔介質中的流動、亞音速及超音速流動，並且這一軟體在世界汽車工業中應用的十分廣泛。