CFD

CFD是計算流體力學（Computational Fluid Dynamics）的簡稱，是流體力學和計算機科學相互融合的一門新興交叉學科，它從計算方法出發，利用計算機快速的計算能力得到流體控制方程的近似解。CFD興起於20世紀60年代，隨著90年代後計算機的迅猛發展，CFD得到了飛速發展，逐漸與實驗流體力學一起成為產品開發中的重要手段。

CFD軟體通常指商業化的CFD程序，具有良好的人機交互界面，能夠使使用者無需精通CFD相關理論就能夠解決實際問題。

計算流體力學和相關的計算傳熱學，計算燃燒學的原理是用數值方法求解非線性聯立的質量、能量、組分、動量和自定義的標量的微分方程組，求解結果能預報流動、傳熱、傳質、燃燒等過程的細節，並成為過程裝置優化和放大定量設計的有力工具。計算流體力學的基本特徵是數值模擬和計算機實驗，它從基本物理定理出發，在很大程度上替代了耗資巨大的流體動力學實驗設備，在科學研究和工程技術中產生巨大的影響。是目前國際上一個強有力的研究領域, 是進行傳熱、傳質、動量傳遞及燃燒、多相流和化學反應研究的核心和重要技術, 廣泛應用於航天設計、汽車設計、生物醫學工業、化工處理工業、渦輪機設計、半導體設計、HVAC&R 等諸多工程領域，板翅式換熱器設計是CFD 技術應用的重要領域之一。

CFD 在最近20 年中得到飛速的發展, 除了計算機硬體工業的發展給它提供了堅實的物質基礎外, 還主要因為無論分析的方法或實驗的方法都有較大的限制, 例如由於問題的複雜性, 既無法作分析解, 也因費用昂貴而無力進行實驗確定, 而CFD 的方法正具有成本低和能模擬較複雜或較理想的過程等優點。經過一定考核的CFD軟體可以拓寬實驗研究的範圍, 減少成本昂貴的實驗工作量。在給定的參數下用計算機對現象進行一次數值模擬相當於進行一次數值實驗, 歷史上也曾有過首先由CFD 數值模擬發現新現象而後由實驗予以證實的例子。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:

目前比較主流的CFD軟體有：CFX、Fluent、Phoenics、Star-CD、comsol、star-ccm+、flow-3D、AUTODESK CFD（前身為CFdesign）。其中CFX，Fluent，star-CD，comosol等為通用求解器，能夠解決各類流體問題。

CFX是由英國AEA公司開發，是一種實用流體工程分析工具，用於模擬流體流動、傳熱、多相流、化學反應、燃燒問題。其優勢在於處理流動物理現象簡單而幾何形狀複雜的問題。適用於直角/柱面/旋轉坐標系，穩態/非穩態流動，瞬態/滑移網格，不可壓縮/弱可壓縮/可壓縮流體，浮力流，多相流，非牛頓流體，化學反應，燃燒，NOx生成，輻射，多孔介質及混合傳熱過程。CFX採用有限元法，自動時間步長控制，SIMPLE演演算法，代數多網格、ICCG、Line、Stone和Block

Stone解法。能有效、精確地表達複雜幾何形狀，任意連接模塊即可構造所需的幾何圖形。在每一個模塊內，網格的生成可以確保迅速、可*地進行，這種多塊式網格允許擴展和變形，例如計算氣缸中活塞的運動和自由表面的運動。滑動網格功能允許網格的各部分可以相對滑動或旋轉，這種功能可以用於計算牙輪鑽頭與井壁間流體的相互作用。CFX引進了各種公認的湍流模型。例如：k-e模型，低雷諾數k-e模型，RNGk-e模型，代數雷諾應力模型，微分雷諾應力模型，微分雷諾通量模型等。CFX的多相流模型可用於分析工業生產中出現的各種流動。包括單體顆粒運動模型，連續相及分散相的多相流模型和自由表面的流動模型。

FLUENT是目前國際上比較流行的商用CFD軟體包，在美國的市場佔有率為60%。但凡跟流體，熱傳遞及化學反應等有關的工業均可使用。它具有豐富的物理模型、先進的數值方法以及強大的前後處理功能，在航空航天、汽車設計、石油天然氣、渦輪機設計等方面都有著廣泛的應用。其在石油天然氣工業上的應用包括：燃燒、井下分析、噴射控制、環境分析、油氣消散/聚積、多相流、管道流動等等。

Fluent的軟體設計基於CFD軟體群的思想，從用戶需求角度出發，針對各種複雜流動的物理現象，FLUENT軟體採用不同的離散格式和數值方法，以期在特定的領域內使計算速度、穩定性和精度等方面達到最佳組合，從而高效率地解決各個領域的複雜流動計算問題。基於上述思想，Fluent開發了適用於各個領域的流動模擬軟體，這些軟體能夠模擬流體流動、傳熱傳質、化學反應和其它複雜的物理現象，軟體之間採用了統一的網格生成技術及共同的圖形界面，而各軟體之間的區別僅在於應用的工業背景不同，因此大大方便了用戶。

目前，CFX和Fluent都被ANSYS公司收購，成為其ANSYS系列產品下的流體模塊。

FloEFD是CFD的新分支——同步CFD的應用產品。FloEFD是一款功能齊全的通用CFD工具，與Catia, NX, Creo以及其他主流MCAD系統集成。不過FloEFD主要專註於熱分析，是一款專業的熱分析軟體。

FloEFD 前處理過程非常簡單，自動完成笛卡爾網格劃分。處理模擬過程中的每一步——直接使用三維 CAD數據準備分析模型，生成網格，求解和結果可視化——所有步驟包含在一個程序包內。

FloEFD與傳統CFD軟體都基於同樣的數學原理，但是FloEFD擁有的七大關鍵技術將之與傳統CFD軟體區別開來，使得它使用起來更簡單，功能更強大，結果更精確。結合您的MCAD軟體，FloEFD帶來無限強大的模擬能力：

■ 提高產品性能、功能和可靠性

■ 減少物理原形和製作成本

■ 將設計誤差風險最小化

同步計算流體力學 (CFD) 是一項突破性技術，使得設計工程師能在整個產品生命周期，在他們熟悉的 MCAD 界面下，執行前端和同步 CFD 分析，從而縮短設計時間，與傳統方法和產品相比，縮短時間以數量級計。與傳統 CFD 工具相比，同步 CFD 能縮短高達65-75% 的時間，方便用戶優化產品性能和可靠性，同時減少實驗樣品和研發成本，消除由交貨期或產品質量問題引起的損失。

Phoenics是英國CHAM公司開發的模擬傳熱、流動、反應、燃燒過程的通用CFD軟體，有30多年的歷史。網格系統包括：直角、圓柱、曲面（包括非正交和運動網格，但在其VR環境不可以）、多重網格、精密網格。可以對三維穩態或非穩態的可壓縮流或不可壓縮流進行模擬，包括非牛頓流、多孔介質中的流動，並且可以考慮粘度、密度、溫度變化的影響。在流體模型上面，Phoenics內置了22種適合於各種Re數場合的湍流模型，包括雷諾應力模型、多流體湍流模型和通量模型及k-e模型的各種變異，共計21個湍流模型，8個多相流模型，10多個差分格式。

Phoenics的VR（虛擬現實）彩色圖形界面菜單系統是這幾個CFD軟體里前處理最方便的一個，可以直接讀入Pro/E建立的模型（需轉換成STL格式），是複雜幾何體的生成更為方便，在邊界條件的定義方面也極為簡單，並且網格自動生成，但其缺點則是網格比較單一粗糙，針對複雜曲面或曲率小的地方的網格不能細分，也即是說不能在VR環境里採用貼體網格。另外VR的后處理也不是很好。要進行更高級的分析則要採用命令格式進行，但這在易用性上比其它軟體就要差了。

另外，Phoenics自帶了1000多個例題與驗證題，附有完整的可讀可改的輸入文件。其中就有CHAM公司做的一個PDC鑽頭的流場分析。Phoenics的開放性很好，提供對軟體現有模型進行修改、增加新模型的功能和介面，可以用FORTRAN語言進行二次開發。

STAR-CD的創始人之一Gosman與Phoenics的創始人Spalding都是英國倫敦大學同一教研室的教授。

STAR-Cd 是Simulation of Turbulent flow in Arbitrary

Region的縮寫，CD是computational Dynamics

Ltd。是基於有限容積法的通用流體計算軟體，在網格生成方面，採用非結構化網格，單元體可為六面體，四面體，三角形界面的稜柱，金字塔形的錐體以及六種形狀的多面體，還可與CAD、CAE軟體介面，如ANSYS,IDEAS,NASTRAN,PATRAN,ICEMCFD,GRIDGEN等，這使STAR-CD在適應複雜區域方面的特別優勢。

STAR－-cd能處理移動網格，用於多級透平的計算，在差分格式方面，納入了一階UpWIND,二階UpWIND,CDS,QUICK,以及一階UPWIND與CDS或QUICK的混合格式，在壓力耦合方面採用SIMPLE，PISO以及稱為SIMPLO的演演算法。在湍流模型方面，有k-e,RNK-ke,ke兩層等模型，可計算穩態，非穩態，牛頓，非牛頓流體，多孔介質，亞音速，超音速，多項流等問題.

STAR－cd的強項在於汽車工業，汽車發動機內的流動和傳熱。

專用的CFD前置處理器，FLUENT系列產品皆採用FLUENT公司自行研發的Gambit前處理軟體來建立幾何形狀及生成網格，是一具有超強組合建構模型能力之前處理器，然後由Fluent進行求解。也可以用ICEM 對CFD進行前處理，由TecPlot進行后處理。

基於非結構化網格的通用CFD求解器，針對非結構性網格模型設計，是用有限元法求解不可壓縮流及中度可壓縮流流場問題的CFD軟體。可應用的範圍有紊流、熱傳、化學反應、混合、旋轉流（rotating

flow）及震波（shocks）等。在渦輪機及推進系統分析都有相當優秀的結果，並且對模型的快速建立及shocks處的格點調適都有相當好的效果。

基於有限元方法的通用CFD求解器，為一專門解決科學及工程上有關流體力學傳質及傳熱等問題的分析軟體，是全球第一套使用有限元法於CFD領域的軟體，其應用的範圍有一般流體的流場、自由表面的問題、紊流、非牛頓流流場、熱傳、化學反應等等。

FIDAP本身含有完整的前後處理系統及流場數值分析系統。對問題整個研究的程序，數據輸入與輸出的協調及應用均極有效率。

針對粘彈性流動的專用CFD求解器，用有限元法模擬聚合物加工的CFD軟體，主要應用於塑料射出成形機，擠型機和吹瓶機的模具設計。

針對攪拌混合問題的專用CFD軟體，是一個專業化的前處理器，可建立攪拌槽及混合槽的幾何模型，不需要一般計算流力軟體的冗長學習過程。它的圖形人機介面和組件資料庫，讓工程師直接設定或挑選攪拌槽大小、底部形狀、折流板之配置，葉輪的型式等等。MixSim隨即自動產生3維網路，並啟動FLUENT做後續的模擬分析。

專用的熱控分析CFD軟體，專門模擬電子電機系統內部氣流，溫度分佈的CFD分析軟體

徠在旋轉機械CFD計算方面具有很強的功能。它可用於不可壓縮流體，亞/臨/超音速流體的流動，採用具有壁面函數的k-e模型、2層模型和Kato-Launder模型等湍流模型，傳熱包括對流傳熱、固體導熱、表面對錶面輻射，Gibb’s輻射模型，多孔介質傳熱等。化學反應模型包括旋渦破碎模型、具有動力學控制複雜正/逆反應模型、Flamelet模型、NOx和碳黑生成模型、拉格朗日跟蹤模型、反應顆粒模型和多組分流體模型。CFX-TurboGrid是一個用於快速生成旋轉機械CFD網格的互動式生成工具，很容易用來生成有效的和高質量的網格。

AUTODESK CFD的前身是CFDesign，在被AUTODESK公司收購后，更名為AUTODESK CFD，是一款類通用CFD求解器，不過其強項還是在於熱分析和建築通風，人體舒適度分析。

AUTODESK CFD的設計思路是讓工程師在設計階段就能夠得到初步的流體分析結果，因此軟體操作設計的非常便捷，對於沒有CFD基礎的設計人員也能很快掌握。