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精馏塔板上计算流体力学数学模型研究进展
陈芳;翟建华
【期刊名称】《河北工业科技》
【年(卷),期】2006(023)001
【摘要】对精馏塔板上液相流速分布的理论研究进行了综述,对计算流体力学(CFD)研究的常用数学模型进行了分类和归纳.论述了CFD的优势及其在工程研究中的应用,对今后CFD研究工作提出了建议.
【总页数】4页(P51-53,64)
【作者】陈芳;翟建华
【作者单位】河北科技大学化学与制药工程学院,河北,石家庄,050018;河北科技大学国际交流与合作处,河北,石家庄,050018
【正文语种】中文
【中图分类】TQ053.5;TQ021.1
【相关文献】
1.利用计算流体力学方法研究精馏塔板上的液相流动 [J], 刘春江;袁希钢
2.计算流体力学在精馏塔板上的应用 [J], 王晓玲;刘春江;余国琮
3.反应精馏塔板差分方程及其数学模型 [J], 秦姣;隋东武;田文德
4.基于损失分析的反应精馏塔板上反应体积的优化设计 [J], 林子昕;安维中;袁琳皓;蔡浩;朱建民
5.计算流体力学(CFD)在精馏塔板上的应用 [J], 王峰;张继军;张少峰
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《计算流体动力学分析——cfd软件原理与应用》计算流体动力学分析（CFD）是一种强大的工程分析技术，用于分析非稳定流体流动场景下复杂性和多相性之间关系。
CFD软件是现代工程仿真的基石，它可以帮助快速分析复杂的物理现象，以及快速预测决策的影响。
本文旨在简要介绍CFD软件的原理和应用。
首先，CFD软件的原理是根据流体动力学模型设计的，它允许对流体系统的物理特性进行数值模拟。
根据基础的流体动力学原理，CFD 软件可以计算湍流和边界层流中的流动特性，包括速度、温度、压力和流场分布。
这些参数是必要的，因为它们可以提供有关流体流动、传热、传质和传播的信息，从而帮助分析工程系统的性能和稳定性。
CFD软件的另一个特点是模拟流体多相性的能力。
这种能力使用多相流体模型将非湍流流动和混合多相流动分别结合起来，以实现非常精确的分析。
例如，盐水混合流体和燃料添加剂混合流体，这些混合物可以被模拟并进行性能可靠性分析。
CFD软件还可以用来对流体流动和传热进行精细分析，可以识别出复杂流场中涡流、涡旋和其它不规则结构，以及分析流动速度和温度分布。
此外，CFD软件还可以用来模拟传热传质，模拟流体的几何变形，优化流体过程的性能，并对结构的强度和稳定性进行验证。
CFD软件的应用非常广泛，可以应用于多种领域，包括航空航天、能源开发、生物医学工程、冶金铸造和制药等。
这些应用可以用于有效地提高涡轮发动机的性能，提高压气机的使用效率，以及对火箭燃料轨道元素的分析等，以此节省能耗，提升工程性能。
此外，CFD软件还可以用于分析风场、水体和水质，以实现更快捷、更准确的仿真分析。
例如，可以模拟水体湍流和流量变化，以及水质变化，这有助于政府和环保机构实施新的环境政策和管理措施。
总之，CFD软件是一种强大的工程分析技术，可以分析复杂的物理现象，快速预测决策的影响，从而节省时间和费用，提高企业的竞争力。
它的原理和应用能够帮助工程师们更好地掌握流体流动场景，从而改善工程系统的性能和稳定性，提升企业的效率和竞争力。
计算流体力学在工程中的应用计算流体力学(CFD)是一种数值模拟和分析流体动力学现象的工程技术。
它通过使用计算机模拟流体行为，从而解决实际工程领域中的复杂流体问题。
因此，CFD在许多领域都有着广泛的应用，如航空航天、汽车工程、石化工程、制药等。
本文将探讨CFD在工程中的应用。
1.石化工程中的CFD应用石化工程是指生产和加工石油、化学品、天然气等化学原料的工程领域。
在该领域，CFD已成为不可或缺的工具。
例如，炼油厂中的流动过程非常复杂，需要使用CFD来模拟其内部流体运动情况。
通过模拟不同的炼油厂操作过程，可以优化其效率，降低能耗，并减少不良影响。
此外，CFD还可用于设计化学反应器，从而最大程度地提高反应器的效率和安全性。
2.航空航天工程中的CFD应用在航空航天领域，CFD主要用于模拟航空器表面流动情况、设计飞行器减阻型翼型、打造更有效的气动性特性等。
例如，CFD可以帮助设计新型的航空器构造，以便提高飞行速度和升力。
此外，CFD还可以仿真不同的飞行条件下的流场变化，以便对飞行器动态性能进行全面的分析和评估。
3.汽车工程中的CFD应用在汽车领域，CFD应用主要集中在汽车外形、引擎和行李箱等关键部件的设计上。
通过CFD模拟，可以评估不同设计的气动性能和汽车的稳定性等性能指标。
例如，CFD可用于评估不同汽车外形的风阻以及使用改进的排气系统设计，从而降低车辆的排放，并提高燃油经济性。
这些改进都可以大大降低汽车制造成本，同时提高车辆的性能和可靠性。
4.工业设备中的CFD应用工业设备的不断运转和维护也需要CFD来优化其设计和维护。
例如，化工厂中的反应器需要CFD来模拟其内部流动情况，以便提高操作效率和安全性。
CFD还可用于模拟各种高速气体流动，帮助工程师设计仪器和设备，以适应各种极端操作环境。
总之，计算流体力学已经成为各种工程领域不可或缺的工具。
它通过使用计算机模拟流体行为，从而为工程领域提供了一个非常有效的工具，并大大提高了流体控制技术的自动化和精度。
计算流体力学在气动优化中的应用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是一种基于数值计算的流体力学仿真技术，它可以精确地模拟流体的运动和变化，在诸如汽车、飞机、火箭等领域的气动优化中发挥了重要作用。
一、CFD的基本原理CFD是一种基于数值计算方法的数学模型，采用数值算法对复杂的流体问题进行仿真模拟。
它主要基于Navier-Stokes方程组，其中包括连续方程、动量守恒方程和能量守恒方程，这些方程组反映了流体运动的基本规律。
通过对这些方程组进行求解，可以得到流体的速度、压力、温度等各种物理参数，并通过计算机模拟流体运动和变化的过程。
二、CFD在气动优化中的应用1、航空航天领域在航空航天领域，CFD可以模拟空气流动对飞机的影响，并进行空气动力学优化。
例如，可以通过对飞机的机翼形状、翼型、机身外形、马赫数等进行模拟，以最小化气动阻力和提高飞机的机动性能和燃油效率。
2、汽车工业在汽车领域，CFD可以模拟汽车行驶时气流对车身的影响，并进行优化设计。
例如，可以对汽车的外形、车身下压力、车轮气流等进行模拟和分析，以提高汽车的稳定性和降低气动阻力，从而提高燃油经济性。
3、建筑设计在建筑设计领域，CFD可以模拟建筑物周围的流场，以了解建筑物外墙的气流分布和线速度等参数，并进行优化设计。
例如，可以对建筑物的外形、窗户尺寸和位置等进行模拟和分析，以改善室内气体流动、降低噪声和提高通风效率。
三、CFD技术的发展趋势随着云计算和大数据技术的不断发展，CFD技术也不断完善和优化。
未来，CFD技术将进一步发展和应用于各个领域，例如在医学领域中，可以模拟气流在呼吸系统中的流动，以帮助医生进行疾病诊断和治疗等。
总之，CFD技术的应用将越来越广泛，主要应用领域有航空航天、汽车工业和建筑设计等。
随着技术的不断改进和更新，CFD 技术将在气动优化的领域中发挥更重要的作用。
计算流体力学模拟技术在化工过程设计中的应用指南计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟技术是在计算机上对流体流动的运动进行数值模拟和分析的一项重要技术。
它通过对流体的宏观性质进行建模和离散化计算，可以预测和优化流体流动的行为，为化工过程设计提供了重要的工具和方法。
一、CFD模拟在化工过程设计中的意义CFD模拟技术具有较高的精度和灵活性，可以模拟和分析各种复杂的流体流动情况，如气体、液体和颗粒物的流动、传热和反应等。
在化工过程设计中，CFD模拟可以提供以下方面的帮助。
1. 流体力学特性分析。
通过CFD模拟可以获得流动场中的各种物理量分布，如速度、压力、温度等，从而对流体流动的特性进行分析和评估。
这有助于设计和优化化工设备，提高其工作效率和安全性。
2. 设备性能评估。
利用CFD模拟，可以模拟和分析化工设备的运行情况，包括反应器、分离塔、换热器等。
通过评估设备的性能指标，如传热系数、分离效率等，可以优化设备结构和参数，提高设备的性能和经济性。
3. 流动过程优化。
CFD模拟可以模拟和预测复杂的流体流动过程，如搅拌过程、混合过程和反应过程等。
通过调整流动的结构和参数，可以优化流动过程，提高反应效率和产物选择性。
二、CFD模拟在化工过程设计中的应用案例下面通过几个具体的应用案例，说明CFD模拟在化工过程设计中的应用指南。
1. 反应器设计与优化在化学反应中，反应器的设计和优化对于提高反应效率和产物选择性至关重要。
CFD模拟可以模拟和分析反应器中的流体流动和反应过程，通过调整反应器结构和参数，提高传质效果和反应均匀性。
可以优化反应器的温度分布、压力场和物质传递方式，进而提高反应速率和产物质量。
2. 搅拌槽的仿真和优化搅拌槽是一种常见的化工设备，在化工过程中起到混合物料、加热反应等作用。
CFD模拟可以模拟和分析搅拌槽中的流动和混合过程，通过调整搅拌器的参数（如转速、叶片形状等），可以优化搅拌槽的流体流动和混合效果。
计算流体力学作业答案问题1：什么是计算流体力学？计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是研究流体力学问题的一种方法，它使用数值方法对流体流动进行数值模拟和计算。
主要包括求解流体运动的方程组，通过空间离散和时间积分等计算方法，得到流体在给定条件下的运动和相应的物理量。
问题2：CFD的应用领域有哪些？CFD的应用领域非常广泛，包括但不限于以下几个方面：1.汽车工业：CFD可以用于汽车流场的模拟和优化，包括空气动力学性能和燃烧过程等。
2.航空航天工业：CFD可以用于飞机、火箭等流体动力学性能的预测和优化，包括机身、机翼的设计和改进等。
3.能源领域：CFD可以用于燃烧、热交换等能源领域的流体力学问题求解和优化。
4.管道流动：CFD可以用于石油、化工等行业的管道流动模拟和流体输送优化。
5.空气净化：CFD可以用于大气污染物的传输和分布模拟，以及空气净化设备的设计和改进。
6.生物医药：CFD可以用于生物流体输送和生物反应过程的模拟和分析，包括血液流动、药物输送等。
问题3：CFD的数值方法有哪些？CFD的数值方法一般包括以下几种：1.有限差分法（Finite Difference Method，FDM）：将模拟区域划分为网格，并在网格上离散化流体运动的方程组，利用有限差分近似求解。
2.有限体积法（Finite Volume Method，FVM）：将模拟区域划分为有限体积单元，通过对流体流量和通量的控制方程进行离散化，求解离散化方程组。
3.有限元法（Finite Element Method，FEM）：将模拟区域划分为有限元网格，通过对流体运动方程进行弱形式的变分推导，将流动问题转化为求解线性方程组。
4.谱方法（Spectral Method）：采用谱方法可以对流体运动方程进行高精度的空间离散，通常基于傅里叶变换或者基函数展开的方式进行求解。
5.计算网格方法（Meshless Methods）：不依赖网格的数值方法，主要包括粒子方法（Particle Methods）、网格自适应方法（Gridless Method）等。
CFD 流体动力学软件介绍CFD—计算流体动力学，因历史原因，国内一直称之为计算流体力学。
其结构为：提出问题—流动性质（内流、外流；层流、湍流；单相流、多相流；可压、不可压等等），流体属性（牛顿流体：液体、单组分气体、多组分气体、化学反应气体；非牛顿流体）分析问题—建模—N-S方程（连续性假设），Boltzmann方程（稀薄气体流动），各类本构方程与封闭模型。
解决问题—差分格式的构造/选择，程序的具体编写/软件的选用，后处理的完成。
成果说明—形成文字，提交报告，赚取应得的回报。
CFD实现过程：1.建模——物理空间到计算空间的映射。
主要软件：二维：AutoCAD：大家不要小看它，非常有用。
一般的网格生成软件建模都是它这个思路，很少有参数化建模的。
相比之下AutoCAD的优点在于精度高，草图处理灵活。
可以这样说，任何一个网格生成软件自带的建模工具都是非参数化的，而对于非参数化建模来说，AutoCAD应该说是最好的，毕竟它发展了很多很多年！三维：CATIA：航空航天界CAD的老大，法国人的东西，NB，实体建模厉害，曲面建模独步武林。
本身可以生成有限元网格，前几天又发布了支持ICEM-CFD的插件ICEM-CFD CAA V5。
有了它和ICEM-CFD，可以做任何建模与网格划分！UG：总觉得EDS脑袋进水了，收了I-deas这么久了，也才发布个几百M的UG NX 2.0，还被大家争论来争论去说它如何的不好用！其实，软件本身不错，大公司用得也多，可是就这么打市场，早晚是走下坡路。
按CAD建模的功能来说它排不上第一，也不能屈居第二，尤其是加上了I－DEAS更是如虎添翼。
现在关键是看市场了。
Solidworks：这哥们讲的是实用主义，中端CAD软件它绝对是老大，Solidedge 功能是不比它差，但是Solidworks的合作伙伴可能是SE的十几倍，接口也比SE多很多，要是你，你会选哪个？Autodesk Inventor也只能算是中端软件，目前说来，我是处于观望态度，看发展再决定。
第26卷第2期河北科技大学学报Vol.26,No.2 2005年6月Journal of Hebei University of Science and Technology J une2005 文章编号:100821542(2005)022*******计算流体力学(CFD)的通用软件翟建华(河北科技大学国际交流与合作处,河北石家庄 050018)摘 要:对化学工程领域中的通用CFD(Comp utational Fluid Dynamics)模拟软件Phoenics,Flu2 ent,CFX等的具体特点和应用情况进行了综述,指出了他们各自的结构特点、特有模块、包含的数学模型和成功应用领域;给出了选用CFD软件平台的7项准则,对今后CFD技术的发展进行了预测,指出,今后CFD研究的主要方向将集中在数学模型开发、工程改造和新设备开发及与工艺软件的匹配连用等方面。
关键词:计算流体力学;模拟软件;CFX;FL U EN T;P HO EN ICS中图分类号:TQ015.9 文献标识码:AReview of commercial CFD softwareZHA I Jian2hua(Department of Internation Exchange and Cooperation,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China)Abstract:The paper summarizes the features and application of the CFD simulation software like Phoenics,Fluent and CFX etc in chemical engineering,and discusses their structure features,special modules,mathematical models and successf ul application areas.It also puts forward seven rules for the good choice of commercial CFD code for the CFD simulation researchers.Based on the prediction of the technology development,it points out the possible research direction for CFD in the f uture will focus on the development of mathematical model,project transformation,new equipment and their matching application with technologi2 cal software.K ey w ords:CFD;simulation software;CFX;FL U EN T;P HO EN ICSCFD(Comp utatio nal Fluid Dynamics)软件是计算流体力学软件的简称,是用来进行流场分析、计算、预测的专用工具。
《计算流体动力学分析——cfd软件原理与应用》计算流体动力学（CFD）是一门应用于工程领域的计算机科学，其中的目的是使用计算机来对物理现象进行研究和分析。
它主要用于研究不同流体在固定的介质中的相对位置以及流动时间，如水流动，空气流动和燃烧气体流动。
因此，CFD可以用于解决实际问题，如空气动力学，气体动力学和液体动力学。
CFD软件是一种用于实现CFD 原理的计算机程序。
这些软件利用数学模型和计算算法来模拟物理系统并进行分析，而无需实际进行实验。
CFD软件具有高精度的运算能力，可以在不影响质量的情况下准确地描述流体的数学模型。
其特点是可以模拟实际气体和液体的复杂流动，从而精确估计流体摩擦力、气体结构及表面流动等方面的性能。
因此，CFD软件可以帮助工程师更好地发现潜在的流体力学问题，及早发现可能出现的设计问题，减少开发时间和成本。
CFD软件的应用范围非常广泛，可以用于工业，航空航天，仪器仪表，环境技术，气象学，航海学，建筑，机械工程，热能，医疗等领域的研究和应用中。
例如，在航空航天领域，人们可以利用CFD软件来估算飞行器的马赫数和飞行机翼的起飞性能，以及飞行器在空中运动时所受的风阻力和推动力，从而提高飞行机翼或飞行机翼上设备的性能。
此外，CFD 软件还可以用来分析和设计工业设备的结构，并分析设备运行时的流体动力学行为，以便更好地控制工艺参数。
此外，CFD软件还可以用来研究环境变化和空气污染，以便及早预测空气质量变化情况。
例如，当空气污染物被释放到空气中时，CFD 软件可以预测在特定条件下，空气污染物在空气中会分布到哪里。
CFD软件也被广泛用于热能和医疗领域中，可以帮助人们更准确地分析和预测物理系统的行为。
例如，在医疗领域，CFD软件可以用于估算受伤者肺部的空气流速，以及空气流速对受伤者血液活化的影响，以确定需要采取的相应措施。
综上所述，CFD软件是一种重要而有用的计算工具，可以用于研究和解决实际应用中出现的多方面的流体动力学问题。
计算流体力学（CFD）是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。
它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。
计算流体力学和相关的计算传热学，计算燃烧学的原理是用数值方法求解非线性联立的质量、能量、组分、动量和自定义的标量的微分方程组，求解结果能预报流动、传热、传质、燃烧等过程的细节，并成为过程装置优化和放大定量设计的有力工具。
计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中产生巨大的影响。
目前比较好的CFD软件有：Fluent、CFX,Phoenics、Star-CD，除了Fluent 是美国公司的软件外，其它三个都是英国公司的产品------------------------------------------------------FLUENTFLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%。
举凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。
它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。
其在石油天然气工业上的应用包括：燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散/聚积、多相流、管道流动等等。
Fluent的软件设计基于CFD软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，FLUENT软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。
基于上述思想，Fluent开发了适用于各个领域的流动模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。
CFD通用软件综述CFD通用软件综述CFD，即Computational Fluid Dynamics（计算流体力学），是一种应用数值计算方法解决流体动力学问题的工程分析方法。
随着计算机技术与算法的进步，CFD已成为工程师研究流体流动、传热和质量传递的重要工具。
而CFD通用软件则是指那些能够处理各种流体问题的通用性软件。
本文将对几个常见的CFD通用软件进行综述。
一、FluentFluent是ANSYS公司推出的一种流体动力学计算软件，在全球范围内被广泛使用。
它提供了强大的求解器和建模工具，可用于解决各种流体问题，包括不可压缩和可压缩流动、稳态和非稳态流动以及多相流等。
Fluent拥有友好的用户界面和丰富的后处理功能，使得用户可以轻松地进行模拟计算并分析结果。
二、Star-CCM+Star-CCM+是Siemens PLM Software公司开发的一款多物理场仿真软件，其中包括流体力学仿真。
它具有强大的前处理和后处理功能，能够处理各种流动问题，包括复杂几何体、多相流动和湍流等。
Star-CCM+的并行计算能力强大，可以利用多核处理器和计算机集群来加速计算。
三、OpenFOAMOpenFOAM是一个开源的CFD软件套件，被广泛应用于学术界和工业界。
它提供了丰富的数值模型和求解器，能够处理各种流体问题，包括不可压缩和可压缩流动、湍流和多相流等。
OpenFOAM具有灵活的用户界面和可自定义的求解器，用户可以根据自己的需求进行修改和扩展。
四、COMSOL MultiphysicsCOMSOL Multiphysics是一款多物理场建模和仿真软件，可以处理流体力学、结构力学、电磁场和热传递等问题。
它拥有强大的建模和网格生成工具，可以处理复杂的几何体和边界条件。
COMSOL Multiphysics支持多物理场的耦合求解，能够模拟多个物理场之间的相互作用。
五、CFXCFX是ANSYS公司另一款流体动力学计算软件，也是全球范围内被广泛应用的软件之一。
流体计算软件
一些常见的流体计算软件包括：
1. Fluent：Ansys Fluent是一个广泛应用于各种领域的流体动力学仿真软件，可以进行三维、二相、非等温、可压缩流体的计算。
2. CFD++：CD-adapco提供的一套多物理场求解器，适用于复杂的流体力学、传热、传质、空气动力学等问题。
3. OpenFOAM：一款开源的计算流体动力学软件，提供了各种求解器和建模工具，支持多种计算方法和物理场。
4. COMSOL Multiphysics：COMSOL Multiphysics是一款基于有限元方法的多物理场仿真软件，可以进行流体动力学、传热、传质等多种物理场耦合计算。
5. Star-CCM+：Simcenter STAR-CCM+是西门子为工程仿真而开发的一套综合软件包，其中包括了流体动力学（CFD）计算、传热、传质以及结构力学等各个领域的仿真工具。
6. Flownex：Flownex是一款综合流体和热力系统仿真及建模软件，适用于各种行业的流体系统设计和优化。
这些软件都可以用于进行流体流动、传热、传质等相关计算和分析，具体选择取决于用户具体的需求和应用领域。
计算流体力学(CFD)的通用软件计算流体力学(CFD)的通用软件计算流体力学(CFD)是一种重要的工程分析方法，广泛应用于航空航天、汽车工业、船舶设计、建筑设计等领域。
随着计算机技术的快速发展，CFD的应用越来越广泛，也催生了许多通用软件的诞生，以帮助工程师进行流体力学分析和模拟。
本文将介绍几种常用的CFD通用软件，并对其特点和应用进行简要分析。
ANSYS Fluent是计算流体力学分析领域最知名的软件之一。
它拥有强大的求解器和多种建模选项，可以模拟包括气体、液体、多相流、传热等在内的多种流体现象。
ANSYS Fluent具有良好的用户界面和先进的后处理功能，使得工程师能够对复杂流体流动进行详尽的分析。
该软件在航空航天、汽车工业等领域得到了广泛应用。
OpenFOAM是一个自由、开源的CFD软件，具有灵活的求解器和广泛的应用范围。
它采用了有限体积方法，可以模拟多种流动问题，包括不可压缩流体、可压缩流体、多相流等。
OpenFOAM的优势在于其可扩展性和自定义性，通过编写自定义求解器，用户可以实现更复杂的物理模型和算法。
这使得OpenFOAM成为科研领域和程序开发者的首选。
CD-adapco Star-CCM+是另一款功能强大的CFD软件，也是工业界广泛使用的工具之一。
Star-CCM+具有直观的用户界面和先进的后处理功能，可以模拟包括颗粒流、化学反应、电磁场等在内的多种流体问题。
该软件的优势在于其多物理耦合能力和高性能计算能力，可以快速模拟复杂的流体现象。
除了以上提到的软件，还有许多其他的CFD通用软件可供选择，如COMSOL Multiphysics、NUMECA Fine/Marine等。
这些软件在特定领域或特定问题上有其独特的优势和适用性。
CFD的通用软件在工程分析和设计中发挥着重要的作用。
它们可以帮助工程师更好地理解流体力学现象，优化产品设计，加速产品开发过程。
然而，使用CFD软件需要一定的专业知识和经验。
计算流体力学中的有限体积法：openfoam和matlab高级导论有限体积法（FVM）是计算流体力学（CFD）中常用的离散化方法之一。
它将计算区域划分为有限体积单元，利用守恒方程来描述物理过程，在离散化的单元上逐一求解。
OpenFOAM和Matlab都是常用的计算流体力学软件，下面分别介绍它们在FVM中的应用。
1. OpenFOAM中的FVMOpenFOAM是一个开源的CFD软件，采用FVM方法求解守恒方程。
它提供了一个强大而灵活的求解器库，可以用于求解各种流体流动的问题。
OpenFOAM 的求解方法基于C++编写的高性能数值算法库，可以高效地进行并行计算。
它的优点包括：- 支持多标量分组方法和混合方法的求解；- 可以使用多种涡量法求解技术；- 支持高精度的算法，如高阶量级插值；- 支持不同的边界条件选择；- 提供了与其他流动模拟软件的兼容性。
OpenFOAM应用广泛，涉及的行业包括汽车、航空、能源、建筑物、生物医学等。
在不同行业的应用中，使用OpenFOAM对流体力学现象进行建模、仿真和优化是非常有用的。
2. Matlab中的FVMMatlab也是一种常用的CFD软件，可以利用FVM方法求解守恒方程。
Matlab 提供了用于模拟流体流动和热传递的工具箱，包括有限差分法、有限元法和有限体积法等。
Matlab的优势包括：- 可以支持不同的模型类型，例如Stokes方程、Navier-Stokes方程和Korteweg-de Vries方程等；- 可以使用不同的数值方法，如显式和隐式数值方法、显式和隐式FVM、高阶FVM等；- 适合进行教学演示和基础学术研究。
Matlab的FVM工具箱可以使用自定义代码或预先编译的函数进行扩展。
此外，Matlab还提供了许多用于处理CFD数据的工具，如可视化、数据导出和数据分析等。
总结起来，OpenFOAM和Matlab都是优秀的CFD软件，可以使用FVM方法求解守恒方程并对复杂的流体流动问题进行模拟和优化。
CFXCFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件，是英国AEA Technology 公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而开发，诞生在工业应用背景中的CFX一直将精确的计算结果、丰富的物理模型、强大的用户扩展性作为其发展的基本要求，并以其在这些方面的卓越成就，引领着CFD技术的不断发展。
目前，CFX已经遍及航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、冶金、环保等领域，为其在全球6000多个用户解决了大量的实际问题。
CFX软件的基本结构和功能CFX包括前处理系统，求解器和后处理系统。
前处理系统CFX-BUILDCFX-BUILD是一种以结构分析软件MSC/PATRAN为基础的图形处理系统。
CF X-BUILD将计算机辅助设计(CAD)过程和计算流体力学(CFD)分析的工作相结合，使得工程师在做产品的工程设计时(CAD阶段开发)即可对过程的特性进行分析。
CFX-BUILD 以下列先进的方法构造非结构化的多块化的网格。
1) 可以直接访问各种CAD软件：如CADDS5，CATIA，Eucllid3，Pro/Engine er和Unigraphics。
2) 可以从任一CAD系统例如MSC/PATRAN和I-DEAS，以IGES格式直接读入CAD图形。
3) 具有很强的操作功能，例如可以自动调整和组合各种曲面，从CAD数据读入高质量网格。
4) 具有出色的几何造形能力，例如可向任意曲面扩展。
5) 带有很强的图形处理工具。
6) 具有高度自动的曲面和体网格划分能力，以保证生成高质量的网格。
CFX 4CFX 4能用于计算各种流体流动、燃烧和传热过程。
适用于直角/柱面/旋转坐标系，稳态/非稳态流动，瞬态/滑移网格，不可压缩/弱可压缩/可压缩流体，浮力流，多相流，非牛顿流体，化学反应，燃烧，NOx生成，辐射，多孔介质及混合传热过程。
CFX 4还包括辐射换热模块CFX-RADIATION和材料数据库模块CFX-INFOCHEM。
第26卷第2期河北科技大学学报Vol.26,No.2 2005年6月Journal of Hebei University of Science and T echnology June2005文章编号:100821542(2005)022*******计算流体力学(CFD)的通用软件翟建华(河北科技大学国际交流与合作处,河北石家庄050018)摘要:对化学工程领域中的通用CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟软件Phoenics,Flu2 ent,CFX等的具体特点和应用情况进行了综述,指出了他们各自的结构特点、特有模块、包含的数学模型和成功应用领域;给出了选用CFD软件平台的7项准则,对今后CFD技术的发展进行了预测,指出,今后CFD研究的主要方向将集中在数学模型开发、工程改造和新设备开发及与工艺软件的匹配连用等方面。
关键词:计算流体力学;模拟软件;CFX;FLUENT;PH OENICS中图分类号:T Q015.9文献标识码:AReview of commercial CFD softwareZH AI Jian2hua(Department of Int ernation Exchange and Cooperation,H ebei University of Science and Technology,Shijiazhuang H ebei 050018,China)Abstr act:The paper summar izes the features and application of the CF D simulation software like Phoenics,F luent and CFX etc in chemical engineering,and discusses their str ucture features,special modules,mathematical models and successful application areas.It also puts forward seven r ules for the good choice of commercial CF D code for the CF D simulation resea rcher s.Based on t he predict ion of the technology development,it points out the possible r esear ch direction for CF D in the future will focus on the development of mathematical model,project transformat ion,new equipment and their matching application with technologi2 cal softwa re.Key words:CF D;simulation software;CF X;FLUENT;P HOENICSCFD(Computational Fluid Dynamics)软件是计算流体力学软件的简称,是用来进行流场分析、计算、预测的专用工具。
通过CFD模拟,可以分析并且显示流体流动过程中发生的现象,及时预测流体在模拟区域的流动性能,并通过各种参数改变,得到相应过程的最佳设计参数。
CFD的数值模拟,能使我们更加深刻地理解问题产生的机理,为实验提供指导,节省以往实验所需的人力、物力和时间,并对实验结果整理和规律发现起到指导作用。
随着计算机软硬件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟,出现了基于现有流动理论的商用CFD软件。
这使许多不擅长CFD工作的其他专业研究人员能够轻松地进行流体数值计算,从而使研究人员从编制繁杂、重复性的程序中解放出来,以更多的精力投入到研究问题的物理本质、问题提法、边界(初值)条件和计算结果的合理解释等重要方面上,充分发挥商用CFD软件开发人员和其他专业研究人员各自的智力优势,为解决实际工程问题开辟了道路。
CFD研究走过了相当漫长的过程。
早期数值模拟阶段,由于缺乏模拟工具,研究者一般根据自身工作性质和研究过程,自行编制模拟程序,其优点是针对性强,对具体问题的解决有一定精度,但是,带来的问题收稿日期:2004208221;修回日期:2004211221;责任编辑:张军作者简介:翟建华(19642),男,河北平乡人,教授,主要从事化工CFD、高效传质与分离和精细化工方面的研究。
也非常明显:第一,大家使用的程序语言不尽相同,使得程序运行环境不尽兼容;第二,模拟介质不同,目的各异,从而造成研究者在信息交流上的困难和成果在实际应用推广中的迟缓;第三,由于方程求解和离散方法不同,程序运行速度相差很大,同时由于对问题认识差异,对方程简化处理方法不同,造成同一问题和条件下得到不同计算答案,使人们对CFD 的实用性产生误解和怀疑;第四,由于研究者计算机背景知识差异,造成相同参数的后处理方式不统一,研究结果缺乏可比性,从而失去可靠性;第五,重复研究造成大量时间和财产浪费,比如,在塔板液体流动模拟研究中,采用相同的描述方程,仅由于离散计算和编程缺陷,会得出不同结论,模拟结果不能再现塔板上液体流动的滞流区,从而得出数学方程适应性的差异结论,因而限制了模拟计算技术的发展。
因此,以相对完善的商业模拟平台为基础,经二次开发使之适合一个过程的工作应该是CFD 的发展方向。
化学工程的模拟计算始于20世纪90年代后期。
以前,虽然人们希望得到并想方设法寻找某些偏微分方程的精确数值解,但限于数值离散方法论和数值计算工具的条件,无法实现这一目的。
我们知道,描写化工过程的传质、传热、动量传递方程都是高阶非线性偏微分方程,要想得到精确解十分困难,需要若干边界条件方程和辅助方程对主体方程组加以限制和封闭,需要功能强大的计算机储存和计算。
因此,大家几乎都是利用有限简化方法进行数学方程代数离散化,并辅以计算精度限制,进而求解得到一定意义上的数值解。
在此背景下,CFD 通用软件包的出现成了必然。
1 常用CFD 通用软件结构计算流体力学商业软件包括以下几个模块:几何模型建立(CFD 2build)与网格生成模块、前处理模块(Pre 2processor)、核心处理模块(CFD 2solver)、后处理模块(Post 2processor)、软件使用教程及软件说明(T u 2torial and Menu)。
几何模型建立及网格生成是由使用者本人根据研究的具体问题建立的相应二维或三维模拟模型,然后再按其外形结构和具体过程特点进行数学网格化处理并生成CFD 计算网格文件(几何文件)的过程,它是CFD 模拟计算的工作基础。
一般地,CFD 软件平台都可以实现与CAD 的对接,以增强其处理复杂几何形状问题的能力。
前处理模块(CFD 2Pre)主要是提供模拟过程基础平台及计算环境,与几何文件(mashing file)连接,建立具体问题的流体进出口边界及其边界条件,提供模拟介质的特性参数及数据库等。
CFD 的核心部分(CFD 2solver)包括整个/软件包0功能下的所有可能的数学模型,向使用者提供由所研究问题性质决定的相应数学模型,同时提供使用者自编程接口程序和接口命令;该模块的另一功能是向使用者提供模拟过程数学方程的计算方法、数学离散方法、收敛方法和准则,进而形成模拟命令程序(Command File)。
后处理模块(CFD 2post)向使用者提供模拟运算数据的存储、交换导出和各种参数图,并与基本图形处理工具(Graphical View and Plotting)实行连接,是模拟计算结果处理好坏的重要环节,可以为使用者提供模拟几何模型上不同位置的参数分布图,并可以打印输出。
使用教程及说明(Tutorial and Menu)主要向初学者提供具体的计算范例和使用说明、技巧以及使用时的适时帮助。
总的来说,CFD 模拟软件使用方便与否,主要取决于软件人机交互使用的方便程度和上述几个模块过程的完善性,重要环节就是数学模型及模型参数的实用性。
就CFD 本质来讲,流体动力学是建立能准确描述具体流动过程的数学微分方程组,依据模拟几何模型和流动过程特点给予相应的边界条件,最后,将上述方程组联立求解得出一定精度模拟结果。
计算机的应用仅是快速准确实现上述目的的手段,真正技术核心是如何将高阶偏微分方程科学离散化,如何确定离散单元,如何使计算过程快速收敛。
在不稳定流体流动和湍流规律研究成果基础上,利用有限体积的理念,解决了无数流动分子与流体整体特征之间的联系关系,使上述过程成为现实。
2 CFD 商业软件的基本选用原则化学工程实际过程中,目前常用软件平台有Phoenics,FLUENT ,CFX 等3种。
它们各有其特点和相应的最佳应用领域,实际过程中,使用者要依据研究问题的具体情况选择模拟平台。
笔者认为,合理选用CFD 软件是模拟成功的前提,CFD 通用商业软件的选用原则应有以下几方面。
1)条件原则 充分考虑自身现有的软件工作环境,在合理物理模型前提下,首选现有软件,做到不盲目、161 第2期 翟建华 计算流体力学(CF D )的通用软件讲实效。
2)实用原则从具体问题出发,选择的模拟软件要包括相应的数学模型,依据问题的复杂程度,不盲目追求模型的复杂程度和精确度,以实用为模型选用准则。
3)计算机原则充分利用现有计算机条件,内存够用为限。
计算流体力学对计算机的基本要求:一是计算速度(CPU);二是随机内存空间(RAM)。
一般地,要求计算机内存在512M,CPU在1.7G以上即可。
4)行业原则要充分借鉴前人研究成果,尽可能与前人研究具有可比性,相似性。
特别是具有特殊性的某些飞行器、运动器的研究。
同时,选择适当的数据处理与导出方式,以形成相似或类似的图表格式,便于比较对照。
5)匹配原则建立几何模型要考虑模型的复杂程度,尽可能与实际物体一致,又有升华提高,做到模拟计算与几何模型生成方法合理匹配;几何模型网格划分疏密程度与计算机内存合理匹配;几何模型与边界条件合理匹配;物理模型与模拟软件合理匹配。
合理建立几何模型对达到模拟精度要求起决定作用。
6)计算精度原则不要特意追求模拟计算精度,一般地,以满足工程实际要求为易,不过分追求高精度,收敛准则要适当。
否则,计算很难收敛,时间和费用花费将很高。
7)阶段原则模拟计算不是万能的,不可能解决所有问题,要分阶段工作。
比如,以简单平台和模型取得计算初值,然后,进行精确模拟,从而节约时间,保证计算稳定性和收敛性。
