CFD的软件结构

王福军的CFD软件原理与应用

1. 引言

CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）是一种采用数值计算方法来模拟流体力学问题的方法。在工程领域，CFD广泛用于流体流动、传热、传质等领域的研究和设计。本文将介绍王福军开发的CFD软件的原理和应用。

2. CFD软件原理

王福军的CFD软件基于Navier-Stokes方程（包括质量守恒、动量守恒和能量守恒方程）和其他物理模型，通过离散化方法和数值解法来求解流场问题。主要原理包括以下几个方面：

2.1 离散化方法

• 空间离散化：CFD软件将流场的计算区域划分为网格，根据网格类型的不同，可以采用结构化网格或非结构化网格。

• 时间离散化：CFD软件采用时间步进方法，将时间区间分为若干个时间步，通过时间步进来求解流场的时间演化。

2.2 数值解法

• 高阶差分方法：CFD软件采用高阶差分格式来近似方程的导数项，可以提高数值解的精度。

• 迭代求解：CFD软件采用迭代算法来求解非线性方程组，如通过迭代更新压力场和速度场等。

2.3 边界条件

• 固壁边界条件：CFD软件根据流场中的不同物体，确定相应的固壁边界条件，如壁面摩擦、壁面传热等。

• 入口边界条件：CFD软件通过设定入口边界条件来模拟流体进入计算区域的状态，如流速、温度等。

• 出口边界条件：CFD软件通过设定出口边界条件来模拟流体从计算区域流出的状态。

3. CFD软件应用

王福军的CFD软件在多个领域有广泛的应用，以下列举了其中的几个应用案例： 3.1 空气动力学分析

• 汽车空气动力学：通过模拟汽车在不同速度和不同风向下的空气流动情况，分析汽车的气动性能和燃油消耗。

• 飞机翼型设计：通过模拟飞机翼型绕流的流动情况，优化翼型的气动性能，提高飞机的升力和减阻特性。

3.2 流体传热分析

• 散热器设计：通过模拟散热器内部的流动和传热过程，优化散热结构的形状和材料，提高散热性能。

FLUENT的组成

针对不同的计算对象，CFD软件都包含有3个主要功能部分：前处理、求解器、后处理。

其中前处理是指完成计算对象的建模，网格生成的程序；求解器是指求解控制方程组的程序;

后处理是指对计算结果进行显示、输出的程序。FLUENT软件是基于CFD软件群的思想设计的。

（1）前处理器。包括 GAMBIT、Tgrid 和 Fliterso 其中 GAMBIT 是由 FLUENT

Inc.公司自主开发的专用CFD前置处理器，用于模拟对象的几何建模以及网格生成。Tgrid是一个附加的前置处理器，它可以从GAMBIT或其他CAD/CAE软件包中读入所生成的模拟对象的几

何结构，从现有的边界网格开始生成由三角形、四面体或混合网格组成的体网格。Filters实 际上就是其他 CAD/CAE 软件包，例如

ANSYS、CGNS、I-DEAS、NASTRAN. PATRAN、

ICEM等与FLUENT之间的接口，通过接口可以将由其他CAD/CAE软件包所生成的面网格 或体网格读入到FLUENT。

（2）求解器。它是CFD软件包的核心，FLUENT实际上是一个求解器，FLUENT

是一个基于非结构化网格的通用求解器，支持并行计算，分单精度和双精度两种。一旦所生成的网格读入到FLUENT中，所有剩下的操作都可以在FLUENT里面完成，其中包括设置边界条件、定义材料性质、执行求解、根据计算结果优化网格、对计算结果进行后处理等。

（3）后处理器。FLUENT本身附带有强大的后处理功能，有云图、等值线图、矢量图、剖面图、XY散点图、粒子轨迹图、动画等多种方式显示、存贮和输出计算结果，可以平移、缩放、旋转、镜像图像，也可以将计算结果导出到其他CFD、FEM软件或其他后处理软件中，例如 Tecplot 。

应用CFD软件可以进行大量虚拟(数值)试验，在此基础上再结合一定的实际试验，可 以加快开发进程、降低开发成本、提高企业的创新力和竞争力。

序号 软件名称 简介 功能和应用领域 供应商信息 支持并行

情况

通用软件

1. FLUENT 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。主要的软件模块有：Icepak专用的热控分析CFD软件；Airpak专用的供暖通风和空气调节软件；Mixsim是面向搅拌装置设计的专业流体分析软件；Blade Modeler是涡轮机械叶片设计软件；CoolSim是虚拟数据中心制冷审核服务软件。 航空航天、燃料电池、生物医药、钢铁冶金、船舶、电子电气、汽车、机械、化工、电力、环境、石油、建筑、空调玻璃、搅拌

支持并行

2. ABAQUS

ABAQUS等是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料库，可以模拟典型工程材料的性能。作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题。ABAQUS有两个主求解器模块- ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。ABAQUS还包含一个全面支持求解器的图形界面，即人机交互前后处理模块- ABAQUS/CAE。ABAQUS对某些特殊问题还提供了专用模块加以解决。ABAQUS/Standard是各种线性和非线性工程模拟能够有效、精确、可靠地实现。ABAQUS/Explicit（显示积分）为模拟广泛的动力学问题和准静态问题提供精确、强大和高效的有限元求解技术。ABAQUS/CAE能够快速有效的创建、编辑、监控、诊断和后处理先进的ABAQUS分析，将建模、分析、工作管理以及结果显示于一个一致的、使用方便的环境中。 属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料及土壤和岩石问题、热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析、压电解质分析、航空、汽车、船舶、土木、电子、材料成型加工、石化 支持并行

主流CFD仿真软件概述与比较--CAE工程师必读

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