FLUENT軟件技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及FLUENT與主流CFD軟件對(duì)比

2017-02-28 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

FLUENT軟件技術(shù)優(yōu)勢(shì)

前處理方面

ANSYS擁有全球最著名的ICEM高端網(wǎng)格劃分工具,其幾何清補(bǔ)及六面體網(wǎng)格劃分能力居所有CFD前處理軟件之首。同時(shí)具有Workbench平臺(tái)下統(tǒng)一的全參數(shù)化建模軟件DesignModeler和自動(dòng)化程度極高的AnsysMeshing網(wǎng)格劃分工具(AnsysMeshing完全取代了Gambit和CFX-Mesh功能,并且它現(xiàn)在基本整合ICEM和FLUENTMeshing的四面體網(wǎng)格劃分功能)。

針對(duì)不同的模型,客戶可以靈活地選擇自己需要的網(wǎng)格劃分工具(對(duì)于商業(yè)客戶,以前FLUENT全包中不包含ICEM,16.0版本之后,ICEM和AnsysMeshing都會(huì)被包含在FLUENT全包中;對(duì)于高?？蒲邪姹究蛻?16.0版本之后,HPC的并行由之前的4hpc擴(kuò)展成為16hpc)。與此同時(shí),FLUENT配合ANSYS統(tǒng)一的前處理工具DesignModeler和AnsysMeshing或ICEM,能方便地實(shí)現(xiàn)幾何模型、網(wǎng)格尺寸、邊界條件等參數(shù)化分析,這能大大提高企業(yè)及科研院所等設(shè)計(jì)單位的模型相似設(shè)計(jì)、工況系列設(shè)計(jì)的工作效率。

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關(guān)于數(shù)值算法

FLUENT軟件基于有限體積法,提供了三種數(shù)值算法,包括基于壓力的分離算法、基于密度的耦合顯式算法、基于密度的耦合隱式算法,是商用軟件中最多的。

(1)Pressure Based Segregate Solver:該算法源于經(jīng)典的SIMPLE算法,其適用范圍為不可壓縮流動(dòng)和中等可壓縮流動(dòng)。

(2)Density Based Explicit Solver:這種算法由FLUENT公司與NASA聯(lián)合開(kāi)發(fā),主要用來(lái)求解可壓縮流動(dòng)(跨音速、超音速流動(dòng)乃至高超音速)。

(3)Density Based Implicit Solver:該算法對(duì)Navier-Stokes方程組進(jìn)行聯(lián)立求解,由于采用隱式格式,因而計(jì)算精度與收斂性要優(yōu)于Density Based Explicit方法,但卻占用較多的內(nèi)存。該算法另一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是可以求解全速度范圍,即求解范圍從低速流動(dòng)到高超音速流動(dòng)。

FLUENT6.3版本以后在壓力-速度耦合方法新增了耦合壓力基算法,比壓力基算法可以達(dá)到更好的收斂性,比密度基算法計(jì)算代價(jià)小。

FLUENT的這幾種算法保證了FLUENT軟件可以模擬計(jì)算低速不可壓縮到高速可壓縮再到超音速的物理問(wèn)題。并不是所有的CFD軟件都有這么多算法,因?yàn)樗惴ǖ南拗?有些CFD軟件甚至只能算氣動(dòng)不能計(jì)算如水等不可壓縮物理問(wèn)題的仿真模擬。

求解器及物理模型

1)湍流和噪聲模型

FLUENT的湍流模型一直處于商業(yè)CFD軟件的前沿,它提供的豐富的湍流模型中有經(jīng)常使用到的湍流模型、針對(duì)強(qiáng)旋流和各相異性流的雷諾應(yīng)力模型等,隨著計(jì)算機(jī)能力的顯著提高,FLUENT已經(jīng)將大渦模擬(LES)納入其標(biāo)準(zhǔn)模塊,并且開(kāi)發(fā)了更加高效的分離渦模型(DES),FLUENT提供的壁面函數(shù)和加強(qiáng)壁面處理的方法可以很好地處理壁面附近的流動(dòng)問(wèn)題。

氣動(dòng)聲學(xué)在很多工業(yè)領(lǐng)域中倍受關(guān)注,模擬起來(lái)卻相當(dāng)困難,如今,使用FLUENT可以有多種方法計(jì)算由非穩(wěn)態(tài)壓力脈動(dòng)引起的噪音,瞬態(tài)大渦模擬(LES)預(yù)測(cè)的表面壓力可以使用FLUENT內(nèi)嵌的快速傅立葉變換(FFT)工具轉(zhuǎn)換成頻譜。Fflow-Williams&Hawkings聲學(xué)模型可以用于模擬從非流線型實(shí)體到旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)葉片等各式各樣的噪聲源的傳播,寬帶噪聲源模型允許在穩(wěn)態(tài)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬,這是一個(gè)快速評(píng)估設(shè)計(jì)是否需要改進(jìn)的非常實(shí)用的工具。

2)動(dòng)態(tài)和移動(dòng)網(wǎng)格

內(nèi)燃機(jī)、閥門(mén)、彈體投放和火箭發(fā)射都是包含有運(yùn)動(dòng)部件的例子,FLUENT提供的動(dòng)網(wǎng)格模型滿足這些具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用需求。它提供幾種網(wǎng)格重構(gòu)方案,根據(jù)需要用于同一模型中的不同運(yùn)動(dòng)部件,僅需要定義初始網(wǎng)格和邊界運(yùn)動(dòng)。動(dòng)網(wǎng)格與FLUENT提供的其他模型如霧化模型、燃燒模型、多相流模型、自由表面預(yù)測(cè)模型和可壓縮流模型相兼容。攪拌槽、泵、渦輪機(jī)械中的周期性運(yùn)動(dòng)可以使用FLUENT中的動(dòng)網(wǎng)格模型(moving mesh)進(jìn)行模擬,滑移網(wǎng)格和多參考坐標(biāo)系模型被證實(shí)非?？煽?并和其他相關(guān)模型如LES模型、化學(xué)反應(yīng)模型和多相流等有很好的兼容性。

3)傳熱、相變、輻射模型

許多流體流動(dòng)伴隨傳熱現(xiàn)象,FLUENT提供一系列應(yīng)用廣泛的對(duì)流、熱傳導(dǎo)及輻射模型。對(duì)于熱輻射,P1和Rossland模型適用于介質(zhì)光學(xué)厚度較大的環(huán)境,基于角系數(shù)的Surface to Surface模型適用于介質(zhì)不參與輻射的情況,DO模型(Discrete ordinates)適用于包括玻璃的任何介質(zhì)。DTRM模型(Discrete ray tracing module)也同樣適用。太陽(yáng)輻射模型使用光線追蹤算法,包含了一個(gè)光照計(jì)算器,它允許光照和陰影面積的可視化,這使得氣候控制的模擬更加有意義。

其他與傳熱緊密相關(guān)的汽蝕模型、可壓縮流體模型、熱交換器模型、殼導(dǎo)熱模型、真實(shí)氣體模型、和濕蒸汽模型。相變模型可以追蹤分析流體的融化和凝固。離散相模型(DPM)可用于液滴和濕粒子的蒸發(fā)及煤的液化。易懂的附加源項(xiàng)和完備的熱邊界條件使得FLUENT的傳熱模型成為滿足各種模擬需要的成熟可靠的工具。

4)化學(xué)反應(yīng)模型

化學(xué)反應(yīng)模型,尤其是湍流狀態(tài)下的化學(xué)反應(yīng)模型在FLUENT軟件中自其誕生以來(lái)一直占著很重要的地位,多年來(lái),FLUENT強(qiáng)大的化學(xué)反應(yīng)模擬能力幫助工程師完成了對(duì)各種復(fù)雜燃燒過(guò)程的模擬。渦耗散概念、PDF轉(zhuǎn)換以及有限速率化學(xué)模型已經(jīng)加入到FLUENT的主要模型中:渦耗散模型、均衡混合顆粒模型,小火焰模型以及模擬大量氣體燃燒,煤燃燒、液體燃料燃燒的預(yù)混合模型。預(yù)測(cè)NOx生成的模型也被廣泛的應(yīng)用與定制。

許多工業(yè)應(yīng)用中涉及發(fā)生在固體表面的化學(xué)反應(yīng),FLUENT表面反應(yīng)模型可以用來(lái)分析氣體和表面組分之間的化學(xué)反應(yīng)及不同表面組分之間的化學(xué)反應(yīng),以確保表面沉積和蝕刻現(xiàn)象被準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。對(duì)催化轉(zhuǎn)化、氣體重整、污染物控制裝置及半導(dǎo)體制造等的模擬都受益于這一技術(shù)。

FLUENT的化學(xué)反應(yīng)模型可以和大渦模擬(DES)及分離渦(DES)湍流模型聯(lián)合使用,這些非穩(wěn)態(tài)湍流模型耦合到化學(xué)反應(yīng)模型中,我們才有可能預(yù)測(cè)火焰穩(wěn)定性及燃盡特性。

5)多相流模型

多相流混合物廣泛應(yīng)用于工業(yè)中,FLUENT軟件是在多相流建模方面的領(lǐng)導(dǎo)者,其豐富的模擬能力可以幫助工程師洞察設(shè)備內(nèi)那些難以探測(cè)的現(xiàn)象,Eulerian多相流模型通過(guò)分別求解各相的流動(dòng)方程的方法分析相互滲透的各種流體或各相流體,對(duì)于顆粒相流體采用特殊的物理模型進(jìn)行模擬。很多情況下,占用資源較少的的混合模型也用來(lái)模擬顆粒相與非顆粒相的混合。FLUENT可用來(lái)模擬三相混合流(液、顆粒、氣),如泥漿氣泡柱和噴淋床的模擬,可以模擬相間傳熱和相間傳質(zhì)的流動(dòng),使得對(duì)均相及非均相的模擬成為可能。

FLUENT標(biāo)準(zhǔn)模塊中還包括許多其他的多相流模型,對(duì)于其他的一些多相流流動(dòng),如噴霧干燥器、煤粉高爐、液體燃料噴霧,可以使用離散相模型(DPM)。射入的粒子,泡沫及液滴與背景流之間進(jìn)行發(fā)生熱、質(zhì)量及動(dòng)量的交換。

后處理效果

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FLUENT的后處理可以生成有實(shí)際意義的圖片、動(dòng)畫(huà)、報(bào)告,這使得CFD的結(jié)果非常容易地被轉(zhuǎn)換成工程師和其他人員可以理解的圖形,表面渲染、跡線追蹤僅是該工具的幾個(gè)特征卻使FLUENT的后處理功能獨(dú)樹(shù)一幟。FLUENT的數(shù)據(jù)結(jié)果還可以導(dǎo)入到第三方的圖形處理軟件或者CAE軟件進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

FLUENT的CFD-POST后處理具有強(qiáng)大的3D渲染效果,能同步對(duì)多工況進(jìn)行對(duì)比分析,并能自動(dòng)以云圖的形式顯示被對(duì)比工況的差異,CFD-POST還能自動(dòng)出仿真結(jié)果的計(jì)算報(bào)告。

數(shù)據(jù)集成方面

FLUENT集成于ANSYS Workbench中,可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的模擬流程,包括從幾何建模、網(wǎng)格劃分、計(jì)算求解、后處理和優(yōu)化的整個(gè)流程。在多物理場(chǎng)耦合方面,FLUENT在ANSYS Workbench中和ANSYS結(jié)構(gòu)、電磁、顯示動(dòng)力學(xué)等模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)縫耦合,各模塊可以共用幾何建模和網(wǎng)格劃分流程。

市場(chǎng)份額、軟件易用性、售后服務(wù)

FLUENT軟件在全球的市場(chǎng)占有率超過(guò)38%,美國(guó)的市場(chǎng)占有率超過(guò)65%,國(guó)內(nèi)的市場(chǎng),FLUENT軟件在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)占有率超過(guò)80%,因?yàn)檐浖囊子眯?超過(guò)95%的高校使用FLUENT軟件做流體仿真分析。