1.4 CFD软件结构及常用的CFD软件
ANSYS CFX 14.0超级学习手册
CFD商用软件往往将复杂的CFD过程继承，通过一定的接口，让用户快速地输入问题的有关参数。
1.4.1 CFD软件结构
所有的CFD商用软件均包括三个基本环节：前处理、求解和后处理，与之对应的程序模块常简称为前处理器、求解器和后处理器。
1．前处理器
前处理器用于完成前处理的工作。前处理环节是向CFD软件输入所求问题的相关数据，该过程一般是借助与求解器相对应的对话框等图形界面完成的。在前处理阶段用户进行以下工作。
（1）定义所求问题的几何计算域。
（2）将计算域划分成多个互不重叠的子区域，形成由单元组成的网格。
（3）对所要研究的物理和化学现象进行抽象，选择相应的控制方程。
（4）定义流体的属性参数。
（5）为计算域边界处的单元指定边界条件。
（6）对于瞬态问题，指定初始条件。
流动问题的解是在单元内部的节点上定义的，解的精度由网格中单元的数量所决定。一般来说，单元越多，尺寸越小，所得到的解的精度越高，但是所需要的计算机内存资源及CPU时间也相应增加。
为提高计算精度，在物理量梯度较大的区域，以及我们感兴趣的区域，往往要加密计算网格。在前处理阶段生成计算网格时，关键是要把握好计算精度与计算成本之间的平衡。
目前在使用商用CFD软件进行CFD计算时，有超过50%的时间花在几何区域的定义及计算网格的生成上。
可以使用CFD软件自身的前处理器来生成几何模型，也可以借用其他商用CFD或CAD/CAE软件提供的几何模型，另外，指定流体参数的任务也是在前处理阶段完成的。
2．求解器
求解器的核心是数值求解方案。常用的数值求解方案包括有限差分、有限元、谱方法和有限体积法，总体上讲，这些方法的求解过程大致相同，包括以下步骤。
（1）借助简单函数来近似待求的流动变量。
（2）将该近似关系带入连续性的控制方程中，形成离散方程组。
（3）求解代数方程组。
各种数值求解方案的主要差别在于流动变量被近似的方式及相应的离散化过程，前面已做介绍，这里不再赘述。
3．后处理器
后处理的目的是有效地观察和分析流动计算结果。随着计算机图形功能的提高，目前的CFD软件均配备了后处理器，提供了较为完善的后处理功能，具体包括以下部分。
（1）计算域的几何模型及网格显示；
（2）矢量图（如速度矢量线）；
（3）等值线图；
（4）填充性的等值线图（云图）；
（5）XY散点图；
（6）粒子轨迹图；
（7）图像处理功能（平移、缩放、旋转等）。
借助后处理功能，还可动态模拟流动效果，直观地了解CFD的计算结果。
1.4.2 常用的CFD软件
本节将介绍30多年来，出现的较为著名的商业CFD软件，包括PHOENICS、STAR-CD、CFX、FLUENT等，这些软件的显著特点如下。
（1）功能比较全面、适用性强，几乎可以求解工程界中的各种复杂问题。
（2）具有比较好用的前后处理系统和与其他CAD及CFD软件的接口能力，便于用户快速完成造型、网格划分等工作，同时还可以让用户扩展自己的开发模块。
（3）具有比较完备的容错机制和操作界面，稳定性高。
（4）可在多种计算机、多种操作系统，包括并行环境下运行。
1．PHOENICS软件
PHOENICS是英国CHAM公司开发的模拟传热、流动、反应、燃烧过程的通用CFD软件，有30多年的历史。网格系统包括直角、圆柱、曲面（包括非正交和运动网格，但在其VR环境不可以）、多重网格、精密网格。
可以对三维稳态或非稳态的可压缩流或不可压缩流进行模拟，包括非牛顿流、多孔介质中的流动，并且可以考虑黏度、密度、温度变化的影响。
在流体模型上面，PHOENICS内置了22种适合于各种雷诺数场合的湍流模型，包括雷诺应力模型、多流体湍流模型和通量模型及k-ε模型的各种变异，共计21个湍流模型、8个多相流模型，十多个差分格式。
PHOENICS的VR（虚拟现实）彩色图形界面菜单系统是这几个CFD软件里前处理最方便的一个，可以直接读入Pro/E建立的模型（需转换成STL格式），使复杂几何体的生成更为方便，在边界条件的定义方面也极为简单，并且网格自动生成，但其缺点则是网格比较单一粗糙，针对复杂曲面或曲率小的地方的网格不能细分，也就是说不能在VR环境里采用贴体网格。
VR的后处理也不是很好，要进行更高级的分析则要采用命令格式进行，但这在易用性上比其他软件就要差了。
另外，PHOENICS自带了1000多个例题与验证题，附有完整的可读可改的输入文件，其中就有CHAM公司做的一个PDC钻头的流场分析。
PHOENICS的开放性很好，提供对软件现有模型进行修改、增加新模型的功能和接口，可以用FORTRAN语言进行二次开发。
2．STAR-CD软件
STAR-CD的创始人之一Gosman与PHOENICS的创始人Spalding都是英国伦敦大学同一教研室的教授。STAR是Simulation of Turbulent flow in Arbitrary Region的缩写，CD是Computational Dynamics Ltd。
STAR-CD是基于有限容积法的通用流体计算软件，在网格生成方面，采用非结构化网格，单元体可为六面体、四面体、三角形界面的棱柱、金字塔形的锥体以及六种形状的多面体，还可与CAD、CAE软件接口，如ANSYS、IDEAS、NASTRAN、PATRAN、ICEMCFD、GRIDGEN等，这是STAR-CD在适应复杂区域方面的特别优势。
STAR-CD能处理移动网格，用于多级透平的计算，在差分格式方面，纳入了一阶迎风、二阶迎风、CDS、QUICK以及一阶迎风与CDS或QUICK的混合格式。
在压力耦合方面采用SIMPLE、PISO以及称为SIMPLO的算法。
在湍流模型方面，有k-ε、RNK-ke、ke两层等模型，可计算稳态、非稳态、牛顿流体、非牛顿流体、多孔介质、亚音速、超音速和多项流等问题。STAR-CD的强项在于汽车工业，如汽车发动机内的流动和传热。
3．ANSYS CFX软件
ANSYS CFX系列软件是拥有世界级先进算法的成熟商业流体计算软件。功能强大的前处理器、求解器和后处理模块使得ANSYS CFX系列软件的应用范围遍及航空、航天、船舶、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、环保等众多领域。
CFX提供从网格到流体计算以及后处理的整体解决方案。核心模块包括CFX-Pre、CFX-Solver和CFX-Post几个部分。其中CFX-Solver是CFX软件的求解器，是CFX软件的内核，它的先进性和精确性主要体现在以下三方面。
（1）不同于大多数CFD软件，CFX-Solver采用基于有限元的有限体积法，在保证有限体积法的守恒特性基础上，吸收了有限元法的数值精确性。
（2）CFX-Solver采用先进的全隐式耦合多网格线性求解，再加上自适应多网格技术，同等条件下比其他流体软件快1~2个数量级。
（3）CFX-Solver支持真实流体、燃烧、化学反应和多相流等复杂的物理模型，使得CFX软件在航空工业、化学及过程工业领域有着非常广泛的应用。
ANSYS CFX特为旋转机械定制了完整的软件体系，向用户提供从设计到CFD分析的一体化解决方案，因此CFX被全球公认为最好的旋转机械工程CFD软件，旋转机械领域80%以上的企业将其选作动力分析和设计工具，包括GE、Pratt & Whitney、RollsGE、ABB、SIEMENS、CE等企业界巨擎。
ANSYS CFX包含的专用旋转机械设计分析工具有Blade Modeler、TurboGrid、TurboPre和TurboPost。
Blade Modeler是交互式涡轮机械叶片设计软件，用户通过修改元件库参数或完全依靠Blade Modeler中提供的工具设计各种旋转和静止叶片元件及新型叶片。软件简单实用，模块丰富，具有自动化程度高和叶片几何生成迅速的特点。
TurboGrid是专业的涡轮叶栅通道网格划分软件，所需用户提供的只是叶片数目、叶片及轮毂和外罩的外形数据文件。自动化程度高，网格生成迅速，生成网格质量高是它的优点。
TurboPre包含于CFX-Pre中，是专业的旋转机械物理模型设置模块，以旋转机械的专业术语完成模型设置。
TurboPost包含于CFX-Post中，是专用的旋转机械问题模拟结果后处理模块，可以自动生成子午面等专业视图，同时提供效率、压比和扭矩等旋转机械性能参数。
4．ANSYS FLUENT软件
自1983年问世以来，FLUENT就一直是CFD软件技术的领先者，被广泛应用于航空航天、旋转机械、航海、石油化工、汽车、能源、计算机、电子、材料、冶金、生物、医药等领域，使FLUENT公司成为占有最大市场份额的CFD软件供应商。作为通用的CFD软件，FLUENT可用于模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。
由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度；灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及丰富的物理模型，使FLUENT在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。
其代表性客户包括美国宇航局（NASA）、美国国防部（DOD）、美国能源部（DOE）等政府部门以及BMW-RR、波音公司、福特公司、GE、三菱公司等企业。
2006年5月，FLUENT成为全球最大的CAE软件供应商—ANSYS大家庭中的重要成员。所有的FLUENT软件将被集成在ANSYS WorkBench环境下，共享先进的ANSYS公共CAE技术。