第2章 流体流动分析软件概述
2.1 CFD软件简介
FLUENT 14流场分析自学手册
计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是20世纪60年代起伴随计算机技术迅速崛起的一门新型独立学科。它建立在流体动力学以及数值计算方法的基础上，以研究物理问题为目的，通过计算机数值计算和图像显示方法，在时间和空间上定量地描述流场数值解。
经过半个世纪的迅猛发展，各种CFD通用性软件包陆续出现，成为解决各种流体流动与传热问题强有力的工具，并作为一种商品化软件为工业界广泛接受。随着其性能日趋完善以及应用范围的不断扩大，如今CFD技术早己超越了传统的流体机械与流体工程等应用范畴，被成功应用于如航空、航运、海洋、环境、水利、食品、化工、核能、冶金和建筑等各种科学技术领域。
CFD通用软件包的出现与商业化，对CFD技术在工程应用中的推广起了巨大的促进作用。但由于CFD依赖于系统的流体动力学知识和较深入的数理基础，其艰深的理论背景与流体力学问题的复杂多变成为了它向工业界推广的阻碍。如何将CFD研究成果与实际应用相结合成为极大难题。在此情况下，通用软件包应运而生。英国CHAM公司的Spalding与Patankar在20世纪70年代提出了SIMPLE算法（半隐式压力校正解法），在20世纪80年代初以该方法为基础推出了计算流体力学与传热学的商业化软件PHOENICS的早期版本。在其版本不断更新的同时，新的通用软件，如FLUENT、STAR-CD与CFX等也相继问世。这些软件十分重视商业化的要求，致力于工程实际应用，并在前、后处理人机对话等方面成绩卓越，从而被工业界所认识和接受。进入20世纪90年代，更多的商业化CFD应用软件如雨后春笋般出现，涉及范围越来越广。CFD通用软件以其模拟复杂流动现象的强大功能、人机对话式的界面操作以及直观清晰的流场显示引起了人们的广泛关注。
2.1.1 CFD软件结构
各种CFD通用软件的数学模型的组成都是以纳维-斯托克斯方程组与各种湍流模型为主体，再加上多相流模型、燃烧与化学反应流模型、自由面流模型以及非牛顿流体模型等。大多数附加的模型是在主体方程组上补充一些附加源项、附加输运方程与关系式。随着应用范围的不断扩大和新方法的出现，新的模型也在增加离散方法，采用有限体积法（FVM）或有限元素法（FEM）。由于有限体积法继承了有限差分法的丰富格式，具有良好的守恒性，能像有限元素法那样采用各种形状的网格以适应复杂的边界几何形状，却比有限元素法简便得多。因此，现在大多数CFD软件都采用有限体积法。
CFD通用软件应能适应从低速到高超音速的宽广速度范围。然而跨、超音速流动计算涉及激波的精确捕获，对离散格式精度要求甚高，难度较大。由于跨、超音速流动主要存在于各种飞行器、高速旋转叶轮机械以及高速喷管、阀门等，在其他工程应用中很少出现，所以有些主要面向低速流动的CFD通用软件在高速流动方面功能比较弱。
CFD软件的流动显示模块都具有三维显示功能，可以展现各种流动特性，有的还能以动画形式演示非定常过程。
为方便用户使用CFD软件处理不同类型的工程问题，一般的CFD商用软件往往将复杂的CFD过程集成，通过一定的接口，让用户快速地输入问题的有关参数。所有的商用CFD软件均包括3个基本环节，即前处理、求解和后处理。与之对应的程序模块常简称前处理器、求解器和后处理器。以下简要讲解这3个程序模块。
1．前处理器
前处理器（preprocessor）用于完成前处理工作。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来完成的。在前处理阶段需要用户进行以下工作。
定义所求问题的几何计算域。
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。
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。
定义流体的属性参数。
为计算域边界处的单元指定边界条件。
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，精度由网格中单元的数量决定。一般单元越多、尺寸越小，所得到解的精度越高，但所需要的计算机内存资源及CPU时间也相应增加。为了提高计算精度，在物理量梯度较大的区域，以及感兴趣的区域，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。使用CFD软件自身的前处理器可以生成几何模型，也可以借用其他商用CFD或CAD/CAE软件（如PATRAN、ANSYS、I-DEAS和Pro/Engineer协助提供的几何模型。此外，指定流体参数的任务也是在前处理阶段进行的。
2．求解器
求解器（solver）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、谱元法和有限体积法等。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）将该近似关系代入连续型的控制方程中，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。
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（postprocessor），提供了较为完善的后处理功能，包括：
计算域的几何模型及网格显示。
矢量图（如速度矢量线）。
等值线图。
填充型的等值线图（云图）。
XY散点图。
粒子轨迹图。
图像处理功能（平移、缩放、旋转等）。
借助后处理功能，还可以动态模拟流动效果，直观地了解CFD的计算结果。
2.1.2 CFD基本模型
流体流动所遵循的物理定律，是建立流体运动基本方程组的依据。这些定律主要包括质量守恒、动量守恒、动量矩守恒、能量守恒、热力学第二定律，加上状态方程、本构方程。在实际计算时，还要考虑不同的流态，如层流与湍流。湍流模型是CFD软件的主要组成部分之一。通用CFD软件都配有各种层次的湍流模型，通常可分为3类，第一类是湍流输运系数模型，即将速度脉动的二阶关联量表示成平均速度梯度与湍流黏性系数的乘积，用笛卡儿张量表示为：
模型的任务就是给出计算湍流黏性系数μi的方法。根据建立模型所需要的微分方程的数目，可以分为零方程模型（代数方程模型）、单方程模型和双方程模型。
第二类是抛弃了湍流输运系数的概念，直接建立湍流应力和其他二阶关联量的输运方程。
第三类是大涡模拟。前两类是以湍流的统计结构为基础，对所有涡旋进行统计平均。大涡模拟把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，通过求解三维经过修正的Navier-StOKes方程（简称N-S方程），得到大涡旋的运动特性，而对小涡旋运动还采用上述的模型。
1．系统与控制体
在流体力学中，系统是指某一确定流体质点集合的总体。系统以外的环境称为外界。分隔系统与外界的界面，称为系统的边界。系统通常是研究的对象，外界则用来区别于系统。系统将随系统内质点一起运动，系统内的质点始终包含在系统内，系统边界的形状和所围空间的大小可随运动而变化。系统与外界无质量交换，但可以有力的相互作用，及能量（热和功）的交换。
控制体是指在流体所在的空间中，以假想或真实流体边界包围，固定不动形状任意的空间体积。包围这个空间体积的边界面，称为控制面。控制体的形状与大小不变，并相对于某坐标系固定不动。控制体内的流体质点组成并非不变的。控制体既可通过控制面与外界有质量和能量交换，也可与控制体外的环境有力的相互作用。
2．质量守恒方程（连续性方程）
在流场中，流体通过控制面A__1流入控制体，同时也会通过另一部分控制面A__2流出控制体，在这期间控制体内部的流体质量也会发生变化。按照质量守恒定律，流入的质量与流出的质量之差，应该等于控制体内部流体质量的增量，由此可导出流体流动连续性方程的积分形式为：
式中，V表示控制体，A表示控制面。等式左边第一项表示控制体V内部质量的增量；第二项表示通过控制表面流入控制体的净通量。
根据数学中的奥-高公式，在直角坐标系下可将其化为微分形式：
对于不可压缩均质流体，密度为常数，则：
对于圆柱坐标系，其形式为：
对于不可压缩均质流体，密度为常数，则：
3．动量守恒方程（运动方程）
动量守恒是流体运动时应遵循的另一个普遍定律，描述为在一给定的流体系统，其动量的时间变化率等于作用于其上的外力总和，其数学表达式即为动量守恒方程，也称为运动方程或N-S方程，其微分形式表达如下：
式中，F bz、F by、F yz分别是单位质量流体上的质量力在3个方向上的分量，p yx是流体内应力张量的分量。
动量守恒方程在实际应用中有许多表达形式，其中比较常见的有如下几种。
（1） 可压缩黏性流体的动量守恒方程：
（2） 常黏性流体的动量守恒方程：
（3） 常密度常黏性流体的动量守恒方程：
（4） 无黏性流体的动量守恒方程（欧拉方程）：
（5） 静力学方程：
（6） 相对运动方程：
在非惯性参考系中的相对运动方程是研究像大气、海洋及旋转系统中流体运动所必须考虑的。由理论力学得知，绝对速度v a为相对速度v τ及牵连速度v c之和，即v a=v τ+v c，其中，v c=v 0+Ω×r，v 0为运动系中的平动速度，Ω是其转动角速度，r为质点矢径。
而绝对加速度a a为相对加速度a r、牵连加速度a e及科氏加速度a c之和，即：
将绝对加速度代入运动方程，即可得到流体的相对运动方程：
4．能量守恒方程
将热力学第一定律应用于流体运动，把方程式（2-14）各项用有关的流体物理量表示出来，即是能量方程，如下所示。
式中：；k eff是有效热传导系数，，其中k t是湍流热传导系数，根据所使用的湍流模型来定义；C是组分j的扩散流量；S h包括了化学反应热以及其他用户定义的体积热源项；方程右边的前3项分别描述了热传导、组分扩散和黏性耗散带来的能量输运。
在实际计算时，还要考虑不同的流态，如层流与湍流。在下面的章节中将会详细讲解湍流模型。
2.1.3 常用的CFD商用软件
自20世纪80年代以来，出现了一系列的CFD通用软件，如PHOENICS、FLUENT、STAR-CD、CFX-TASCflow和NUMECA等。PHOENICS软件是最早推出的CFD通用软件，FLUENT、STAR-CD与CFX-TASCflow是目前国际市场上主流软件，而NUMECA则使CFD通用软件的应用普及更上一层楼。这些软件通常具有如下显著特点。
应用范围广，适用性强，几乎可以处理工程界各种复杂的问题。
前后处理系统以及与其他CAD、CFD软件的接口能力比较简单易用，便于用户快速完成造型、网络化分等工作。同时，用户还可以根据个人需要扩展自己的开发模块。
具有较完善的容错机制和操作界面，稳定性较高。
可在多种计算机操作系统以及并行环境下运行。
1．PHOENICS软件
PHOENICS（Parabolic Hyperbolic or Elliptic Numerical Integration Code Series）软件是世界上第一套计算流体动力学与传热学的商用软件，由CFD著名学者D.B.Spalding和S.V.Patankar等提出，以低速热流输运现象为主要模拟对象，目前主要由Concentration Heat and Momentum Limited（CHAM）公司开发。除了CFD软件的基本特征之外，PHOENICS软件还具有自己独特的功能：
开放性。这个软件附带了从简到繁的大量范例，一般的工程应用问题几乎都可以从中找到相近内容，再做一些修改就可计算用户的课题，所以能给用户带来极大方便。
多种模型选择。PHOENICS包含的湍流模型、多相流模型、燃烧与化学反应模型等相当丰富，其中有不少原创性的成分，如将湍流与层流成分假设为两种流体的双流体湍流模型MFM、专为组件杂阵的狭小空间（如计算机箱体）内的流动和传热计算而设计的代数湍流模型LVEL等。
多种模块选择。PHOENICS提供了多种专用模块，用于特定领域的分析计算。如暖通空调计算模块FLAIR被广泛应用在小区规划设计以及高大空间建筑的设计模拟；英国集成环境公司（IES）的虚拟环境软件，就用来模拟局部空间的热流现象。
双重算法选择。可采用欧拉算法和基于粒子运动轨迹的拉格朗日算法。
直角形网格（笛卡儿网格）。PHOENICS提供了网格局部加密功能与网格被边界切割的补偿功能。
优良性价比。软件的价格比其他CFD通用软件低得多，其高性价比使之成为国内用户最多的软件。
2．CFX软件
CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件，由英国AEA Technology公司开发，2003年被ANSYS公司收购。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、冶金和环保等领域，帮助全球6000多个用户解决了大量的实际问题。
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。与一些CFD软件不同的是：
除了使用有限体积法外，CFD还采用了基于有限元的有限体积法。
可以直接访问各种CAD软件，如CADDS5、CATIA、Eucllid3、Pro/Engineer和Unigraphics，并从任一CAD系统例如MSC/PATRAN和I-DEAS，以IGES格式直接读入CAD图形。
采用ICEM CFD前处理模块，在生成网络时，可实现边界层网格自动加密、流场变化剧烈域网格局部加密和分离流模拟等。
可计算的问题包括大批复杂现象的实用模型，并在其湍流模型中纳入了k-ε模型、低Reynolds数k-ε模型、代数Reynolds应力模型、大涡模型等多种模型。
3．STAR-CD软件
STAR-CD最初是由流体力学鼻祖—英国帝国理工大学计算流体力学领域的专家教授开发的，他们根据传统传热基础理论，合作开发了基于有限体积算法的非结构化网格计算程序。在完全不连续网格、滑移网格和网格修复等关键技术上，STAR-CD又经过来自全球10多个国家，超过200名知名学者的不断补充与完善，使之成为同类软件中网格适应性、计算稳定性和收敛性的佼佼者。最新湍流模型的推出使得其在计算的稳定性、收敛性和结果的可靠性等方面在又得到了更显著的提高。其基本特征如下：
前处理器Prostar有较强的CAD建模功能，与当前流行的CAD/CAE软件有良好的接口，可有效地进行数据转换。
具有多种网格划分技术（如Extrusion、Multi-block、Data import等）和网格局部加密技术，能够很好地适应复杂计算区域，处理滑移网格的问题。
多种高级湍流模型，具有低阶和高阶的差分格式。
其后处理器具有动态和静态显示计算结果的功能。能用速度矢量图来显示流动特性，用等值线图或颜色来表示各个物理量的计算结果。
4．FIDAP软件
FIDAP是由英国Fluid Dynamics International（FDI）公司开发的计算流体力学与数值传热学的软件。它是一种基于有限元方法和完全非结构化网络的通用CFD软件，可解决从不压缩到可压缩范围内的复杂流动问题。FIDAP具有强大的流固耦合功能，可以分析由流动引起的结构响应问题，还适合模拟动边界、自由表面、相变、电磁效应等复杂流动问题。FIDAP的典型应用领域包括汽车、化工、玻璃应用、半导体、生物医学、冶金、环境工程和食品等行业。其独特点在于：
完全基于有限元方法，不但可以模拟广泛的物理模型，而且对于质量源项、化学反应等其他复杂现象都可以精确模拟。
具有自由表面模型功能，可同时使用变形网格和固定网格，也可以导入I-DEAS、PATRAN、ANSYS和ICEM CFD等软件生成的网格模型。
具有流固耦合分析功能，可同时使用固体结构中的变形和应力，从而模拟液汽界面的蒸发与冷凝相变、材料填充和流面晃动等现象。
5．FLUENT软件