谈谈CFD软件的优劣及发展的现状

由于数值模拟相对于实验研究有独特的优点，比如成本低、周期短，能获得完整的数据，能模拟出实际运动过程中各种所测数据状态，对于设计、改造等商业或实验室应用起到重要的指导作用，所以计算流体力学技术得到了越来越多的作用，这促进商业计算流体力学软件的发展。自1981 年英国的CHAM 公司推出求解流动与传热问题的商业软件PHOENICS以后，迅速在国际软件产业中形成了通称为CFD的软件产业市场，其它的求解流动与传热问题的商业软件，如：FLUENT、STAR - CD、FLOW3D、CFX等先后问世，目前全世界已有大约几十种求解流动和传热问题的商业软件。建立这个话题，就是想和大家一起来讨论讨论各大CFD软件的优劣，应用情况。本话题，欢迎探讨，欢迎拍砖。

咋都只说好的呢，不会是托吧~~那我来挑挑不足的网格能力（Fluent Gambit不如ICEM CFD）； 精确性（Fluent不如CFX，人家CFX默认的差分格式就是二阶的，而Fluent用二阶格式时很难收敛）； 可靠性（Fluent不如CFX。凭心而论，CFX的耦合求解器比Fluent收敛快多了。那时数量级的差别。） 并行能力（Fluent也不如CFX。曾用这两种软件在多CPU机群上算飞机外流等问题，Fluent太慢了。） 后处理（Fluent的后处理图太土了，相比之下CFX的图漂亮、专业多了。） 各有优缺点，cfx的优点是物理模型丰富，功能强大，基于有限元的有限体积离散方法，精度比较高，但是计算速度慢；fluent物理模型比较缺乏，很多问题没有对应的模型，比如多相流中每相不能是多组分，对于湿空气和其他流体组成的多相流就不能算了。而且fluent的前处理器格式封闭，只能适合于 fluent，cfx的前处理器icem输出格式丰富。 我长期以来都是用cfx, 偶尔用一下fluent (比对用), 知道cfx有些缺点,也知道Fluent在某方面的强。1. cfx 只有fully implicit solver 一种, fluent 有segreggated, fully explicit, fully implicit三种    虽然cfx解的iteration少些, 但是记忆体耗得凶啊. 2. cfx的moving grid是我最垢病的, 简直是拉扯网格, Fluent在这方面明显的强大许多 3. cfx的udf （UserFortran in CFX), 有许多函数未知, 不容易开发复杂模型, fluent的udf ( in C language)能够提供比较完整的信息查询。 4. CFX的GUI的确弄得比Fluent好, 前后处理串得很好, 协调性够. Fluent只是没把重点摆在GUI的改善吧, 可是都可以达到相同的功能,习惯就好, CFD code的重点在於容不容易求出错误解而不自知. code developer有无尽量减少 cfd code error!, GUI友不友善倒不是重点. 基本上, 求解的准度与使用者的功力有很大的关系. 同一种软体, 相同题目, 有的人解出来的是错的离谱, 有的却是OK的. 5. 两种软体的用户都有许多, 不容易整并成一种, 倒是有可能互补长短, 同时提升. 6. 至於模型, 大概都会反应最新的学术或业界的研究成果到solver models中吧, 感觉是大同小异.

哈哈，沙发!那就自然是来说说应用最广泛的Fluent了。Fluent是通用CFD软件包，用来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成熟的物理模型，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。FLUENT软件具有以下特点：☆ FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法；☆ 定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常模拟功能；☆ FLUENT软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其局部网格重生式是FLUENT所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题；☆ FLUENT软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术；☆ FLUENT软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，是商用软件中最多的；☆ FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-ω模型组、k-ε模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和V2F模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型；☆ 适用于牛顿流体、非牛顿流体；☆ 含有强制/自然/混合对流的热传导，固体/流体的热传导、辐射；☆ 化学组份的混合/反应；☆ 自由表面流模型，欧拉多相流模型，混合多相流模型，颗粒相模型，空穴两相流模型，湿蒸汽模型；☆ 融化溶化/凝固；蒸发/冷凝相变模型；☆ 离散相的拉格朗日跟踪计算；☆ 非均质渗透性、惯性阻抗、固体热传导，多孔介质模型（考虑多孔介质压力突变）；☆ 风扇，散热器，以热交换器为对象的集中参数模型；☆ 惯性或非惯性坐标系，复数基准坐标系及滑移网格；☆ 动静翼相互作用模型化后的接续界面；☆ 基于精细流场解算的预测流体噪声的声学模型；☆ 质量、动量、热、化学组份的体积源项；☆ 丰富的物性参数的数据库；☆ 磁流体模块主要模拟电磁场和导电流体之间的相互作用问题；☆ 连续纤维模块主要模拟纤维和气体流动之间的动量、质量以及热的交换问题；☆ 高效率的并行计算功能，提供多种自动/手动分区算法；内置MPI并行机制大幅度提高并行效率。另外，FLUENT特有动态负载平衡功能，确保全局高效并行计算；☆ FLUENT软件提供了友好的用户界面，并为用户提供了二次开发接口（UDF）；☆ FLUENT软件采用C/C++语言编写，从而大大提高了对计算机内存的利用率。在CFD软件中 , Fluent软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。Fluent的软件设计基于"CFD计算机软件群的概念" ,针对每一种流动的物理问题的特点 ,采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。由于囊括了Fluent Dynamical International比利时PolyFlow和Fluent Dynamical International(FID)的全部技术力量(前者是公认的在黏弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司 ,后者是基于有限元方法CFD软件方面领先的公司 ),因此Fluent软件具有如下优点(1 )功能强 ,适用面广。包括各种优化物理模型 ,如 :计算流体流动和热传导模型 (包括自然对流、定常和非定常流动 ,层流 ,湍流 ,紊流 ,不可压缩和可压缩流动 ,周期流 ,旋转流及时间相关流等 ) ;辐射模型 ,相变模型 ,离散相变模型 ,多相流模型及化学组分输运和反应流模型等。对每一种物理问题的流动特点 ,有适合它的数值解法 ,用户可对显式或隐式差分格式进行选择 ,以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。(2 )高效 ,省时。Fluent将不同领域的计算软件组合起来 ,成为CFD计算机软件群 ,软件之间可以方便地进行数值交换 ,并采用统一的前、后处理工具 ,这就省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动 ,而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。(3 )建立了污染物生成模型。包括NOX 和ROX(烟尘 )生成模型。其中NOX 模型能够模拟热力型、快速型、燃料型及由于燃烧系统里回燃导致的NOX的消耗。而ROX 的生成是通过使用两个经验模型进行近似模拟 ,且只使用于紊流FLUENT同传统的CFD计算方法相比，具有以下的优点1、稳定性好，FLUENT经过大量算例考核，同实验符合较好2、适用范围广，FLUENT含有多种传热燃烧模型及多相流模型，可应用于从可压到不可压、从低速到高超音速、从单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎所有与流体相关的领域3、精度提高，可达二阶精度。

我来说说PHOENICS，用了也有三年了，发表点看法，欢迎补充。PHOENICS是世界上第一个投放市场的CFD 商用软件(1981) ，可以算是CFD 商用软件的鼻祖。这一软件中所采用的一些基本算法，如SIMPLE 方法、混合格式等，正是由该软件的创始人DBSpalding 及其合作者SVPatankar 等所提出的，对以后开发的商用软件有较大的影响。这一软件采用有限容积法，可选择一阶迎风、混合格式及QUICK等，压力及速度耦合采用SIMPLEST 算法，对两相流纳入了IPSA 算法(适用于两种介质互相穿透时) 及PSI - Cell 算法(离子跟踪法) ，代数方程组可以采用整场求解或点跌代、快跌代方法，同时纳入了块修正以加速收敛。该软件投放市场较早，因而曾经在工业界得到较广泛的应用。自1997 年在中国推广以来，以其廉价和代理商成功的商业运作模式，在中国高校核研究单位得到了很好推广。其特点是计算能力强、模型简单、速度快，便于模拟前期的参数初值估算，以低速热流输运现象为主要模拟对象，尤其适用于单相模拟和管道流动计算。其包含有一定数量的湍流模型、多相流模型、化学反应模型。如将层流和湍流分别假设成两种流，体的双流体模型MFM，适用于狭小空间(如计算机模块间) 的流动与传热模型LVEL ，用于暖通空调计算的专用模块FLAIR 等。不足之处在于：计算模型较少，尤其是两相流模型，不适用于两相错流流动计算；所形成的模型网格要求正交贴体(可以使用非正交网格但易导致计算发散) ；使用迎风一阶差分求值格式进行数值计算，不适合于精馏设备的模拟计算；以压力矫正法为基本解法，因而不适合高速可压缩流体的流动模拟；此外，它的后处理设计尚不完善，软件的功能总量少于其它软件。其最大优点是对计算机内存，运算速度等指标要求相对较低，其边界条件已源项形式表现于方程组中是它的一大特点。该软件的最新版本默认适用QUICK数值求解格式， 软件推荐选用格式为SMART 和HQUICK数值求解。由于缺乏使用群体和版本更新速度慢，以及其它新兴软件的不断涌现，使得其实际应用受到很大限制，目前应用较少。

我一直用Star-CD，感情挺深的~~STAR - CD 是全球第一个采用完全非结构化网格技术和有限体积方法来研究工业领域中复杂流动的流体分析商用软件包,是由英国Computational Dynamics Ltd. 公司推出,软件名称是由Simulation of turbulent flow in Arbitrary Regions在加上公司名称Computational Dynamics 的缩写组合而成。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 多个家,超过200 名知名学者的不断补充和完善,成为同类软件中网格适应性、计算稳定性和收敛性最好的佼佼者。它是流体力学中通用性强、功能强大的一份商用软件,它不但可以为工业设计服务，亦可为科学研究所用。

CFX咋没人说呢。CFX软件是CFD 领域的重要软件平台之一,在欧洲适用广泛。1995 年进入中国市场,目前应用较为广泛。该软件主要由3 部分组成:Build ,Solver 和Analyse。Build 主要是要求操作者建立问题的几何模型,与FLUENT不同的是,CFD 软件的前期处理模块与主体软件合二为一,并可以实现与CAD 建立接口,功能非常强劲,网格生成器适用于复杂外形的模拟计算。Solver 主要是建立模拟程序,在给定边界条件下,求解方程;Analyse 是后处理分析,对计算结果进行各种图形、表格和色彩图形处理。该平台的最大特点是具有强大的钱处理和后处理功能以及结果到处能力,具有较多的数学模型,比较适合于化工过程的模拟计算。

分享一篇关于CFD软件现状的博文。在今天CFD技术已经渗透到我们生活的每一个方面，包括抽水马桶在内的问题都可以使用CFD技术进行优化设计，这些都源自50年代开始航空航天工业引领的高端需求，我们的前辈在试验和算法方面进行了全面深入的探索，目前从计算理论、计算方法、使用及实施步骤上完全成熟，这样才有今天CFD技术的大规模工程应用。自九十年代末FLUENT、CFX、STAR_CD等通用CFD软件进入中国开始，在短短的五年之内得到了普及，因为它有人性化的图形化界面、经过无数算例验证、成功客户的故事，致使CFD软件的普及速度超过其它CAE软件的普及速度，在今天的大学校园，只要和流体沾点边的专业毕业生都会用CFD软件，也就是说高校为工业界培养了一部分CFD人才,与此同时也培养了大量的CFD工匠（CFD工匠是指清楚CFD流程，但不明白其缘由）。在企业界，如航空、船舶等单位，也配置了CFD专业的人才，他们应用通用软件在空气动力学、水动力学等应用上取得了成功。通用软件在配备了专业CFD团队机构取得了成功。但不可能所有的专业都配备充足的CFD人才，而且设计人员往往CFD理论基础欠缺，又缺乏网格划分等CFD工程训练，因而导致用结果不可靠，甚至于同一问题、同一工况，不同的人得出的结果大相径庭。为了解决上述问题，出现了许多专门解决某个专业问题的专业CFD软件，如泵阀模拟软件PumpLinx、流化模拟软件Barracuda 、热分析软件FloTHERM、旋转机械分析软件NUMECA，并且在各自领域大获成功。与此同时通用软件供应商也看到专业市场的无线商机，经过二次开发推出面向专业市场的附加模块，这在一定成度上增强通用CFD软件解决专业问题的能力，但由于专业分工是非常细致的，它能分散在某一专业的精力非常有限，同时要兼顾不同专业之间的兼容性，往往顾此失彼。这些情况都给工业用户选择合适的CFD软件带来了很大的困扰。

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