FEA中的CFD模块与FLUENT的功能对比介绍.docx

FEA中的CFD模块与FLUENT功能对比介绍

FEA中的CFD模块
与FLUENT功能对比介绍

FEA中的CFD模块与FLUENT功能对比介绍
FEA作为一款高级非线性细部分析软件，其功能涵盖极广，包括静/动力分析、屈曲分析、钢筋分析、非线性分析、疲劳分析、接触分析、CFD分析、势流分析等几乎所有土木工程中会涉及到的分析内容。而随着各种大跨、大型复杂结构的建设，抗风研究变的日益重要，设计人员对工程抗风的考虑也越来越重视，CFD模块作为流体数值分析模块必将引起广泛的关注和普遍的应用。
作为专为土木工程专业提供的CFD模块，其与专业的CFD分析软件的功能有什么区别呢，对比专业的CFD分析软件，FEA/CFD有没有值得借鉴和进一步增进功能的地方呢，这正是本文所关注的重点。本文将以CFD领域里最优秀和使用最普遍的商业软件-FLUENT为研究对象，探讨一下FEA/CFD与FLUENT的功能对比情况。
1．FLUENT简介
FLUENT软件是由美国FLUENT公司于1983年推出的，目前它是功能最全面、适用性最强、国内使用最广泛的CFD软件之一，FLUENT于1998年进入中国市场。强大的求解功能使其广泛应用于汽车、电子、化工、航空、航天、旋转机械、机械制造等行业。
FLUENT公司是享誉世界的最大的CFD软件供应商。在全球众多的CFD软件开发、研究厂商中，FLUENT独占了40%以上的市场份额。
FLUENT软件是流体力学中通用性较强的一种商品软件，它不但可以为工程设计服务，亦可用于科学研究。它的软件设计基于“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，再将不同领域的计算软件组合起来，成为CFD软件群，从而高效率的解决各个领域内复杂流动的计算问题。这些不同软件可以计算流场，传热和化学反应，各个软件之间可以方便地进行数值交换。各种软件采用统一前后端处理工具，为FlUENT的通用化建立了基础。
2．两者的对比情况
2.1 前处理功能方面
2.1.1 FEA/CFD
1)建模方面
FEA/CFD是基于FEA本身的前处理功能既是在市场上已经有一定影响的FX+的前处理功能，其前处理功能是非常强大的，可以生成多种网格，而且各种实体和网格的生成方法都是非常简单和快速的。不过在CFD的模块里，由于是二维的单元，网格划分有一定的限制，目前程序只支持结构化网格-即程序中的映射四边形网格的分析。
所谓结构化网格从严格意义上是指所有的内部点都具有相同的毗邻单元，它可以很容易地实现区域的边界拟合。它的主要优点是：网格生成的速度快，网格生成质量好，数据结构简单，对曲面或空间的拟合大多数采用参数化或样条插值的方法得到，区域光滑，与实际的模型更容易接近。
它最典型的缺点是适用的范围比较窄，只适用于形状规则的图形。尤其随着近几年的计算机和数值方法的快速发展，人们对求解区域的几何形状的复杂性的要求越来越高，在这种情况下，结构化网格生成技术就显得力不从心了。因此可以说，FEA/CFD目前的网格划分功能是有一定的局限性的。
2)边界条件
FEA的边界条件包括三种：
壁面边界(Solid Wall)：是流速为“0”(无滑动)，满足绝热状态的边界条件，用于定义与结构物的表面接触的部位。
远场边界(Far-Field)：是远距离流动条件，主要用于网格的最外侧边界上，适用于流动入口和流动出口。
对称边界(Symmetric)：适用于流动形成对称的部位，因为流体沿着边界会产生滑动，所以又称为滑动条件。
2.1.2 FLUENT
1)建模方面
FLUENT软件包的前处理器是GAMBIT, GAMBIT具有前处理器建模及网格划分的功能，是进行数值模拟计算前处理器的首选。GAMBIT可以生成多种形状的网格。对二维流动，可以生成三角形和四边形网格；对于三维流动，则可以生成四面体，六面体，三角柱和金字塔等网格。结合具体计算，还可生成混合网格，其自适应功能，能对网格进行细分或粗化，或生成不连续网格，可变网格和滑动网格。对研究不同网格差分格式对计算效果的影响提供了方便。
GAMBIT之所以被认为是商用CFD软件最优秀的前置处理器完全得益于其突出的非结构化的网格生成能力。GAMBIT能够针对极其复杂的几何外形生成三维四面体、六面体的非结构化网格及混合网格，且有数十种网格生成方法，生成网格过程又具有很强的自动化能力，因而大大减少了工程师的工作量。在计算过程中，FLUENT还可以根据计算结果调整网格，这种网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作用。由于网格自适应功能和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整个流场，因此可以在达到理想精度的前提下节约大量的计算时间。
2)边界条件
FLUENT中包含的边界条件非常丰富，包括：
进出口边界条件(又包括十种边界类型)：压力、速度、质量进口、进风口、进气扇、压力出口、压力远场边界条件、质量进口、通风口、排气扇。
壁面(包括四种边界类型)：壁面边界条件、对称边界条件、周期边界条件、轴边界条件。
内部单元区域(包括三种边界类型)：流体条件、固体条件、多孔介质条件。
内部表面边界(包括五种边界类型)：风扇、散热器、多孔跳跃、壁面、内部。_ K4i+L0
2.2 求解方法
2.2.1 FEA/CFD
FEA的求解器是MIDAS SOLVER，计算方法为有限体积法，离散方法采用一阶迎风算法，可用于分析二维的不可压缩流动、可压缩流动、瞬态流动、无粘性/粘性流动、湍流、层流。
湍流模型有以下三种：
q-ω模型：使用壁面函数即便是在较粗的网格下也能获得较好的结果，是比较稳定的数值计算湍流模型。
k-ω SST模型：适用于使空气流动变化较大的钝性形状上的湍流模型。
k-ω BSL模型：该模型的改善模型为k-ω SST湍流模型。
2.2.2 FLUENT
FlUENT求解是FLUENT的核心部分，数值方法是基于有限体积法，并提供了三种数值算法，包括SEGREGATED SOLVER、COUPLED EXPLICIT SOLVER、COUPLED IMPLICIT SOLVER，对流项差分格式纳入了一阶迎风、中心差分以及QUICK等格式。
由于囊括了Fluent Dynamic International Polyflow Fluent Dynamic Internatiaonal (FDI)的全部技术力量，(前者是公认的在粘弹性和聚合物模拟方面领先的公司)，因此FLUENT软件能推出多种优化的物理模型，如定常和非定常流动；层流(包括各种非牛顿流模型)；湍流(包括最先进的湍流模型)；不可压缩流和可压缩流动；传热；化学反应等等。可用于外部流场分析、发动机流场分析、空调系统分析、水泵及风扇的流场模拟、油箱晃动模拟、液压油路设计、化学反应模拟等方面。
FLUENT还分别提供了二维和三维下的单精度和双精度求解器、耦合和非藕合的求解方法、显示或隐式求解法。用户可以根据具体的物理流动问题进来进行合理的选择，以期在计算速度、稳定性和精度等各个方面达到综合的最佳效果。
FLUENT求解器中包含8种工程上常用的的湍流模型，包括：
标准k-ε模型
RNG k-ε模型
带旋流修正的RNG k-ε模型
Realizable k-ε模型
一方程的S-A模型
双方程k-ε模型
雷诺压力模型
大涡模拟
2.3 后处理功能
2.3.1 FEA/CFD
FEA/CFD的后处理功能包括：
计算域的几何模型及网格显示
等值线图(速度等值线图、压力等值线图、涡度分布图、湍流分布图)
流线图
三分力系数(表格、图形)
图像处理功能(缩小、放大、旋转等)
2.3.2 FLUENT
FLUENT的后处理器：FLUENT或TECPLOT。
FLUENT软件有自带的后处理功能，有人更倾向用TECPLOT对FLUENT结果进行后处理，因为TECPLOT易学并且功能也很强大，操作界面非常友好。
后处理的功能包括：
计算域的几何模型及网格显示
矢量图(如速度矢量图)
等值线图
填充型的等值线图(云图)
各种CFD结果参数(三分力系数等)
XY散点图
粒子轨迹图
图像处理功能(缩小、放大、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。
除此之外，在桥梁的CFD分析中，由于FLUENT中有动网格技术，目前已经有研究人员利用该技术，采用强迫振动法识别桥梁的颤振导数，进而求解桥梁颤振临界风速。虽然这种方法目前还不是很成熟，且结果还有待验证，但CFD在桥梁上的应用的最终目标就是真实的模拟流场和桥梁的耦合作用，进而算得各种风致振动的临界风速。所以从这方面来说，用CFD软件计算桥梁的颤振临界风速将成为今后研究的热门问题。
3．FEA/CFD的优势与挑战
3.1 优势
1)从专业范围上来说，FEA为土木工程领域的专业细部分析软件，作为其中的一个模块，CFD的针对性和实用性比较强，虽然功能相对专业的CFD软件FLUENT之类较简单，但在桥梁结构CFD分析中目前比较成熟的功能已经具备。
2)从价格上来说，由于只是FEA的一个辅助模块，而且随着设计部们对于细部分析的软件的需求的不断增大，在有细部需求的同时，CFD模块的价格是非常实惠的。而一套专业的CFD分析软件如FLUENT则需要大量的资金，而且CFD专业软件功能虽全，在土木上的应用有限，这对于追求效益和实用的设计部门是完全没有必要的。而随着桥梁抗风要求的不断提高，数值分析的必要性越来越强，因此，FEA/CFD对于设计院来说是最佳的选择。
3)从软件的易接受程度上讲，由于FEA为全中文化的软件，界面方便，操作简单，各种技术资料和培训体系完善，对于设计人员来讲是特别容易上手的。而一般的CFD专业软件如FLUENT、CFX等都是全英文的，帮助文件和资料也很少有中文的，即使有翻译的也是错误百出，而且CFD理论本身都很枯涩难懂，再去啃英文资料对于软件的学习来说难上加难。从这个角度上来说，FEA/CFD的优势还是非常巨大的。
3.2 挑战
1)由于FEA/CFD只提供二维的模型分析，虽然目前对于大跨桥梁是可以简化为只对二维断面进行分析的，但是随着桥梁结构形式的复杂化日益增大，对于结果的要求越来越高，三维的分析成为必然的趋势，而且现在很多CFD分析软件都是三维的。另外，如果以后要进行建筑结构抗风分析的话，三维的分析也是必需的。所以在这个方面，FEA/CFD是有一定局限的。
2)在网格划分方面，目前的FEA/CFD的计算只支持结构化网格，虽然从计算精度和网格质量等很多方面上来讲，结构化网格都有独特的优势。但是随着CFD分析模型的复杂化，求解区域的形状也越来越复杂，这时候用结构化网格就有点力不从心了，而且同时会花费工程师大量的时间。所以，今后在网格划分上必然需要支持多元化的发展。
3)从边界条件和湍流模型设置上来讲，相对其他CFD软件，FEA/CFD的边界条件和湍流模型的数量都显得过于单薄，对于不同的模型，适合用不同的边界条件和湍流模型，而这两项的选择直接影响到结果的精确性，所以在这个方面，FEA/CFD还有待不断提高。
4)从同类软件中CFD的加入上来说，对于FEA/CFD也是个巨大的挑战。比如ANSYS，除了收购了FLUENT和CFX外，自己软件本身也有CFD模块，而ADINA的流体计算更是有流固耦合求解器目前也受到了广泛的关注，TDV也有了CFD的加入，据某些资料介绍还可以进行三维计算和流固耦合计算，CFX的流固耦合据说最新版本也可以进行计算。虽然流固耦合目前理论还不是很成熟，软件的结果未必可信，但是由于工程人员对于计算颤振临界风速以及抖振等分析的兴趣越来越强烈，所以流固耦合目前已经是个炙手可热的东西，而且必然是今后软件发展的趋势。所以，FEA/CFD在技术成熟的时候，也应该考虑加入流固耦合技术，使软件更加适应工程和研究的需要。

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