CFD 仿真软件初学者综合指南

已发表: 2023-07-01

计算流体动力学 (CFD) 是一个涉及使用数值方法模拟流体流动和传热的研究领域。

尽管这个概念本身最早出现于 20 世纪 60 年代，但早在 80 年代它就开始被各个行业使用。 尽管如此，随着越来越多的公司开始将这项技术应用到他们的解决方案中以提高效率和可靠性，它的受欢迎程度仍在不断增长。

如今，CFD 仿真软件用于执行流体和传热仿真。 它使其成为各行业工程师和科学家的重要工具。

本综合指南将概述计算流体动力学软件，包括其功能、优点和应用。

读完这篇文章你就会知道：

  • 什么是 CFD 仿真软件，
  • CFD仿真软件有哪些特点，
  • CFD 软件有哪些优势？
  • CFD 软件的用例有哪些？
  • 如何选择合适的CFD软件？

什么是 CFD 仿真软件？

根据其定义，CFD仿真软件是一种计算机程序，它使用数值方法和算法来模拟流体流动并将其与各种环境中的物理现象联系起来。

这些模拟涉及模拟流体行为的复杂数学模型，考虑到：

  • 热传递，
  • 湍流，
  • 多相流。

因此，CFD 软件使工程师和科学家能够有效分析不同条件下的流体流动行为和传热。 此类分析的结果和结论可用于优化设计和提高性能。

CFD仿真软件有哪些特点？

最好的 CFD 建模软件应始终包含一系列功能，允许用户创建、模拟和分析流体流动以及可能出现的任何问题。

计算流体动力学软件最常见的功能应包括：

  • 几何建模，
  • 网格划分，
  • 模拟设置和运行，
  • 后处理功能。

几何建模

此功能使用户能够创建或导入可用于模拟的 3D 几何模型。

网格划分

CFD 网格划分基于有限体积，有限体积是指网格上每个节点周围的小体积。 当 CFD 仿真软件包含网格划分工具时，它可以生成高质量的网格，以实现更准确的仿真。 因此，该软件允许工程师进行更彻底的分析。

模拟设置和运行

仿真设置和运行功能描述了物理现象及其属性的数学模型，以及用于计算仿真的求解器参数。

高质量的 CFD 分析软件应配备针对不同应用的求解器，例如：

  • 稳定状态，
  • 瞬态模拟，
  • 湍流，
  • 多相流。

后处理功能

最后，高质量的 CFD 软件应该为用户提供后处理功能，例如用于可视化和分析模拟结果的工具。

因此，该软件应该为用户提供轻松可视化流动模式、压力分布、速度分布和温度分布的能力。

当谈到 CFD 软件时，值得一提 OpenFOAM GUI。 它是一个开源 CFD 软件包，可以针对特定应用进行定制和扩展。

其他值得考虑的功能

除了上述功能外，在选择 CFD 软件提供商时还应考虑一些次要功能。

因此，还值得检查该软件是否具有用户友好的界面或基于云的计算资源。

CFD 软件有哪些优势？

如您所见，CFD 建模软件配备了强大的功能，可以极大地帮助工程师和科学家的日常工作。

所有上述功能使该软件成为技术人员的强大工具，而且对公司也非常有益。 那么我们来看看CFD分析软件对于各行业的用户和管理都有哪些好处。

成本效益

凭借上述所有功能，CFD 仿真软件无需进行成本高昂且耗时的物理实验和测试。

相反，模拟可以简单地在计算机上运行并由工程师或科学家进行分析。 因此，CFD 软件可以显着节省构建和测试原型时产生的高成本。

灵活性

使用 CFD 软件，工程师和科学家能够快速测试不同的设计迭代和条件，而无需亲自构建和测试每一个设计迭代和条件。

因此，它是一种高度灵活的工具，可以加快创建设计的过程并使其变得更加容易。

准确性

实施 CFD 仿真软件的另一个巨大好处是输出仿真的高精度。

借助这项技术，工程师和科学家能够准确预测不同条件下的流体流动行为和传热。

因此，该工具的准确性使他们能够优化设计并提高解决方案的性能。

见解

最后但并非最不重要的一点是，CFD 建模软件为用户提供有关流体流动行为和传热的详细见解。 这些可以被仔细分析并用于：

  • 识别问题及其发生区域并在问题发生之前采取行动，
  • 改进设计并提高效率。

总而言之，计算流体动力学软件是一个有益的解决方案，正在彻底改变工程领域。 让我们检查一下何时可以并且应该实现它，以及如何在各种环境中使用它的功能。

CFD 软件的用例有哪些？

如前所述，CFD 软件可用于多种行业的各种用途。

话虽这么说，它可以用于：

  • 航空航天设计和优化飞机和航天器，包括空气动力学、传热和燃烧，
  • 汽车领域优化车辆部件的设计，例如发动机、排气系统、冷却系统和车身空气动力学，
  • 模拟建筑物周围的流体流动、建筑物上的风荷载、风舒适度和污染物输送的施工，
  • 设计和优化能源系统的能源，例如风力涡轮机、太阳能电池板和核反应堆，
  • HVAC 设计风扇和鼓风机、空调、供暖、模拟火灾和烟雾传播，
  • 船舶设计船体、螺旋桨和推进系统，并分析它们的阻力，
  • 医疗模拟体内的血液流动和其他液体流动，可用于设计医疗设备和治疗方法，
  • 流程工业优化流程工业中的流程，例如化学反应、传热和流体流动。

如您所见，CFD 软件用例多种多样，可用于许多不同的目的。 它不仅可以帮助工程师和科学家，还可以提高公司的整体效率和盈利能力。

如何选择合适的CFD软件？

了解 CFD 建模软件的功能和优势后，是时候选择合适的提供商了。

说实话，选择合适的 CFD 仿真软件是一项具有挑战性的任务。 因此，作为我们综合指南的最后一步，让我们将此过程分成单独的步骤。 您稍后可以使用清单为您的特定用例选择正确的软件。

第 1 步：定义您的要求。

在购买任何软件（包括 CFD 建模软件）之前，定义您的要求至关重要。

只有当您清楚地确定该工具应满足的需求时，您才能够比较不同的选项并选择最适合您的情况的选项。 然后，建议在继续研究之前记下您选择的软件应具备的最关键的方面。

当谈到 CFD 建模软件时，您首先应该考虑：

  • 您希望对哪些现象进行建模，软件必须具备哪些功能，
  • 您需要什么样的仿真结果精度才能为工程设计过程提供有用的信息，
  • 处理不同大小的模型（从小型组件到复杂系统）需要多高的软件可扩展性。
  • 与设计过程中使用的其他工程软件（例如 CAD 软件）需要什么兼容性。

除此之外，您还可以考虑哪些其他功能对您来说很重要。 也许用户友好的界面是一个优先事项。 或者，作为 CFD 软件世界的新手，您可能需要提供商的额外支持。

定义并记下上述所有内容后，您可以继续执行步骤 2。

第 2 步：研究可用选项。

事实上，市场上有许多 CFD 仿真软件包。 每个人都有自己的优点和缺点。 不过，通过步骤 1 中创建的列表，可以更轻松地关注提供对您的特定应用程序最重要的功能的提供商。

因此，请研究可用的选项（例如 SimFlow），并根据您的要求对它们进行比较。

第三步：购买前先试用。

一旦您完成了彻底的研究，就该尝试您选择的 CFD 软件了。 幸运的是，大多数 CFD 建模软件包都提供免费试用版或演示版，您可以在购买之前测试软件并评估其性能。

那么值得尝试一下您在研究步骤中找到的一些软件提供商，并检查哪一个最适合您。

第四步：考虑成本。

不幸的是，CFD 仿真软件可能很昂贵，尤其是对于商业软件包而言。 因此，应对预算限制和软件成本非常重要。 此外，重要的是还包括额外成本，例如培训和支持。

第 5 步：评估支持。

最后，在选择合适的计算流体动力学软件时，您还应该评估技术支持和资源。 此类软件非常复杂，因此评估支持的质量和可用性至关重要。 因此，您应该检查您选择的软件是否附带详细的文档、论坛和客户支持。

总而言之，CFD 仿真软件对于各行各业的工程师和科学家来说都是一款高质量、实用的工具。 它允许他们模拟和分析不同条件下的流体流动行为，这可用于优化设计和提高性能。

市场上有许多 CFD 分析软件包，因此选择一个可能具有挑战性。 不过，一旦您定义了需求、研究了可用选项并根据您的需求评估了软件，您就可以为您的特定用例选择合适的 CFD 仿真软件。