CFD 仿真軟件初學者綜合指南

已發表: 2023-07-01

計算流體動力學 (CFD) 是一個涉及使用數值方法模擬流體流動和傳熱的研究領域。

儘管這個概念本身最早出現於 20 世紀 60 年代，但早在 80 年代它就開始被各個行業使用。 儘管如此，隨著越來越多的公司開始將這項技術應用到他們的解決方案中以提高效率和可靠性，它的受歡迎程度仍在不斷增長。

如今，CFD 仿真軟件用於執行流體和傳熱仿真。 它使其成為各行業工程師和科學家的重要工具。

本綜合指南將概述計算流體動力學軟件，包括其功能、優點和應用。

讀完這篇文章你就會知道：

  • 什麼是 CFD 仿真軟件，
  • CFD仿真軟件有哪些特點，
  • CFD 軟件有哪些優勢？
  • CFD 軟件的用例有哪些？
  • 如何選擇合適的CFD軟件？

什麼是 CFD 仿真軟件？

根據其定義，CFD仿真軟件是一種計算機程序，它使用數值方法和算法來模擬流體流動並將其與各種環境中的物理現象聯繫起來。

這些模擬涉及模擬流體行為的複雜數學模型，考慮到：

  • 熱傳遞，
  • 湍流，
  • 多相流。

因此，CFD 軟件使工程師和科學家能夠有效分析不同條件下的流體流動行為和傳熱。 此類分析的結果和結論可用於優化設計和提高性能。

CFD仿真軟件有哪些特點？

最好的 CFD 建模軟件應始終包含一系列功能，允許用戶創建、模擬和分析流體流動以及可能出現的任何問題。

計算流體動力學軟件最常見的功能應包括：

  • 幾何建模，
  • 網格劃分，
  • 模擬設置和運行，
  • 後處理功能。

幾何建模

此功能使用戶能夠創建或導入可用於模擬的 3D 幾何模型。

網格劃分

CFD 網格劃分基於有限體積，有限體積是指網格上每個節點周圍的小體積。 當 CFD 仿真軟件包含網格劃分工具時，它可以生成高質量的網格，以實現更準確的仿真。 因此，該軟件允許工程師進行更徹底的分析。

模擬設置和運行

仿真設置和運行功能描述了物理現象及其屬性的數學模型，以及用於計算仿真的求解器參數。

高質量的 CFD 分析軟件應配備針對不同應用的求解器，例如：

  • 穩定狀態，
  • 瞬態模擬，
  • 湍流，
  • 多相流。

後處理功能

最後，高質量的 CFD 軟件應該為用戶提供後處理功能，例如用於可視化和分析模擬結果的工具。

因此，該軟件應該為用戶提供輕鬆可視化流動模式、壓力分佈、速度分佈和溫度分佈的能力。

當談到 CFD 軟件時，值得一提 OpenFOAM GUI。 它是一個開源 CFD 軟件包，可以針對特定應用進行定制和擴展。

其他值得考慮的功能

除了上述功能外，在選擇 CFD 軟件提供商時還應考慮一些次要功能。

因此，還值得檢查該軟件是否具有用戶友好的界面或基於雲的計算資源。

CFD 軟件有哪些優勢？

如您所見，CFD 建模軟件配備了強大的功能，可以極大地幫助工程師和科學家的日常工作。

所有上述功能使該軟件成為技術人員的強大工具，而且對公司也非常有益。 那麼我們來看看CFD分析軟件對於各行業的用戶和管理都有哪些好處。

成本效益

憑藉上述所有功能，CFD 仿真軟件無需進行成本高昂且耗時的物理實驗和測試。

相反，模擬可以簡單地在計算機上運行並由工程師或科學家進行分析。 因此，CFD 軟件可以顯著節省構建和測試原型時產生的高成本。

靈活性

使用 CFD 軟件，工程師和科學家能夠快速測試不同的設計迭代和條件，而無需親自構建和測試每一個設計迭代和條件。

因此，它是一種高度靈活的工具，可以加快創建設計的過程並使其變得更加容易。

準確性

實施 CFD 仿真軟件的另一個巨大好處是輸出仿真的高精度。

借助這項技術，工程師和科學家能夠準確預測不同條件下的流體流動行為和傳熱。

因此，該工具的準確性使他們能夠優化設計並提高解決方案的性能。

見解

最後但並非最不重要的一點是，CFD 建模軟件為用戶提供有關流體流動行為和傳熱的詳細見解。 這些可以被仔細分析並用於：

  • 識別問題及其發生區域並在問題發生之前採取行動，
  • 改進設計並提高效率。

總而言之，計算流體動力學軟件是一個有益的解決方案，正在徹底改變工程領域。 讓我們檢查一下何時可以並且應該實現它，以及如何在各種環境中使用它的功能。

CFD 軟件的用例有哪些？

如前所述，CFD 軟件可用於多種行業的各種用途。

話雖這麼說，它可以用於：

  • 航空航天設計和優化飛機和航天器，包括空氣動力學、傳熱和燃燒，
  • 汽車領域優化車輛部件的設計，例如發動機、排氣系統、冷卻系統和車身空氣動力學，
  • 模擬建築物周圍的流體流動、建築物上的風荷載、風舒適度和污染物輸送的施工，
  • 設計和優化能源系統的能源，例如風力渦輪機、太陽能電池板和核反應堆，
  • HVAC 設計風扇和鼓風機、空調、供暖、模擬火災和煙霧傳播，
  • 船舶設計船體、螺旋槳和推進系統，並分析它們的阻力，
  • 醫療模擬體內的血液流動和其他液體流動，可用於設計醫療設備和治療方法，
  • 流程工業優化流程工業中的流程，例如化學反應、傳熱和流體流動。

如您所見，CFD 軟件用例多種多樣，可用於許多不同的目的。 它不僅可以幫助工程師和科學家，還可以提高公司的整體效率和盈利能力。

如何選擇合適的CFD軟件？

了解 CFD 建模軟件的功能和優勢後，是時候選擇合適的提供商了。

說實話，選擇合適的 CFD 仿真軟件是一項具有挑戰性的任務。 因此，作為我們綜合指南的最後一步，讓我們將此過程分成單獨的步驟。 您稍後可以使用清單為您的特定用例選擇正確的軟件。

第 1 步：定義您的要求。

在購買任何軟件（包括 CFD 建模軟件）之前，定義您的要求至關重要。

只有當您清楚地確定該工具應滿足的需求時，您才能夠比較不同的選項並選擇最適合您的情況的選項。 然後，建議在繼續研究之前記下您選擇的軟件應具備的最關鍵的方面。

當談到 CFD 建模軟件時，您首先應該考慮：

  • 您希望對哪些現象進行建模，軟件必須具備哪些功能，
  • 您需要什麼樣的仿真結果精度才能為工程設計過程提供有用的信息，
  • 處理不同大小的模型（從小型組件到復雜系統）需要多高的軟件可擴展性。
  • 與設計過程中使用的其他工程軟件（例如 CAD 軟件）需要什麼兼容性。

除此之外，您還可以考慮哪些其他功能對您來說很重要。 也許用戶友好的界面是一個優先事項。 或者，作為 CFD 軟件世界的新手，您可能需要提供商的額外支持。

定義並記下上述所有內容後，您可以繼續執行步驟 2。

第 2 步：研究可用選項。

事實上，市場上有許多 CFD 仿真軟件包。 每個人都有自己的優點和缺點。 不過，通過步驟 1 中創建的列表，可以更輕鬆地關注提供對您的特定應用程序最重要的功能的提供商。

因此，請研究可用的選項（例如 SimFlow），並根據您的要求對它們進行比較。

第三步：購買前先試用。

一旦您完成了徹底的研究，就該嘗試您選擇的 CFD 軟件了。 幸運的是，大多數 CFD 建模軟件包都提供免費試用版或演示版，您可以在購買之前測試軟件並評估其性能。

那麼值得嘗試一下您在研究步驟中找到的一些軟件提供商，並檢查哪一個最適合您。

第四步：考慮成本。

不幸的是，CFD 仿真軟件可能很昂貴，尤其是對於商業軟件包而言。 因此，應對預算限制和軟件成本非常重要。 此外，重要的是還包括額外成本，例如培訓和支持。

第 5 步：評估支持。

最後，在選擇合適的計算流體動力學軟件時，您還應該評估技術支持和資源。 此類軟件非常複雜，因此評估支持的質量和可用性至關重要。 因此，您應該檢查您選擇的軟件是否附帶詳細的文檔、論壇和客戶支持。

總而言之，CFD 仿真軟件對於各行各業的工程師和科學家來說都是一款高質量、實用的工具。 它允許他們模擬和分析不同條件下的流體流動行為，這可用於優化設計和提高性能。

市場上有許多 CFD 分析軟件包，因此選擇一個可能具有挑戰性。 不過，一旦您定義了需求、研究了可用選項並根據您的需求評估了軟件，您就可以為您的特定用例選擇合適的 CFD 仿真軟件。