計算流體動力學與顱內動脈瘤

CFD (計算流體動力學) 

CFD,軟件(Computational Fluid Dynamics),即計算流體動力學,是流體力學的一個分支,簡稱CFD。CFD是近代流體力學,數(shù)值數(shù)學和計算機科學結合的產(chǎn)物,是一門具有強大生命力的邊緣科學。它以電子計算機為工具,應用各種離散化的數(shù)學方法,對流體力學的各類問題進行數(shù)值實驗、計算機模擬和分析研究,以解決各種實際問題。

工具:

1、Fluent:2006完成被ansys收購!

 在美國,有限體積法FVM法,Fluent已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品如下:(廣泛應用!支持c\c++語言開發(fā))

 Fluent6.2---基于非結構化網(wǎng)格的通用CFD求解器,以前的是結構網(wǎng)格求解器,如4.5、5.5版的;

 Fluent的軟件設計基于CFD軟件群的思想,從用戶需求角度出發(fā),針對各種復雜流動的物理現(xiàn)象,Fluent軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法,以期在特定的領域內使計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達到最佳組合,從而高效率地解決各個領域的復雜流動計算問題?；谏鲜鏊枷?Fluent開發(fā)了適用于各個領域的流動模擬軟件,這些軟件能夠模擬流體流動、傳熱傳質、化學反應和其它復雜的物理現(xiàn)象,軟件之間采用了統(tǒng)一的網(wǎng)格生成技術及共同的圖形界面,而各軟件之間的區(qū)別僅在于應用的工業(yè)背景不同,因此大大方便了用戶。

GAMBIT—專用的CFD前置處理器(幾何/網(wǎng)格生成),Fluent系列產(chǎn)品皆采用Fluent公司自行研發(fā)的Gambit前處理軟件來建立幾何形狀及生成網(wǎng)格,是一具有超強組合建構模型能力之前處理器,然后由Fluent進行求解。

Fidap——基于有限元方法的通用CFD求解器,為一專門解決科學及工程上有關流體力學傳質及傳熱等問題的分析軟件,是全球第一套使用有限元法于CFD領域的軟件,其應用的范圍有一般流體的流場、自由表面的問題、紊流、非牛頓流流場、熱傳、化學反應等等。FIDAP本身含有完整的前后處理系統(tǒng)及流場數(shù)值分析系統(tǒng)。對問題整個研究的程序,數(shù)據(jù)輸入與輸出的協(xié)調及應用均極有效率。

Polyflow——針對粘彈性流動的專用CFD求解器,用有限元法仿真聚合物加工的CFD軟件,主要應用于塑料射出成形機,擠型機和吹瓶機的模具設計。

Mixsim——針對攪拌混合問題的專用CFD軟件,是一個專業(yè)化的前處理器,可建立攪拌槽及混合槽的幾何模型,不需要一般計算流體力學軟件的冗長學習過程。它的圖形人機接口和組件數(shù)據(jù)庫,讓工程師直接設定或挑選攪拌槽大小、底部形狀、折流板之配置,葉輪的型式等等。MixSim隨即自動產(chǎn)生三維網(wǎng)絡,并啟動Fluent做后續(xù)的模擬分析。

IcePak---專業(yè)的電子熱分析軟件。

Airpak---強大的通風系統(tǒng)分析軟件。

QFin---專門針對散熱器優(yōu)化和設計的CFD軟件。

英國有限體積法FVM法及基于有限元的有限體積法。支持c\c++語言開發(fā)。

網(wǎng)格能力(Fluent Gambit不如ICEM CFD);

精確性(Fluent不如CFX,人家CFX默認的差分格式就是二階的,而Fluent用二階格式時很難收斂);

可靠性(Fluent不如CFX。憑心而論,CFX的耦合求解器比Fluent收斂快多了。那時數(shù)量級的差別。)

并行能力(Fluent也不如CFX。曾用這兩種軟件在多CPU機群上算飛機外流等問題,Fluent太慢了。)

后處理(Fluent的后處理圖太土了,相比之下CFX的圖漂亮、專業(yè)多了。)

各有優(yōu)缺點,CFX的優(yōu)點是物理模型豐富,功能強大,基于有限元的有限體積離散方法,精度比較高,但是計算速度慢;Fluent物理模型比較缺乏,很多問題沒有對應的模型,比如多相流中每相不能是多組分,對于濕空氣和其他流體組成的多相流就不能算了。而且Fluent的前處理器格式封閉,只能適合于Fluent,CFX的前處理器icem輸出格式豐富。

(1)CFX只有fully implicit solver 一種,Fluent有segreggated,fully explicit,fully implicit三種。雖然CFX解的iteration少些,但是記憶體耗得兇啊。

(2)CFX的moving grid是我最垢病的,簡直是拉扯網(wǎng)格,Fluent在這方面明顯的強大許多

(3)CFX的udf(UserFortran in CFX),有許多函數(shù)未知,不容易開發(fā)復雜模型,但是我也不知道Fluent的udf ( in C language)是否提供完整的呼叫資訊。

(4)CFX的GUI的確弄得比Fluent好,前後處理串得很好,協(xié)調性夠。Fluent只是沒把重點擺在GUI的改善吧,可是都可以達到相同的功能,習慣就好,CFD code的重點在於容不容易求出錯誤解而不自知。code developer有無盡量減少CFD code error,GUI友不友善倒不是重點?；旧?求解的準度與使用者的功力有很大的關系。同一種軟體,相同題目,有的人解出來的是錯的離譜,有的卻是OK的。

(5)兩種軟體的用戶都有許多,不容易整并成一種,倒是有可能互補長短,同時提升。

(6)至於模型,大概都會反應最新的學術或業(yè)界的研究成果到solver models中吧,感覺是大同小異。

4、Phoenics:支持FORTRAN語言開發(fā)。

Phoenics是英國CHAM公司開發(fā)的模擬傳熱、流動、反應、燃燒過程的通用CFD軟件,有30多年的歷史。網(wǎng)格系統(tǒng)包括:直角、圓柱、曲面(包括非正交和運動網(wǎng)格,但在其VR環(huán)境不可以)、多重網(wǎng)格、精密網(wǎng)格?？梢詫θS穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)的可壓縮流或不可壓縮流進行模擬,包括非牛頓流、多孔介質中的流動,并且可以考慮粘度、密度、溫度變化的影響。在流體模型上面,Phoenics內置了22種適合于各種Re數(shù)場合的湍流模型,包括雷諾應力模型、多流體湍流模型和通量模型及k-e模型的各種變異,共計21個湍流模型,8個多相流模型,10多個差分格式。

Phoenics的VR(虛擬現(xiàn)實)彩色圖形界面菜單系統(tǒng)是這幾個CFD軟件里前處理最方便的一個,可以直接讀入Pro/E建立的模型(需轉換成STL格式),是復雜幾何體的生成更為方便,在邊界條件的定義方面也極為簡單,并且網(wǎng)格自動生成,但其缺點則是網(wǎng)格比較單一粗糙,針對復雜曲面或曲率小的地方的網(wǎng)格不能細分,也即是說不能在VR環(huán)境里采用貼體網(wǎng)格。另外VR的后處理也不是很好。要進行更高級的分析則要采用命令格式進行,但這在易用性上比其它軟件就要差了。

另外,Phoenics自帶了1000多個例題與驗證題,附有完整的可讀可改的輸入文件。其中就有CHAM公司做的一個PDC鉆頭的流場分析。Phoenics的開放性很好,提供對軟件現(xiàn)有模型進行修改、增加新模型的功能和接口,可以用FORTRAN語言進行二次開發(fā)。

Star-CD的最大缺點是不容易上手,至于說到它的前處理器還是相當不錯的,只是很多人不愿意靜下心來研究它的使用,因為在這樣的時候,很多人會找借口,用Fluent,CFX多方便啊,干嗎還要學Star-CD。實際上,你熟悉了它的思想,并且你喜歡動腦子,你就會發(fā)現(xiàn)很多工作只有Star-CD能快速的做。一個形狀復雜的換熱器,你想都別想Fluent或者CFX一天能把網(wǎng)格搞定,但Star-CD可以,兩個也能搞定。如果你認為四面體網(wǎng)格是萬能的,試一下吧,不累死你和你的機器才怪。Star-CD的后處理是不怎么樣用了兩年star-cd,雖然上手慢,但一旦熟練,就會覺得其實不比其它軟件差,但是它的后處理實在太差,不能畫流線,不能處理成渦量場等等Star-CD在四大CFD軟件中首先采用非結構化網(wǎng)格的求解器,想當初Star-CD就是靠這起家的,Star-CD從它開始就是針對非結構化網(wǎng)格的。

V315好像在求解器上確實又有了進步,但是Star-CD是英國的公司,英國公司的毛病是不會管理,不會經(jīng)營,Star-CD和CFX都有這個毛病,CFX雖然比Star-CD在前處理上強一些,但是也做的“亂”。Fluent就不一樣了,界面做得簡潔,容易上手,能引起初學者的喜歡,并且國內多數(shù)歸國學者是美國的,當然對Fluent熟。

CFX V5.4以后好像采用的計算方法有了變化,不是采用我們常規(guī)的FVM,而是CV-FEM,這種方法我不喜歡。此外Star-CD確實有點不爭氣,Star-CD的research group集中了現(xiàn)代計算流體力學的重量級的人物,如MILOVANERIC,I·Demirdzic and S·Muzaferija這幾位在非正交網(wǎng)格和非結構化網(wǎng)格計算方面的工作,基本上是革命性的,現(xiàn)代CFD軟件采用FVM方法的多數(shù)是采用他們提出的方法,并且他們很早以前就將FVM的方法擴展到結構計算(應力分析),以及相變換熱這些比較難處理的領域,大家可以看看Hamburg大學的開發(fā)的CFD軟件COMET,這個軟件可以說是這幾位老先生還在學校的時候 指導開發(fā)的,再看一看COMET的說明,就會發(fā)現(xiàn)Star-CD只是COMET的一個相似的版本,二者有驚人的相似,從計算方法,網(wǎng)格生成的命令,編程使用的變量,幾乎是一致的;但是現(xiàn)在COMET已并入Star-CD公司,COMET很早就有了計算應力的模塊,而且是采用FVM方法, 也就是說COMET早就解決了 流動 傳熱應力的耦合計算,并且是FVM方法。

想起Star-CD現(xiàn)在的經(jīng)驗業(yè)績,不得不為其擔心,大家可以到CFD-ONLINE上看看,好像Star-CD現(xiàn)在內部出現(xiàn)了嚴重的問題。Star-CD畢竟是我比較喜歡的求解器,在使用Star-CD過程對我編寫的程序有了非常大的幫助,Star-CD采用的方法是MILOVAN PERIC,I·Demirdzic and S·Muzaferija提出的方法,這幾位是我非常崇拜的老先生,他們的每一篇文章,我?guī)缀醵际占?而且大有受益。尤其PERICMILOVAN教授在我編寫程序過程中給了很多指導。

英國的CFD事業(yè)永遠陷入一個怪循環(huán):英國人出理論,美國人出軟件。

Numeca國際公司一直致力于高度集成及用戶化的流場數(shù)值模擬軟件,及其葉輪機械設計軟件的研制和開發(fā)。這些軟件均采用最新的先進數(shù)值分析技術。Numeca國際公司集中了許多優(yōu)秀的CFD工程師,他們可給用戶提供及時有效的技術支持和服務。自從Numeca國際公司成立以來,特別是近五年來,Numeca國際公司已經(jīng)成功地在國際CFD市場,特別是在葉輪機械領域,掀起了強勁的Numeca旋風。Numeca公司的軟件-FINE系列軟件,雖然市場化的較晚,但她是目前國際上最優(yōu)秀的軟件,她采用了近幾年研發(fā)出的最先進技術,因此,無論在計算速度、計算精度、所需計算機內存、使用方便程度、界面友好程度等方面都優(yōu)于其他軟件(如:Fluent和Star-CD等)。所以,她引導著世界CFD軟件發(fā)展的新潮流。其計算速度、精度和計算機內存需要量均比其它軟件(如:Fluent、Tarsflow和Star-CD等優(yōu)越,其優(yōu)越程度使用過其它軟件的用戶非常驚訝?，F(xiàn)在其它軟件公司(在網(wǎng)格生成和核心求解器中)也逐漸開始采用類似于Numeca的方法。她所研發(fā)并采用的其它技術和方法現(xiàn)也已被其它軟件開發(fā)者逐步采用。因此,Numeca公司領導著世界CFD軟件發(fā)展的新潮流。

過去幾年,FINE系列軟件被國際上普遍認為是葉輪機械等內部流動模擬分析的首選軟件。但隨著FINE/HEXA和HEXPRESS的推出,將使Numeca的CFD軟件在模擬外部流動(包括各種飛行器:飛機、火箭、衛(wèi)星等;各種運輸工具:汽車、機車船舶等;房屋建筑群,橋梁方面,也比其它軟件有許多獨特的優(yōu)越性。

另外,由于Numeca軟件自身的特點(高的速度,高的精度,低內存需求,以及使用方便等),她現(xiàn)在也是現(xiàn)代流體工程企業(yè)實現(xiàn)其設計、制造自動化體系的首選CFD軟件。