這些計算流體的應用領域你都知道嗎？

2018-04-14 by:CAE仿真在線來源:互聯網

近十多年來,CFD有了很大的發(fā)展,替代了經典流體力學中的一些近似計算法和圖解法,過去的一些典型教學實驗,如Reynolds實驗,現在完全可以借助CFD手段在計算機上實現。

所有涉及流體流動、熱交換、分子輸運等現象的問題,幾乎都可以通過計算流體力學的方法進行分析和模擬。CFD不僅作為一個研究工具,而且還作為設計工具在水利工程、土木工程、環(huán)境工程、食品工程、海洋結構工程、工業(yè)制造等流域發(fā)揮作用。典型的應用場合及相關的工程問題包括:

1.航空工程

CFD在航空和國防工業(yè)中的應用經歷了一個長期的發(fā)展過程,取得了令人矚目的成績。在激烈的競爭環(huán)境中,CFD在改進飛行設計中起到了關鍵性的作用。實際上,很多工程師已將CFD和空氣動力學結合起來用于諸如飛機機翼升力的計算。隨著CFD計算技術和計算機能力的提高,其使用更為簡便,人們在計算升力之外,其應用范圍已經得到很大拓展。今天,CFD正用于求解很多困難的實際問題,而這些問題用過去的計算工具是難以分析或求解的。

2.汽車工程

現在,汽車工程師們正在依靠更多的模擬技術將提出的新車設計概念付諸實施。計算機輔助工程已經處于革新汽車內部系統(tǒng)的技術前沿,可以更好地全計算流體力學長期以來一直是汽車設計和制造中的一個基本要素。除了航空航天工業(yè)外,汽車工業(yè)在研究制造中也大量使用了CFD技術。因此,作為工程模擬工具,即使面對最困難的挑戰(zhàn),CFD仍然在許多工業(yè)領域中得到很好的應用。

3.生物科學工程

醫(yī)學研究者現在依靠模擬工具幫助預測人體中血液循環(huán)流動狀態(tài),數值模擬能夠提供實驗難以得到的有價值的信息,而且CFD還可以對很多流體動力學參數進行研究。同時,CFD 在制藥工業(yè)也有廣泛的應用。

4.化學和采礦工程

很多世界必需品源于化學工業(yè)和采礦業(yè),這些工業(yè)通過物理或化學方法加工原材料,消耗大量的熱能和電能,為食品、保健品以且先進的計算技術設備和生物技術設備提供初級產品,面對不斷加劇的競爭,這些工業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是既要滿足當前世界性的需求,同時時未來發(fā)展丑不造成損害,這就要求生產過程更高效、更安全以及更少污染物的排放。

5.民用和環(huán)境工程

政府、研究機構以且企業(yè)正在職融尋求途徑滿足環(huán)境保護法,在維持一定生產水平、滿足市場不斷增加需靠的同時,保證減少環(huán)境污染。在很多時候,CFD模擬已經成為解決環(huán)境問題的核心技術。

6.能源工程

在不斷競爭的能源市場中,設備制造商們轉向CFD尋求技術支持,以便更好地了解和提升能源工業(yè)中的設備和工藝。盡管傳統(tǒng)的發(fā)電方式仍在廣泛使用,但已經出現了具有潛力的可再生能源,如鳳力發(fā)電。為使投資得到最大回報,面提升駕駛體驗,改善駕破員和乘客的舒適性和安全性,并且進一步降低油耗,CFD已經被用于風力發(fā)電渦輪葉片的優(yōu)化設計當中,使之在不同的來風條件下能產生恒定的功率。通過CFD的風能資源評估,工程師可以更好地研究風力發(fā)電站的經濟性,正確的模擬結果可以減少投資風險。

7.體育

隨著體育水平的不斷提高,特別是在奧運賽場上,運動員的水平都在伯仲之間,體育比賽的勝負差距非常微小,為了在比賽中獲得勝利,不得不為提高器材的性能投入大量的資金。體育器材的流體動力性能越來越重要,越來越多的優(yōu)秀運動員、運動隊以及體育設備制造商們都在努力從先進的流體模型中獲取比賽空氣動力的有利條件,越來越多的體育器材外形的研究成果逐漸為人們所認可。同時,CFD不僅可以研究體育運動器械等硬件設備,還可以對運動員的運動技巧進行分析,針對不同運動員的自身條件,通過計算分析,制定更為科學量化的競技動作和訓練內容。

CFD軟件工具

為了完成CFD計算,過去多是用戶自己編寫計算程序,但由于CFD的復雜性及計算機硬件條件的多樣性,使得用戶各自的應用程序往往缺乏通用性,而CFD本身又有其鮮明的系統(tǒng)性和規(guī)律性,因此,比較適合于被制成通用的商用軟件。

在1981年以來,出現了如FLUENT、PHOENICS、STAR-CD、STAR-CCM+、CFX、等多個商用CFD軟件,其中FLUENT軟件是當今世界CFD仿真領域最為全面的軟件包之一,這些軟件的特點是:

功能比較全面、適用性強,幾乎可以求解工程界中的各種復雜問題
具有比較易用的前后處理系統(tǒng)和與其它CAD及CFD軟件的接口能力,便于用戶快速完成造型、網格劃分等工作。同時,還可讓用戶擴展自己的開發(fā)模塊。
具有比較完備的容錯機制和操作界面,穩(wěn)定性高。
可在多種計算機、多種操作系統(tǒng),包括并行環(huán)境下運行。

隨著計算機技術的快速發(fā)展,這些商用軟件在工程界正在發(fā)揮著越來越大的作用。

FLUENT

FLUENT軟件是當今世界CFD仿真領域最為全面的軟件包之一,具有廣泛的物理模型,以及能夠快速準確的得到CFD分析結果。

FLUENT軟件擁有模擬流動,湍流,熱傳遞和反應等廣泛物理現象的能力,在工業(yè)上的應用包括從流過飛機機翼的氣流到爐膛內的燃燒,從鼓泡塔到鉆井平臺,從血液流動到半導體生產,以及從無塵室設計到污水處理裝置等等。軟件中的專用模型可以用于開展缸內燃燒,空氣聲學,渦輪機械和多相流系統(tǒng)的模擬工作。

現今,全世界范圍內數千計的公司將FLUENT與產品研發(fā)過程中設計和優(yōu)化階段相整合,并從中獲益。先進的求解技術可提供快速、準確的CFD結果、靈活的移動和變形網格,以及出眾的并行可擴展能力。用戶自定義函數可實現全新的用戶模型和擴展現有模型。

FLUENT中的交互式的求解器設置、求解和后處理能力可輕易暫停計算過程,利用集成的后處理檢查結果,改變設置,并隨后用簡單的操作繼續(xù)執(zhí)行計算。ANSYS CFD-Post可以讀入Case和Data文件,并利用其先進的后處理工具開展深入分析,同時對比多個算例。

ANSYS Workbench集成ANSYS FLUENT后給用戶提供了與所有主要CAD系統(tǒng)的雙向連接功能,其中包括ANSYS DesignModeler強大的幾何修復和生成能力,以及ANSYS Meshing先進的網格劃分技術。該平臺通過使用一個簡單的拖放操作便可以共享不同應用程序的數據和計算結果