計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics簡稱CFD）是利用數(shù)值方法通過計(jì)算機(jī)求解描述流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)方程,，揭示流體運(yùn)動(dòng)的物理規(guī)律，研究定常流體運(yùn)動(dòng)的空間物理特性和非定常流體運(yùn)動(dòng)的時(shí)空物理特征的學(xué)科,。其基本思想可以歸納為：把原來在時(shí)間域和空間域上連續(xù)的物理量的場,，如速度場和壓力場，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替,，通過一定的原則和方式建立起關(guān)十這些離散點(diǎn)上場變量之間的關(guān)系的代數(shù)方程組,，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。

CFD 也可以稱之為流體仿真,，是從屬于CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）的一個(gè)重要組成部分,，從這個(gè)角度來講，CFD 的本質(zhì)仍舊是工程,，所以必須要遵循通常意義上工程的一些原則,。

ANSYS CFD 的基本工作流程可以認(rèn)為分成三個(gè)主要的部分：

l 提出問題

l 化簡問題

l 解決問題

（一）提出問題

提出問題，就是要明確仿真目的,；這一點(diǎn)其實(shí)是最為重要的,，但是對(duì)于一些仿真工程師來講卻是最容易被忽略的。好多流體仿真工程師在仿真之前難以講清楚自己的目的是什么,、希望通過仿真得到什么,，甚至一部分人還希望先做一個(gè)流體仿真“看一看情況”，這都是不正確的仿真起點(diǎn),。

任何的流體仿真都必須要有明確的目的,，只有在明確的目的引導(dǎo)下，才能夠忽略目的之外的次要因素,，我們的仿真才能夠順利的進(jìn)行,；否則，如果我們的目的越多,、想要得到（或考慮）的內(nèi)容越多,、我們的仿真規(guī)模就會(huì)過大，從而導(dǎo)致工作效率降低,，無法滿足工程上的需求,。常見的CFD流體仿真目的有以下幾個(gè)方面：

l 得到溫度的分布、溫度最值的位置等（如電子散熱行業(yè)等）

l 得到力,、力矩或壓力系數(shù)分布等（如航空航天,、汽車行業(yè)等）

l 得到多相流中某一相（或多相）的分布情況（如石油行業(yè)、化工行業(yè)等）

l 得到管路中的壓降（能量損失）和流量分布情況（如流體機(jī)械行業(yè)等）

l 得到流場分布來配合其他的需求

l ……

當(dāng)然,，不同的行業(yè)仿真目的和需求通常是不一樣的,，因此我們忽略的次要因素也是不盡相同的,。圖中所示的問題就是一個(gè)典型的三通管問題仿真，冷水和熱水分別從各自的入口流進(jìn)三通管,，混合后從出口流出,，該問題的仿真目的有兩個(gè)：

l 流體流經(jīng)三通管的壓降（能量損失）情況

l 冷水與熱水在管內(nèi)的混合（溫度分布）情況

（二）化簡問題

有了明確的仿真目的,，我們接下來的任務(wù)就是化簡問題,。當(dāng)然，仿真的問題該如何圍繞這明確的目的進(jìn)行化簡,，這些工作（思考）通常也應(yīng)該是在仿真之前就完成的,。對(duì)于問題的簡化，大致上可以分為以下四個(gè)方面：

l 仿真區(qū)域選取

l 邊界條件給定

l 幾何模型化簡

l 物理模型選擇

1.仿真區(qū)域選取

在流體力學(xué)中的守恒方程中,，通常大家第一個(gè)討論的就是連續(xù)性方程,，這個(gè)方程從某種意義上來講，也可以認(rèn)為是流體區(qū)別于固體（就是我們常說的結(jié)構(gòu)仿真）的主要區(qū)別,。農(nóng)夫山泉有一句著名的廣告詞叫“我們不生產(chǎn)水,，我們是大自然的搬運(yùn)工”也是很形象的說明了流體力學(xué)中連續(xù)性方程的含義：對(duì)于一個(gè)給定的觀測(cè)體（仿真區(qū)域）流體不會(huì)憑空的生成和消失，流體流入多少就會(huì)對(duì)應(yīng)的流出多少,；同時(shí),，流體流出觀測(cè)體（仿真區(qū)域）后也不會(huì)消失，而是繼續(xù)的流動(dòng),，一直到無窮遠(yuǎn)的地方（或循環(huán)）,。

因此，對(duì)于流體永久存在（循環(huán)）的流體區(qū)域,，取其中一部分進(jìn)行仿真分析,，本身也是對(duì)問題的一個(gè)簡化。當(dāng)然,，仿真的區(qū)域如何選取,，不同的情況應(yīng)該如何應(yīng)對(duì)，由于篇幅的關(guān)系,，本文就不做詳細(xì)介紹了,。

對(duì)于三通管的問題，我們選取了接頭的部分作為仿真區(qū)域,，當(dāng)然,，這并不代表流體從三通管接頭直接流到大氣之中，而是表示在出口的位置,，還有等徑圓直管在無限延伸,，流體從出口的位置流進(jìn)了這無限長的直管中。

管路的簡化,，進(jìn)出口并不代表流體的盡頭

2. 邊界條件給定

邊界條件給定和選取的仿真區(qū)域息息相關(guān),，因此也是簡化問題的重要步驟,。從本質(zhì)上理解，邊界（面）實(shí)際上是一種等效,，仿真中用它們來替代其他的流體區(qū)域,。

不同的計(jì)算區(qū)域選取對(duì)應(yīng)著不同的邊界條件給定，如下圖所示：

l 如果選?、僮鳛槿肟?，那么只需要簡答的輸入即可，缺點(diǎn)是計(jì)算區(qū)域會(huì)很大

l 如果選?、冖圩鳛槿肟?，那么雖然計(jì)算區(qū)域相對(duì)會(huì)縮小，但是給定的邊界條件需要精確的分布,，當(dāng)然,，這些分布在①中是可以直接計(jì)算的得到的。

3.幾何模型化簡

如果在流體問題中考慮過于精細(xì)的幾何細(xì)節(jié)（如螺栓形狀,、小凹槽等）那么會(huì)使網(wǎng)格量成指數(shù)增加,，導(dǎo)致工作效率降低。因此我們必須要非常清楚哪些幾何細(xì)節(jié)是對(duì)我們的仿真有影響的,；沒有影響的,，一律簡化，這樣也是工程中效率優(yōu)先思想的一個(gè)重要體現(xiàn),。

不同的幾何簡化程度,，網(wǎng)格總量差別可以達(dá)到數(shù)十倍以上

4.物理模型選擇

仿真中的物理模型，可以簡單理解為用方程來代替實(shí)際的物理現(xiàn)象：如湍流模型,、多相流模型,、熱輻射模型等，無論何種模型,，都是抓住了主要矛盾,、簡化了次要矛盾才誕生的。因此可以這樣說,，模型本身就是簡化的代名詞,。流體中的這些問題（湍流、多相流）,，如果不用模型,，任何一個(gè)都無法完成計(jì)算。

當(dāng)然,，在明確的仿真目的下選擇必要的物理模型也是可以簡化問題的,，如：

l 某液體的流動(dòng)，只關(guān)注速度與壓力的影響（不需要開啟傳熱模型）

l 某顆粒流中顆粒體積分?jǐn)?shù)很小,，顆粒對(duì)流場影響可以忽略（不需要開啟DPM與流場耦合計(jì)算,，僅做流場后處理即可）

l 某真空環(huán)境下?lián)Q熱問題（不需要開啟流動(dòng)方程計(jì)算,，僅計(jì)算能量方程和輻射輸運(yùn)方程即可）

l ……

（三）解決問題

前面兩個(gè)步驟雖然很重要，但基本上都屬于“想”的環(huán)節(jié),；仿真工程師對(duì)于工作必須要腳踏實(shí)地,，因此就不能讓問題停留在紙面上。

使用CFD解決流體問題,，自然是離不開商用軟件,。從原理上來講，CFD是運(yùn)用了有限元的思想,，把連續(xù)變量分布的空間,，變成離散的分布,；在離散的空間（網(wǎng)格）里,，我們的偏微分方程，也就轉(zhuǎn)化為了代數(shù)的方程,。

流體仿真中,，解決問題通常分為四個(gè)步驟：

l 幾何

l 網(wǎng)格

l 求解

l 后處理

如下圖所示，ANSYS CFD 目前在解決流體問題上,，已經(jīng)具備了數(shù)量非常龐大的可選選項(xiàng),；當(dāng)然，無論這些軟件如何發(fā)展,，只要還屬于有限元的范疇,，就必須要按照解決問題的四個(gè)步驟進(jìn)行

1.幾何：

目前ANSYS提供兩個(gè)軟件的幾何解決方案：

① Design Modeler（簡稱DM）

這個(gè)軟件是傳統(tǒng)的ANSYS Workbench幾何處理軟件，相信許多的ANSYS老用戶熟悉這款軟件,，但是在2015年隨著ANSYS SCDM的加入,，DM的大部分功能都已經(jīng)逐步的被移植到SCDM當(dāng)中，DM的地位也隨之邊緣化,。對(duì)于ANSYS 19.0版本來講,，標(biāo)準(zhǔn)的商務(wù)軟件包中已經(jīng)不包含DM的使用許可。

② ANSYS SpaceClaim Direct Modeler（簡稱 SCDM）是基于直接建模思想的新一代3D建模和幾何處理軟件,。SCDM可以顯著地縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期,，大幅提升CAE分析的模型處理質(zhì)量和效率，為用戶帶來全新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)體驗(yàn),。

ANSYS CFD中幾何的作用：

l 建立三維幾何模型,。不同于一維流體仿真軟件（如Flowmaster等），ANSYS CFD實(shí)現(xiàn)的是詳細(xì)計(jì)算（三維計(jì)算）,，因此必須先有三維幾何CAD模型才能仿真,。SCDM/DM都具備建立幾何模型的能力，而且可以與后續(xù)的ANSYS網(wǎng)格劃分軟件進(jìn)行無錯(cuò)數(shù)據(jù)傳遞,，因此是流體工程師 “從零開始”工程項(xiàng)目的絕佳選擇,。

l 橋梁作用,，連接CAD與CAE。

l SCDM/DM都具備豐富的幾何接口,，可以讀取幾乎所有主流CAD軟件輸出的文件格式,。

l SCDM/DM都具備強(qiáng)大的幾何修補(bǔ)/簡化功能，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)（生產(chǎn)）CAD模型快速轉(zhuǎn)化為仿真CAD模型,。

l SCDM/DM以與后續(xù)的ANSYS網(wǎng)格劃分軟件進(jìn)行無錯(cuò)數(shù)據(jù)傳遞,，可以確保我們的仿真在幾何模型上真實(shí)可靠。

2.網(wǎng)格

ANSYS CFD的網(wǎng)格劃分工具很多,，包含專用的與通用的,。Workbench Meshing ICEM CFD Fluent Meshing三款軟件屬于通用的網(wǎng)格劃分軟件，可以適用于絕大多數(shù)的網(wǎng)格劃分問題,。本文由于篇幅限制,，暫且不對(duì)三款軟件進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

l 流體仿真初學(xué)者,，建議使用Workbench Meshing

l 高級(jí)流體仿真工程師,，建議使用Fluent Meshing

l 有六面體網(wǎng)格需求的工程師，建議使用ICEM CFD

3.求解

CFX與Fluent 都是ANSYS 旗下的通用流體仿真求解器,，可以解決大部分行業(yè)的流體問題,，兩款軟件對(duì)比起來，各自有優(yōu)勢(shì),，當(dāng)然也有不足,。實(shí)際上，關(guān)于求解器的內(nèi)容是非常復(fù)雜和龐大的,，希望大家在其他的文章中有針對(duì)性的學(xué)習(xí),。

4.后處理

Fluent 軟件本身就具備有后處理的能力，CFX是依托CFD-Post進(jìn)行后處理的,；當(dāng)然,，F(xiàn)luent 的計(jì)算結(jié)果也可以通過CFD-Post進(jìn)行后處理。ANSYS 19.0的版本之后,，新增了強(qiáng)大的Ensight 后處理工具,，可以極大的提升我們的工作效率。

ANSYS CFD-Post 后處理模塊

ANSYS Ensight 強(qiáng)大的后處理工具