10 лучших программ для анализа CFD для продвинутой разработки продуктов

CFD-анализ позволяет инженерам визуализировать, тестировать и анализировать конструкцию своей продукции на предмет проблем, связанных с потоком жидкости, теплопередачей, турбулентностью, неньютоновскими материалами и т. Д.

Эта технология позволила организациям и инженерам легко рассчитать свою конструктивную эффективность в любое время и в любых условиях виртуально. В результате экономится время, силы и деньги.

Но раньше все было не так просто. Дорогостоящие физические испытания были единственным средством решения практических задач до того, как появились моделирование или анализ CFD. Это включало в себя тщательное тестирование прототипов с большим количеством отзывов и сбоев.

Помимо тестирования, вам нужно быстро исправить проблемы, чтобы запустить проект в производство. Программное обеспечение для анализа CFD поможет вам в этом, и именно об этом я расскажу в этой статье.

Итак, начнем.

Что такое CFD?

Вычислительная гидродинамика (CFD) - это часть механики жидкости, которая использует структуры данных и численные расчеты для анализа и решения проблем потока текучей среды (газов и жидкостей), таких как химический состав, плотность и скорость.

А инструмент для выполнения CFD-анализа и решения проблем потока жидкости - это программное обеспечение CFD. Это гарантирует, что на ранних этапах проектирования продукта используются лучшие концепции потока, чтобы компоненты могли эффективно работать в различных условиях.

CFD позволяет легко анализировать сложные проблемы потока жидкости, включая взаимодействия жидкость-газ, жидкость-твердое тело или жидкость-жидкость. Он использует продвинутые решатели для преобразования физических законов из уравнений в частных производных в алгебраические уравнения, а также эффективно решает их.

Инженеры и аналитики используют компьютеры для выполнения этих расчетов для моделирования свободно текущей жидкости и ее взаимодействия с поверхностями. Используя сложные компьютеры или суперкомпьютеры, вы можете быстро и быстро получить точные решения даже для самых сложных проблем.

CFD используются в различных сферах, таких как:

• Аэрокосмическая техника для моделирования аэродинамики самолета, турбулентного / ламинарного потока, сжимаемого / несжимаемого потока, конструкции аэродинамического профиля, вращающихся машин и т. Д.
• Электронное производство, например моделирование аккумуляторов, охлаждение и т. Д.
• Отопление, вентиляция и кондиционирование (HVAC)
• Автомобили для моделирования аэродинамики автомобильных деталей, труб и клапанов.
• Предотвращение кавитации
• Спортивный инвентарь и многое другое

Как работает анализ CFD?

В целом анализ CFD включает три основных этапа:

Предварительная обработка: это когда проблема потока жидкости трансформируется в дискретную и идеальную компьютерную модель. Инженеры и аналитики делают несколько предположений на основе типа потока, например сжимаемый, несжимаемый, установившийся, переходный, вязкий, невязкий и т. Д. Они также создают сетку и применяют граничные условия к взаимодействующим поверхностям.

Решение: анализ CFD использует мощные решатели, которые выполняют фактические вычисления для задач или уравнений потока жидкости и приносят точные и быстрые решения.

Постобработка: аналитики визуализируют и анализируют результаты на заключительном этапе, чтобы сделать вывод в виде таблиц, графиков, движущихся изображений и т. Д.

Каковы преимущества анализа CFD?

Анализ CFD полезен при разработке продукта во многих отношениях:

№1. Эффективность

Анализ и решение сложных уравнений потребовали бы огромного времени, если бы выполнялись вручную с помощью обычных испытаний и вычислений. Но программное обеспечение для анализа CFD может решать сложные уравнения потока жидкости с высокой скоростью и точностью, экономя ваши усилия и время.

№2. Больше гибкости

Вы можете измерять ограниченное количество одновременно вручную. Однако анализ CFD позволяет одновременно измерять все необходимые физические величины с высоким разрешением благодаря исключительной вычислительной мощности. Это помогает быстро перейти к физическому тестированию и производству.

№3. Практическая обратная связь

Инженеры могут создавать проекты и проверять эффективность перед строительством с помощью анализа CFD. Это позволяет вам легко изменять форму, структуру, размер, масштаб и т. Д. Вашей модели в программном обеспечении и доработать наиболее эффективную.

№4. Реальный опыт

Моделирование включает в себя различные явления и условия реального мира, такие как движение ветра, гравитация, скорость света и т. Д. Следовательно, вы можете создавать условия окружающей среды и проверять свои конструкции на соответствие этим условиям, чтобы понять их характеристики и поведение.

Теперь давайте посмотрим на некоторые из лучших инструментов анализа CFD на рынке.

Autodesk CFD

Autodesk CFD - это очень хорошее программное обеспечение для моделирования CFD, предназначенное для аналитиков и инженеров, которое позволяет разумно прогнозировать поток и поведение газов и жидкостей. Это помогает свести к минимуму требования к различным физическим прототипам, чтобы получить более глубокое представление о потоке жидкости для обеспечения проектных характеристик.

Вы получаете множество функций в этом программном обеспечении CFD и инструментах теплового моделирования, которые работают с максимальной производительностью. Использование этого инструмента позволяет сравнивать конструкции, чтобы понять поведение жидкости внутри них, прежде чем переходить к производству. Кроме того, вы можете улучшить распределение давления для приложений управления потоком и решить уравнения для всех моделей теплопередачи, от твердого до твердого или твердого и жидкого.

Autodesk CFD позволяет подключить его к Fusion 360 для внесения изменений и упрощения САПР. Вы также можете использовать автоматизацию сетки и геометрию для определения размера сетки, выполнять несколько анализов на серверах HPC, удаленно или локально, чтобы гибко решать большие модели.

Программное обеспечение позволяет оптимизировать дизайн для повышения эффективности здания для MEP и архитектурных приложений. Вы также можете моделировать границу раздела между газами и жидкостями, моделировать различные явления потока, такие как проливание, плеск и волны, и разрабатывать индивидуальные уравнения для получения визуальных результатов.

В Autodesk CFD вы можете найти дополнительные функции, такие как CAD-соединения, моделирование производительности компонентов радиатора и отслеживание частиц для лучшего понимания направлений и циркуляции потоков. Он также позволяет скалярное смешение, моделирование излучения, анализ вращающихся устройств и моделирование конденсации и влажности.

Помимо этого, ценными функциями этого программного обеспечения CFD являются анализ нагрузок на солнечное отопление и видимость дыма, настраиваемый и чистый пользовательский интерфейс, результаты на основе данных и автоматизация сценариев через API.

SimScale

Программное обеспечение SimScale CFD является облачным, что позволяет вам тестировать, проверять, оптимизировать и повторять ваши проекты с помощью онлайн-моделирования. Он включает все процессы в веб-браузере, поэтому вам не нужно бороться с ограниченной вычислительной мощностью, высокими затратами и доступностью.

Поскольку моделирование переходных процессов требует больше денег и времени для получения точных результатов, программное обеспечение SimScale CFD решает эту проблему. Этот решатель на базе графического процессора использует метод решетки-Больцмана (LBM) для обеспечения высокой точности и непревзойденной скорости.

Они также сотрудничали с Numeric Systems GmbH, чтобы создать эту нестандартную функцию с помощью Pacefish. В результате время моделирования переходных процессов сократилось с дней и недель до минут и часов. Кроме того, программное обеспечение работает на нескольких графических процессорах параллельно и обеспечивает в 20–30 раз более короткое время выполнения работ по сравнению со стандартными процессами.

SimScale поддерживает несколько типов моделирования турбулентности, такие как Smagorinsky, k-omega SST, Hybrid SST-IDDES и SST-DDES. Поскольку сжимаемость жидкости является жизненно важным фактором, инструмент поддерживает моделирование сжимаемых и несжимаемых жидкостей с точностью, чтобы помочь вам в более безопасном и качественном проектировании и разработке продукта.

Программное обеспечение SimScale CFD может решать сложные уравнения потока жидкости с помощью точных численных методов. Следовательно, он применим для проектирования компонентов самолетов, профилей, воздуховодов, клапанов и многого другого. Он также работает как для турбулентных, так и для ламинарных потоков в дополнение к нестационарному и установившемуся моделированию. Поэтому он полезен для проектирования труб, дымоходов, чистых помещений и циклонных сепараторов.

Программное обеспечение предлагает возможности теплового моделирования, моделирования многовидовых или многофазных потоков с помощью метода объема жидкости (VoF). Он также использует решатель OpenFOAM для анализа двух несмешивающихся жидкостей, таких как вода и масло, что полезно для технологических процессов и морских приложений.

Выполняйте моделирование в установившемся режиме с использованием нескольких опорных кадров (MRF) или вращающихся граничных условий вместе с моделированием переходных процессов с помощью интерфейса произвольной сетки (AMI). Вы также можете моделировать и оценивать движение твердого тела с 6 степенями свободы (DoF), подходящее для судостроения и проектирования труб.

ANSYS

Каждый инженер-конструктор должен был использовать или хотя бы слышать об ANSYS, которая предлагает отличные инструменты моделирования CFD, которые помогут вам принимать более быстрые и лучшие решения. Их моделирование CFD обеспечивает точные результаты и высокую вычислительную мощность, а их качество подтверждено.

Интуитивно понятные и мощные инструменты CFD помогут вам повысить безопасность и производительность вашего продукта, сократив усилия и время на разработку. Кроме того, они практически не допускают ошибок и предлагают прекрасную возможность для инноваций и производства оптимизированных продуктов с использованием эффективных решателей промышленного уровня.

Ищете ли вы способы эффективного моделирования обледенения в полете или максимального повышения эффективности двигателя внутреннего сгорания (ДВС), у ANSYS есть инструменты, которые помогут вам. Они удобны в использовании и продвинуты, чтобы сэкономить ваше время и помочь повысить вашу производительность.

Вот некоторые из предлагаемых ими продуктов CFD:

• Ansys Fluent для расширенного моделирования с высокой точностью
• ANSYS CFX - выдающаяся скорость, надежность и точность в турбомашиностроении.
• Ansys Chemkin-Pro - это инструмент премиум-класса для моделирования сложных химически реагирующих систем.

Кроме того, они предоставляют другие связанные инструменты, такие как Ansys BladeModeler, Ansys Rocky, Ansys Vista TF, Ansys TurboGrid, Ansys Polyflow, ANSYS Model Fuel Library, Ansys FENSAP-ICE, Ansys EnSight и Ansys Forte.

OpenFOAM

Выпущенная в 2004 году, OpenFOAM представляет собой бесплатное программное обеспечение CFD с открытым исходным кодом, разработанное OpenCFD. Он имеет значительную базу пользователей по всему миру в большинстве областей науки и техники, включая академические и коммерческие организации.

OpenFOAM предлагает множество функций, применимых для решения простых и сложных потоков жидкости, таких как химические реакции, теплопередача, турбулентность, механика твердого тела, электромагнетизм и акустика. Кроме того, сообщество разработчиков OpenFOAM продолжает вносить свой вклад в его разработку, и они также включают разработки, спонсируемые клиентами, для выпуска новых версий каждые 6 месяцев.

Он тестируется независимо специалистами по приложениям ESI-OpenCFD, избранными клиентами и партнерами по разработке. Они проводят тщательное тестирование программного обеспечения для обеспечения качества. Процесс оценки, проверки и верификации кода включает в себя сотни модульных тестов ежедневно.

Модуль CFD

Программное обеспечение для моделирования CFD от Consol - модуль CFD позволяет вам определять модели и решать их для изучения систем с потоком жидкости. Он также работает для систем, содержащих комбинацию потока жидкости и физических явлений, то есть работает как для однофазных, так и для многофазных потоков.

Модуль CFD предлагает инструменты для моделирования краеугольных камней различных анализов потока жидкости, таких как:

• Сжимаемые и несжимаемые потоки
• Турбулентные и ламинарные потоки
• Течение в свободной или пористой среде и на открытых участках
• Тонкопленочный поток

Программное обеспечение реализует эти возможности через интерфейсы структурного потока для определения, анализа и решения задач стационарного и переходного потока в трехмерных, двухмерных и двухмерных осесимметричных схемах. Кроме того, он предлагает специализированные функции для решения проблем, связанных с потоком с высоким числом Маха, неньютоновскими потоками и вращающимся оборудованием.

Модуль CFD может моделировать реагирующие потоки и сопряженные теплопередачи в одной и той же среде, чтобы вы могли одновременно анализировать проблемы потока. Помимо этого, он предлагает больше мультифизических возможностей, таких как взаимодействие жидкости и структуры, которое вы можете включить, объединив программное обеспечение с другими модулями Comsol.

Simcenter

Анализируйте и прогнозируйте реальную производительность продукта с помощью программного обеспечения Simcenter CFD от Siemens. Этот ведущий в отрасли инструмент анализа CFD предлагает быстрое и точное моделирование различных инженерных проблем, связанных с жидкостями, конструкциями и связанной с ними физикой.

Независимо от того, являетесь ли вы дизайнером, инженером CFD или исследователем, программное обеспечение может помочь вам проанализировать сложные проблемы потока жидкости и преобразовать полученные знания в разработку инновационных продуктов. Он также может легко моделировать проблемы, связанные с несколькими движущимися и взаимодействующими частями, используя морфинг сетки, перекрытие сетки или их комбинацию.

Кроме того, вы можете использовать функции подвижной сетки для устойчивого или переходного моделирования и параметрических исследований. Это обеспечивает простой способ замены или изменения положения объекта и изучения различных конфигураций дизайна. Программное обеспечение Simcenter CFD предоставляет возможности моделирования Лагранжа и Эйлера для точного соответствия различным потребностям моделирования.

Не говоря уже о том, что это первый коммерческий инженерный симулятор, который включает функцию DEM с численным моделированием потока. Это поможет вам проанализировать, как турбулентные потоки взаимодействуют с реагирующими потоками, чтобы убедиться, что продукт отлично работает в различных рабочих условиях.

Кроме того, вы получаете обширную библиотеку, содержащую точные модели для прогнозирования источников аэроакустики, таких как стационарные модели, DES / LES и модели распространения. Вы также можете использовать моделирование батареи с использованием геометрических характеристик и характеристик для проверки конструкции вашей цифровой литий-ионной батареи.

Flowsquare

Еще одно бесплатное программное обеспечение CFD в этом списке - Flowsquare - программное обеспечение для двумерного CFD анализа нестационарных и нереактивных / реактивных потоков жидкости вместе с дозвуковыми или сверхзвуковыми потоками. Он предлагает удобную среду для анализа CFD и направлен на то, чтобы приблизить больше людей к этой технологии и моделировать потоки, чтобы удовлетворить их академические или образовательные интересы.

Большинство коммерческих инструментов CFD имеют высокую стоимость и требуют опыта и значительных вычислительных ресурсов, не каждый может их использовать, но Flowsquare бесплатен и разработан для простоты использования. Для этого не требуются такие навыки, как построение сетки, программирование САПР и предварительная / постобработка. Вы можете начать с наброска простого поля моделирования с помощью любого инструмента рисования, например Microsoft Paint.

Задайте область вычисления, используя 1-2 изображения Bitmap и один текстовый файл. Здесь вы можете выполнять визуализацию в реальном времени и сохранять ее как файлы Bitmap. Он имеет встроенные инструменты визуализации цветов, векторных контуров, лагранжевых частиц и графиков.

Flowsquare использует очень гибкие числовые условия и схемы, а данные моделирования доступны в двоичном формате для последующей обработки. Он используется по всему миру отдельными лицами, компаниями и образовательными учреждениями для различных целей.

ParaView

ParaView - это мультиплатформенное программное обеспечение для визуализации и анализа данных с открытым исходным кодом. Это позволяет быстро создавать визуализации и анализировать их данные с помощью качественных и количественных методов.

Моделирование CFD ParaView позволяет вам изучить подъемную силу, сопротивление, воздушный поток и т. Д., Чтобы повысить эффективность проектирования. Он также способен анализировать массивные наборы данных с распределенными вычислительными ресурсами памяти. Кроме того, вы можете выполнять исследование данных в интерактивном режиме программно или в 3D, используя функции пакетной обработки программного обеспечения.

Вы можете запускать ParaView на суперкомпьютерах и анализировать петауровневые наборы данных или на своем ноутбуке для анализа второстепенных данных. Эта универсальность позволяет применять его в различных отраслях промышленности, университетах и ​​национальных лабораториях. Более того, он получил множество наград за свои высокие вычисления и производительность.

Используйте ParaView для своего следующего проекта и извлекайте выгоду из их передовых услуг и научно-исследовательских решений. Вы также можете присоединиться к форуму ParaView и быть в курсе последних событий. Инструмент отлично подходит для многих случаев использования, таких как:

• Инструменты анализа климатических данных (CDAT) помогают аналитикам отслеживать, прогнозировать и отслеживать изменения климата.
• Моделирование CFD помогает авиационным командам анализировать и изучать подъемную силу и сопротивление.
• Интуитивно понятное изучение иммерсивных данных.
• ParaView Catalyst и PHASTA помогают в моделировании CFD управления потоком с высокой точностью для профилей крыльев.
• Моделирование ALEGRA в керамической пластине, используемой для проникновения кумулятивной струи
• Коннектор NVIDIA Omniverse ParaView позволяет ученым в интерактивном режиме анализировать климатические и погодные данные, а также их влияние на Землю.

Альтаир

Если вы хотите выполнить расширенное моделирование CFD или изучить тепловые или жидкостные эффекты, связанные с вашей конструкцией, Altair может помочь вам с помощью своих обширных инструментов. Он предоставляет несколько масштабируемых решателей и мощное программное обеспечение для предварительной и последующей обработки CFD для тестирования производительности всей системы и детального анализа компонентов.

Altair CFD использует решатель Навье-Стокса с широкими возможностями анализа теплопередачи, потока, неньютоновских материалов и турбулентности. Он может предложить вам надежное, точное и масштабируемое решение независимо от топологии и качества элементов сетки.

Его передовая технология предлагает оптимизированное энергопотребление и экономическую эффективность с вычислением на базе графического процессора для обеспечения высокой производительности. В результате вы можете моделировать сложные модели на одном сервере и рассчитывать аэроакустику для вращающихся машин, таких как электромоторы, возобновляемые источники энергии и охлаждающие вентиляторы.

Вы можете использовать оптимизированный и специализированный рабочий процесс в Altair HyperWorks с функциями выполнения решателя, предварительной и последующей обработки. Кроме того, Altair CFD также использует метод решетки Больцмана (LBM) для прогнозирования аэродинамических свойств с молниеносной скоростью для легковых автомобилей, гоночных автомобилей, большегрузных автомобилей и легких грузовиков.

Альтаир использует решатель Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) для прогнозирования обтекания сложных геометрических объектов в сложном движении. Кроме того, его инструмент метода дискретных элементов (DEM) точно моделирует и изучает поведение сыпучих материалов для углей, зерен, волокон, порошков и т. Д.

Вы можете рассчитать Altair CFD и EDEM для реалистичного моделирования взаимодействия жидкости и частиц и исследования сложных систем, таких как псевдоожиженный слой, нанесение покрытия распылением, сушка, фильтрация и смешивание твердой и жидкой фаз. Другие инструменты в этом наборе: Altair FlowSimulator для проектирования теплообмена, потока и горения, SimLab для охлаждения электроники и многое другое.

SOLIDWORKS

Если вы являетесь пользователем SOLIDWORKS, вам понравится программное обеспечение SOLIDWORKS Flow Simulation. Он решает проблемы потока жидкости с помощью численного анализа и предлагает динамическую обратную связь для тепловых характеристик вашей продукции и расхода жидкости.

Используя функции параметрической оптимизации, вы можете автоматизировать процесс анализа и проектирования, чтобы найти лучшую итерацию дизайна в знакомой среде САПР. Инструменты позволяют моделировать различные газы и жидкости в различных сценариях.

Его типичные области применения - обтекание коллекторов, электронное охлаждение, теплообменники и аэродинамика. Вы получаете множество инструментов анализа CFD для интеграции FEA, анализа вращающейся системы, анализа внешнего и внутреннего потока, модуля охлаждения электроники, динамики свободной поверхности, исследования частиц и модуля HVAC.

Это программное обеспечение CFD интегрируется с SOLIDWORKS и использует интерфейс САПР для анализа. Он может автоматически распознавать объем жидкости в проекте в зависимости от типа анализа и позволяет запускать несколько сценариев CFD и создавать шаблоны анализа с точными входными данными и параметрами. Вы также можете использовать динамическое построение сетки с автоматическим уточнением сетки для высокой плавности работы.

Вывод

Программное обеспечение для анализа CFD позволяет визуализировать и анализировать проблемы, связанные с потоком жидкости, теплопередачей и т. Д., В конструкции вашего продукта. Вы можете решить эти проблемы быстро и точно, чтобы обеспечить более безопасное и качественное проектирование и разработку продукта.