用于高级产品开发的 10 款最佳 CFD 分析软件

CFD 分析使工程师能够对他们的产品设计进行可视化、测试和分析，以解决与流体流动、传热、湍流、非牛顿材料等相关的问题。

该技术使组织和工程师可以轻松地在任何时间、任何条件下以虚拟方式计算他们的设计效率。 因此，它可以节省时间、精力和金钱。

但之前的过程并没有那么简单。 在模拟或 CFD 分析出现之前，昂贵的物理测试是解决实际问题的唯一手段。 它涉及使用具有大量召回和故障的原型进行严格测试。

除了测试之外，您还需要快速解决问题以将设计投入生产。 CFD 分析软件可以帮助您解决这个问题，这就是我将在本文中讨论的内容。

那么，让我们开始吧。

什么是差价合约？

计算流体动力学 (CFD) 是流体力学的一部分，它利用数据结构和数值计算来分析和解决流体（气体和液体）流动问题，如化学成分、密度和速度。

执行 CFD 分析和解决流体流动问题的工具是 CFD 软件。 它确保从产品设计的早期阶段就使用最佳流程概念，使组件能够在各种条件下高效工作。

CFD 可以轻松分析涉及液-气、流-固或流-液相互作用的复杂流体流动问题。 它使用高级求解器将物理定律从偏微分方程转换为代数方程并有效地求解它们。

工程师和分析师使用计算机来执行这些计算来模拟自由流动的流体及其与表面的相互作用。 使用复杂的计算机或超级计算机，您可以高速获得准确的解决方案，即使是最复杂的问题。

CFD 用于各个领域，例如：

• 航空航天工程模拟飞机的空气动力学、湍流/层流、可压缩/不可压缩流、翼型设计、旋转机器等。
• 电子制造，如电池模拟、冷却等
• 供暖、通风和空调 (HVAC)
• 汽车模拟汽车零件、管道和阀门的空气动力学
• 预防气蚀
• 运动器材等等

CFD 分析如何工作？

一般而言，CFD 分析包括三个主要阶段：

预处理：这是流体流动问题转化为离散和理想的计算机模型的时候。 工程师和分析师根据流动类型做出一些假设，例如可压缩、不可压缩、稳定、瞬态、粘性、非粘性等。他们还创建网格并在相互作用的表面上应用边界条件。

求解： CFD 分析使用强大的求解器，对流体流动问题或方程进行实际计算，并提供准确、快速的解决方案。

后处理：分析师对最后阶段的结果进行可视化和分析，以表格、图表、动画等形式得出结论。

CFD 分析的好处是什么？

CFD 分析在很多方面有利于产品开发：

#1. 效率

如果通过传统的测试和计算手动完成，分析和求解复杂方程将花费大量时间。 但是 CFD 分析软件可以快速准确地求解复杂的流体流动方程，为您节省精力和时间。

#2. 更灵活

您可以通过手动方式一次测量有限的数量。 但是，由于出色的计算能力，CFD 分析可让您以高分辨率同时测量所需的所有物理量。 它有助于将您的设计快速转移到物理测试和制造阶段。

#3. 实际反馈

工程师可以借助 CFD 分析在施工前创建设计并测试效率。 它允许您在软件中轻松更改模型的形状、结构、大小、比例等，并最终确定最有效的模型。

#4. 真实体验

模拟包括各种真实世界的现象和条件，如风的运动、重力、光速等。因此，您可以生成环境条件并针对这些条件测试您的设计，以了解它们的性能和行为。

现在，让我们看看市场上一些最好的 CFD 分析工具。

欧特克差价合约

Autodesk CFD 是一款非常出色的 CFD 仿真软件，可供分析师和工程师智能地预测气体和液体的流动和行为。 它有助于最大限度地减少对不同物理原型的要求，以深入了解流体流动以提高设计性能。

您可以在此 CFD 软件和热仿真工具中获得许多具有顶级性能的功能。 使用该工具，您可以在投入生产之前比较设计以了解其中的流体行为。 此外，您可以改进流量控制应用的压力分布，并为所有传热模型（从固体-固体或固体-流体）求解方程。

Autodesk CFD 允许您将其连接到 Fusion 360 以启用 CAD 修改和简化。 您还可以使用网格自动化和几何来确定网格大小，在 HPC 服务器上、远程或本地运行多项分析，以灵活地求解大型模型。

该软件可让您优化设计，以提高 MEP 和建筑应用的建筑效率。 您还可以模拟气体和液体之间的界面，对各种流动现象（如溢出、晃动和波浪）进行建模，并开发自定义方程以获得可视化结果。

您可以在 Autodesk CFD 上找到的更多功能包括 CAD 连接、模拟散热器组件性能和粒子追踪，以更好地了解流动方向和循环。 它还支持标量混合、辐射建模、分析旋转设备以及对冷凝和湿度进行建模。

除此之外，分析太阳能热负荷和烟雾可见性、可定制且干净的用户界面、数据驱动的结果以及通过 API 编写的自动化脚本也是该 CFD 软件的重要功能。

模拟量表

SimScale 的 CFD 软件基于云，可让您通过在线仿真测试、验证、优化和迭代您的设计。 它支持 Web 浏览器中的所有进程，因此您无需为有限的计算能力、高成本和可访问性而烦恼。

由于瞬态模拟需要更多的资金和时间来产生准确的结果，SimScale 的 CFD 软件解决了这个问题。 这种基于 GPU 的求解器利用 Lattice-Boltzmann 方法 (LBM) 来提供高精度和无与伦比的速度。

他们还与 Numeric Systems GmbH 合作，使用 Pacefish 创建了这种开箱即用的功能。 结果，瞬态仿真时间从几天和几周减少到几分钟和几小时。 此外，该软件在多个 GPU 上并行运行，与标准流程相比，周转时间缩短了 20 到 30 倍。

SimScale 支持多种湍流建模类型，如 Smagorinsky、k-omega SST、Hybrid SST-IDDES 和 SST-DDES。 由于流体可压缩性是一个重要的考虑因素，该工具支持准确地模拟可压缩和不可压缩流体，以帮助您进行更安全、更优质的产品设计和开发。

SimScale 的 CFD 软件可以使用精确的数值方法求解复杂的流体流动方程。 因此，它适用于设计飞机、翼型、管道、阀门等的部件。 除了瞬态和稳态模拟外，它还适用于湍流和层流。 因此，它可用于设计管道、烟雾传播、洁净室和旋风分离器。

该软件提供热模拟功能，借助流体体积 (VoF) 方法对多物种或多相流进行建模。 它还利用 OpenFOAM 求解器来分析两种非混合流体，如水和油，对过程工程和海洋应用非常有用。

使用多参考框架 (MRF) 或旋转边界条件运行稳态仿真，并使用任意网格接口 (AMI) 进行瞬态仿真。 您还可以模拟和评估涉及 6 个自由度 (DoF) 的实体运动，适用于造船和管道设计。

安思系统

每个设计工程师都必须使用或至少听说过 Ansys，它提供了出色的 CFD 仿真工具，可帮助您更快、更好地做出决策。 他们的 CFD 模拟提供了准确的结果和强大的计算能力，并且已经过质量验证。

CFD 工具直观且功能强大，可帮助您提高产品的安全性和性能，同时减少开发工作和时间。 此外，它们可确保几乎没有错误，并为使用工业级高效求解器进行创新和生产优化产品提供了极大的可能性。

无论您是在寻找执行有效飞行中结冰模拟的方法还是最大限度地提高内燃机 (IC) 发动机的效率，Ansys 都有可以帮助您的工具。 它们用户友好且先进，可以节省您的时间并帮助提高您的生产力。

他们提供的一些差价合约产品是：

• Ansys Fluent 用于高精度的高级建模
• Ansys CFX 可在涡轮机械应用中实现出色的速度、稳健性和准确性
• Ansys Chemkin-Pro 是一款高级 CFD 工具，用于对复杂的化学反应系统进行建模

此外，他们还提供其他相关工具，例如 Ansys BladeModeler、Ansys Rocky、Ansys Vista TF、Ansys TurboGrid、Ansys Polyflow、Ansys Model Fuel Library、Ansys FENSAP-ICE、Ansys EnSight 和 Ansys Forte。

开放泡沫

OpenFOAM 于 2004 年发布，是由 OpenCFD 开发的开源免费 CFD 软件。 它在全球大多数科学和工程领域拥有重要的用户群，包括学术和商业组织。

OpenFOAM 提供了大量适用于解决简单到复杂流体流动的功能，例如化学反应、传热、湍流、固体力学、电磁学和声学。 此外，OpenFOAM 的开发者社区不断为其开发做出贡献，他们还包括客户赞助的开发，每 6 个月发布一次新版本。

它由 ESI-OpenCFD 的应用程序专家、选定的客户和开发合作伙伴独立测试。 他们对软件进行严格的测试以保证质量。 代码评估过程、验证和验证包括每天数百个单元测试。

CFD 模块

Consol 的 CFD 建模软件 - CFD 模块允许您定义模型并求解它们以研究具有流体流动的系统。 它也适用于包含流体流动和物理现象组合的系统，这意味着它适用于单相和多相流。

CFD 模块提供了对不同流体流动分析的基石进行建模的工具，例如：

• 可压缩和不可压缩流
• 湍流和层流
• 在自由或多孔介质和开放区域中流动
• 薄膜流动

该软件通过结构流接口实现这些功能，以定义、分析和解决 3D、2D 和 2D 轴对称中的稳态和瞬态流问题。 此外，它还提供定制功能来解决与高马赫数流动、非牛顿流动和旋转机械有关的问题。

CFD 模块可以模拟同一环境中的反应流和共轭传热，让您同时分析流动问题。 除此之外，它还提供了更多的多物理场功能，例如流固耦合，您可以通过将软件与其他 Comsol 模块结合来启用这些功能。

模拟中心

借助西门子的 Simcenter CFD 仿真软件，分析和预测实际产品性能。 这种行业领先的 CFD 分析工具可以快速、精确地模拟涉及流体、结构和相关物理的各种工程问题。

无论您是设计师、CFD 工程师还是研究人员，该软件都可以帮助您分析复杂的流体流动问题并将获得的见解转化为开发创新产品。 它还可以使用网格变形、重叠网格或两者的组合轻松模拟涉及多个移动和交互部件的问题。

此外，您可以将移动网格特征用于稳定或瞬态模拟和参数化研究。 这提供了一种轻松的方式来替换或重新定位对象并研究不同的设计配置。 Simcenter CFD 软件提供拉格朗日和欧拉建模功能，以准确满足不同的仿真需求。

更不用说，这是第一个包含 DEM 功能和数值流模拟的商业工程模拟器。 它可以帮助您分析湍流如何与反应流相互作用，以确保产品在各种操作条件下都能正常工作。

此外，您可以获得一个包含精确模型的广泛库，用于预测气动声学源，如稳态模型、DES/LES 和传播模型。 您还可以使用几何规格和性能的电池模拟来验证您的数字锂离子电池设计。

流方

此列表中的另一个免费 CFD 软件是 Flowsquare——一种二维 CFD 软件，用于分析非定常和非反应性/反应性流体流动以及亚音速或超音速流动。 它为 CFD 分析提供了一个方便的环境，旨在让更多人更接近这项技术并模拟流程以满足他们的学术或教育兴趣。

大多数商业 CFD 工具成本高昂，需要专业知识和大量计算资源，并非每个人都可以使用它们，但 Flowsquare 是免费的且易于使用。 它不需要精通网格划分、CAD 编程和预处理/后处理等技能。 您可以首先使用 Microsoft Paint 等任何绘画工具绘制一个简单的模拟场。

使用 1-2 张位图图像和单个文本文件设置计算域。 在这里，您可以实时执行可视化并将其保存为位图文件。 它具有用于颜色、矢量轮廓、拉格朗日粒子和图形的内置可视化工具。

Flowsquare 使用高度灵活的数值条件和方案，模拟数据以二进制格式提供，用于后处理。 它在全球范围内被个人、公司和教育机构用于多种用途。

视界

ParaView 是一个多平台和开源的数据可视化和分析软件。 它允许您在定性和定量方法的帮助下快速创建可视化并分析其数据。

ParaView 的 CFD 模拟使您能够研究升力、阻力、气流等，以帮助提高设计效率。 它还能够分析具有分布式计算内存资源的海量数据集。 此外，您可以使用软件的批处理功能以交互方式或以 3D 方式进行数据探索。

您可以在超级计算机上运行 ParaView 并分析千万亿级数据集或在您的笔记本电脑上分析次要数据。 这种多功能性使其适用于不同的行业、大学和国家实验室。 更重要的是，它因其高计算和性能而获得了多个奖项。

将 ParaView 用于您的下一个项目，并从他们的高级服务和研发解决方案中受益。 您还可以加入 ParaView 论坛并随时了解最新进展。 该工具非常适合许多用例，例如：

• 气候数据分析工具 (CDAT) 可帮助分析师监测、预测和跟踪气候变化。
• CFD 模拟帮助航空团队分析和研究升力和阻力
• 直观地探索沉浸式数据。
• ParaView Catalyst 和 PHASTA 有助于对机翼轮廓进行高保真度的流量控制 CFD 模拟。
• 用于聚能射流穿透的陶瓷板中的 ALEGRA 模拟
• NVIDIA Omniverse ParaView 连接器使科学家能够以交互方式分析气候和天气数据及其对地球的影响。

牵牛星

无论您是要执行高级 CFD 建模还是研究与您的设计相关的热效应或流体效应，Altair 都可以使用其广泛的工具为您提供帮助。 它提供了多个可扩展的求解器和强大的预处理和后处理 CFD 软件，以测试完整的系统性能并详细分析组件。

Altair CFD 使用 Navier-Stokes 求解器，该求解器具有广泛的传热、流动、非牛顿材料和湍流分析功能。 无论网格元素的拓扑结构和质量如何，它都能为您提供强大、准确且可扩展的解决方案。

其先进技术通过基于 GPU 的计算提供优化的能源和成本效率，以实现高性能。 因此，您可以在单个服务器上模拟复杂模型，并计算电机、可再生能源和冷却风扇等旋转机器的气动声学。

您可以在 Altair HyperWorks 中利用具有求解器执行、预处理和后处理功能的简化且专用的工作流程。 此外，Altair CFD 还使用格子玻尔兹曼方法 (LBM) 以闪电般的速度预测乘用车、赛车、重型车辆和轻型卡车的空气动力学特性。

Altair 使用平滑粒子流体动力学 (SPH) 求解器来预测复杂运动中复杂几何形状周围的流动。 此外，其离散元方法 (DEM) 工具可准确模拟和研究煤、谷物、纤维、粉末等的颗粒材料行为。

您可以计算 Altair CFD 和 EDEM，以真实地模拟流体和粒子的相互作用，并研究流化床、喷涂、干燥、过滤和固液混合等复杂系统。 该套件中的其他工具包括用于传热、流动和燃烧设计的 Altair FlowSimulator、用于电子冷却的 SimLab 等。

扎实的作品

如果您是 SOLIDWORKS 用户，您会喜欢 SOLIDWORKS Flow Simulation 软件。 它使用数值分析处理流体流动问题，并为您的产品的热性能和流体流动提供动态反馈。

使用参数化优化功能，您可以自动化分析和设计过程，以在熟悉的 CAD 环境中找到最佳设计迭代。 这些工具使您能够在不同场景下模拟不同种类的气体和液体。

其典型应用是围绕歧管流动、电子冷却、热交换器和空气动力学。 您可以获得许多用于 FEA 集成、旋转系统分析、外部和内部流动分析、电子冷却模块、自由表面动力学、粒子研究和 HVAC 模块的 CFD 分析工具。

此 CFD 软件与 SOLIDWORKS 集成并使用 CAD 界面进行分析。 它可以根据分析类型自动识别设计中的流体体积，并允许您运行多个 CFD 场景并创建具有准确输入和参数的分析模板。 您还可以利用动态网格划分和自动网格细化进行高流动性活动。

结论

CFD 分析软件允许您可视化和分析产品设计中有关流体流动、传热等的问题。 您可以快速准确地解决这些问题，从而实现更安全、更优质的产品设计和开发。