用於高級產品開發的 10 款最佳 CFD 分析軟件

CFD 分析使工程師能夠對他們的產品設計進行可視化、測試和分析，以解決與流體流動、傳熱、湍流、非牛頓材料等相關的問題。

該技術使組織和工程師可以輕鬆地在任何時間、任何條件下以虛擬方式計算他們的設計效率。 因此，它可以節省時間、精力和金錢。

但之前的過程並沒有那麼簡單。 在模擬或 CFD 分析出現之前，昂貴的物理測試是解決實際問題的唯一手段。 它涉及使用具有大量召回和故障的原型進行嚴格測試。

除了測試之外，您還需要快速解決問題以將設計投入生產。 CFD 分析軟件可以幫助您解決這個問題，這就是我將在本文中討論的內容。

那麼，讓我們開始吧。

什麼是差價合約？

計算流體動力學 (CFD) 是流體力學的一部分，它利用數據結構和數值計算來分析和解決流體（氣體和液體）流動問題，如化學成分、密度和速度。

執行 CFD 分析和解決流體流動問題的工具是 CFD 軟件。 它確保從產品設計的早期階段就使用最佳流程概念，使組件能夠在各種條件下高效工作。

CFD 可以輕鬆分析涉及液-氣、流-固或流-液相互作用的複雜流體流動問題。 它使用高級求解器將物理定律從偏微分方程轉換為代數方程並有效地求解它們。

工程師和分析師使用計算機來執行這些計算來模擬自由流動的流體及其與表面的相互作用。 使用複雜的計算機或超級計算機，您可以高速獲得準確的解決方案，即使是最複雜的問題。

CFD 用於各個領域，例如：

• 航空航天工程模擬飛機的空氣動力學、湍流/層流、可壓縮/不可壓縮流、翼型設計、旋轉機器等。
• 電子製造，如電池模擬、冷卻等
• 供暖、通風和空調 (HVAC)
• 汽車模擬汽車零件、管道和閥門的空氣動力學
• 預防氣蝕
• 運動器材等等

CFD 分析如何工作？

一般而言，CFD 分析包括三個主要階段：

預處理：這是流體流動問題轉化為離散和理想的計算機模型的時候。 工程師和分析師根據流動類型做出一些假設，例如可壓縮、不可壓縮、穩定、瞬態、粘性、非粘性等。他們還創建網格並在相互作用的表面上應用邊界條件。

求解： CFD 分析使用強大的求解器，對流體流動問題或方程進行實際計算，並提供準確、快速的解決方案。

後處理：分析師對最後階段的結果進行可視化和分析，以表格、圖表、動畫等形式得出結論。

CFD 分析的好處是什麼？

CFD 分析在很多方面有利於產品開發：

#1. 效率

如果通過傳統的測試和計算手動完成，分析和求解複雜方程將花費大量時間。 但是 CFD 分析軟件可以快速準確地求解複雜的流體流動方程，為您節省精力和時間。

#2. 更靈活

您可以通過手動方式一次測量有限的數量。 但是，由於出色的計算能力，CFD 分析可讓您以高分辨率同時測量所需的所有物理量。 它有助於將您的設計快速轉移到物理測試和製造階段。

#3. 實際反饋

工程師可以藉助 CFD 分析在施工前創建設計並測試效率。 它允許您在軟件中輕鬆更改模型的形狀、結構、大小、比例等，並最終確定最有效的模型。

#4. 真實體驗

模擬包括各種真實世界的現象和條件，如風的運動、重力、光速等。因此，您可以生成環境條件並針對這些條件測試您的設計，以了解它們的性能和行為。

現在，讓我們看看市場上一些最好的 CFD 分析工具。

歐特克差價合約

Autodesk CFD 是一款非常出色的 CFD 仿真軟件，可供分析師和工程師智能地預測氣體和液體的流動和行為。 它有助於最大限度地減少對不同物理原型的要求，以深入了解流體流動以提高設計性能。

您可以在此 CFD 軟件和熱仿真工具中獲得許多具有頂級性能的功能。 使用該工具，您可以在投入生產之前比較設計以了解其中的流體行為。 此外，您可以改進流量控制應用的壓力分佈，並為所有傳熱模型（從固體-固體或固體-流體）求解方程。

Autodesk CFD 允許您將其連接到 Fusion 360 以啟用 CAD 修改和簡化。 您還可以使用網格自動化和幾何來確定網格大小，在 HPC 服務器上、遠程或本地運行多項分析，以靈活地求解大型模型。

該軟件可讓您優化設計，以提高 MEP 和建築應用的建築效率。 您還可以模擬氣體和液體之間的界面，對各種流動現象（如溢出、晃動和波浪）進行建模，並開發自定義方程以獲得可視化結果。

您可以在 Autodesk CFD 上找到的更多功能包括 CAD 連接、模擬散熱器組件性能和粒子追踪，以更好地了解流動方向和循環。 它還支持標量混合、輻射建模、分析旋轉設備以及對冷凝和濕度進行建模。

除此之外，分析太陽能熱負荷和煙霧可見性、可定制且乾淨的用戶界面、數據驅動的結果以及通過 API 編寫的自動化腳本也是該 CFD 軟件的重要功能。

模擬量表

SimScale 的 CFD 軟件基於雲，可讓您通過在線仿真測試、驗證、優化和迭代您的設計。 它支持 Web 瀏覽器中的所有進程，因此您無需為有限的計算能力、高成本和可訪問性而煩惱。

由於瞬態模擬需要更多的資金和時間來產生準確的結果，SimScale 的 CFD 軟件解決了這個問題。 這種基於 GPU 的求解器利用 Lattice-Boltzmann 方法 (LBM) 來提供高精度和無與倫比的速度。

他們還與 Numeric Systems GmbH 合作，使用 Pacefish 創建了這種開箱即用的功能。 結果，瞬態仿真時間從幾天和幾週減少到幾分鐘和幾小時。 此外，該軟件在多個 GPU 上並行運行，與標準流程相比，周轉時間縮短了 20 到 30 倍。

SimScale 支持多種湍流建模類型，如 Smagorinsky、k-omega SST、Hybrid SST-IDDES 和 SST-DDES。 由於流體可壓縮性是一個重要的考慮因素，該工具支持準確地模擬可壓縮和不可壓縮流體，以幫助您進行更安全、更優質的產品設計和開發。

SimScale 的 CFD 軟件可以使用精確的數值方法求解複雜的流體流動方程。 因此，它適用於設計飛機、翼型、管道、閥門等的部件。 除了瞬態和穩態模擬外，它還適用於湍流和層流。 因此，它可用於設計管道、煙霧傳播、潔淨室和旋風分離器。

該軟件提供熱模擬功能，借助流體體積 (VoF) 方法對多物種或多相流進行建模。 它還利用 OpenFOAM 求解器來分析兩種非混合流體，如水和油，對過程工程和海洋應用非常有用。

使用多參考框架 (MRF) 或旋轉邊界條件運行穩態仿真，並使用任意網格接口 (AMI) 進行瞬態仿真。 您還可以模擬和評估涉及 6 個自由度 (DoF) 的實體運動，適用於造船和管道設計。

安思系統

每個設計工程師都必須使用或至少聽說過 Ansys，它提供了出色的 CFD 仿真工具，可幫助您更快、更好地做出決策。 他們的 CFD 模擬提供了準確的結果和強大的計算能力，並且已經過質量驗證。

CFD 工具直觀且功能強大，可幫助您提高產品的安全性和性能，同時減少開發工作和時間。 此外，它們可確保幾乎沒有錯誤，並為使用工業級高效求解器進行創新和生產優化產品提供了極大的可能性。

無論您是在尋找執行有效飛行中結冰模擬的方法還是最大限度地提高內燃機 (IC) 發動機的效率，Ansys 都有可以幫助您的工具。 它們用戶友好且先進，可以節省您的時間並幫助提高您的生產力。

他們提供的一些差價合約產品是：

• Ansys Fluent 用於高精度的高級建模
• Ansys CFX 可在渦輪機械應用中實現出色的速度、穩健性和準確性
• Ansys Chemkin-Pro 是一款高級 CFD 工具，用於對複雜的化學反應系統進行建模

此外，他們還提供其他相關工具，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。

開放泡沫

OpenFOAM 於 2004 年發布，是由 OpenCFD 開發的開源免費 CFD 軟件。 它在全球大多數科學和工程領域擁有重要的用戶群，包括學術和商業組織。

OpenFOAM 提供了大量適用於解決簡單到復雜流體流動的功能，例如化學反應、傳熱、湍流、固體力學、電磁學和聲學。 此外，OpenFOAM 的開發者社區不斷為其開發做出貢獻，他們還包括客戶贊助的開發，每 6 個月發布一次新版本。

它由 ESI-OpenCFD 的應用程序專家、選定的客戶和開發合作夥伴獨立測試。 他們對軟件進行嚴格的測試以保證質量。 代碼評估過程、驗證和驗證包括每天數百個單元測試。

CFD 模塊

Consol 的 CFD 建模軟件 - CFD 模塊允許您定義模型並求解它們以研究具有流體流動的系統。 它也適用於包含流體流動和物理現象組合的系統，這意味著它適用於單相和多相流。

CFD 模塊提供了對不同流體流動分析的基石進行建模的工具，例如：

• 可壓縮和不可壓縮流
• 湍流和層流
• 在自由或多孔介質和開放區域中流動
• 薄膜流動

該軟件通過結構流接口實現這些功能，以定義、分析和解決 3D、2D 和 2D 軸對稱中的穩態和瞬態流問題。 此外，它還提供定制功能來解決與高馬赫數流動、非牛頓流動和旋轉機械有關的問題。

CFD 模塊可以模擬同一環境中的反應流和共軛傳熱，讓您同時分析流動問題。 除此之外，它還提供了更多的多物理場功能，例如流固耦合，您可以通過將軟件與其他 Comsol 模塊結合來啟用這些功能。

模擬中心

借助西門子的 Simcenter CFD 仿真軟件，分析和預測實際產品性能。 這種行業領先的 CFD 分析工具可以快速、精確地模擬涉及流體、結構和相關物理的各種工程問題。

無論您是設計師、CFD 工程師還是研究人員，該軟件都可以幫助您分析複雜的流體流動問題並將獲得的見解轉化為開發創新產品。 它還可以使用網格變形、重疊網格或兩者的組合輕鬆模擬涉及多個移動和交互部件的問題。

此外，您可以將移動網格特徵用於穩定或瞬態模擬和參數化研究。 這提供了一種輕鬆的方式來替換或重新定位對象並研究不同的設計配置。 Simcenter CFD 軟件提供拉格朗日和歐拉建模功能，以準確滿足不同的仿真需求。

更不用說，這是第一個包含 DEM 功能和數值流模擬的商業工程模擬器。 它可以幫助您分析湍流如何與反應流相互作用，以確保產品在各種操作條件下都能正常工作。

此外，您可以獲得一個包含精確模型的廣泛庫，用於預測氣動聲學源，如穩態模型、DES/LES 和傳播模型。 您還可以使用幾何規格和性能的電池模擬來驗證您的數字鋰離子電池設計。

流方

此列表中的另一個免費 CFD 軟件是 Flowsquare——一種二維 CFD 軟件，用於分析非定常和非反應性/反應性流體流動以及亞音速或超音速流動。 它為 CFD 分析提供了一個方便的環境，旨在讓更多人更接近這項技術並模擬流程以滿足他們的學術或教育興趣。

大多數商業 CFD 工具成本高昂，需要專業知識和大量計算資源，並非每個人都可以使用它們，但 Flowsquare 是免費的且易於使用。 它不需要精通網格劃分、CAD 編程和預處理/後處理等技能。 您可以首先使用 Microsoft Paint 等任何繪畫工具繪製一個簡單的模擬場。

使用 1-2 張位圖圖像和單個文本文件設置計算域。 在這裡，您可以實時執行可視化並將其保存為位圖文件。 它具有用於顏色、矢量輪廓、拉格朗日粒子和圖形的內置可視化工具。

Flowsquare 使用高度靈活的數值條件和方案，模擬數據以二進制格式提供，用於後處理。 它在全球範圍內被個人、公司和教育機構用於多種用途。

視界

ParaView 是一個多平台和開源的數據可視化和分析軟件。 它允許您在定性和定量方法的幫助下快速創建可視化並分析其數據。

ParaView 的 CFD 模擬使您能夠研究升力、阻力、氣流等，以幫助提高設計效率。 它還能夠分析具有分佈式計算內存資源的海量數據集。 此外，您可以使用軟件的批處理功能以交互方式或以 3D 方式進行數據探索。

您可以在超級計算機上運行 ParaView 並分析千萬億級數據集或在您的筆記本電腦上分析次要數據。 這種多功能性使其適用於不同的行業、大學和國家實驗室。 更重要的是，它因其高計算和性能而獲得了多個獎項。

將 ParaView 用於您的下一個項目，並從他們的高級服務和研發解決方案中受益。 您還可以加入 ParaView 論壇並隨時了解最新進展。 該工具非常適合許多用例，例如：

• 氣候數據分析工具 (CDAT) 可幫助分析師監測、預測和跟踪氣候變化。
• CFD 模擬幫助航空團隊分析和研究升力和阻力
• 直觀地探索沉浸式數據。
• ParaView Catalyst 和 PHASTA 有助於對機翼輪廓進行高保真度的流量控制 CFD 模擬。
• 用於聚能射流穿透的陶瓷板中的 ALEGRA 模擬
• NVIDIA Omniverse ParaView 連接器使科學家能夠以交互方式分析氣候和天氣數據及其對地球的影響。

牽牛星

無論您是要執行高級 CFD 建模還是研究與您的設計相關的熱效應或流體效應，Altair 都可以使用其廣泛的工具為您提供幫助。 它提供了多個可擴展的求解器和強大的預處理和後處理 CFD 軟件，以測試完整的系統性能並詳細分析組件。

Altair CFD 使用 Navier-Stokes 求解器，該求解器具有廣泛的傳熱、流動、非牛頓材料和湍流分析功能。 無論網格元素的拓撲結構和質量如何，它都能為您提供強大、準確且可擴展的解決方案。

其先進技術通過基於 GPU 的計算提供優化的能源和成本效率，以實現高性能。 因此，您可以在單個服務器上模擬複雜模型，併計算電機、可再生能源和冷卻風扇等旋轉機器的氣動聲學。

您可以在 Altair HyperWorks 中利用具有求解器執行、預處理和後處理功能的簡化且專用的工作流程。 此外，Altair CFD 還使用格子玻爾茲曼方法 (LBM) 以閃電般的速度預測乘用車、賽車、重型車輛和輕型卡車的空氣動力學特性。

Altair 使用平滑粒子流體動力學 (SPH) 求解器來預測複雜運動中復雜幾何形狀周圍的流動。 此外，其離散元方法 (DEM) 工具可準確模擬和研究煤、穀物、纖維、粉末等的顆粒材料行為。

您可以計算 Altair CFD 和 EDEM，以真實地模擬流體和粒子的相互作用，並研究流化床、噴塗、乾燥、過濾和固液混合等複雜系統。 該套件中的其他工具包括用於傳熱、流動和燃燒設計的 Altair FlowSimulator、用於電子冷卻的 SimLab 等。

紮實的​​作品

如果您是 SOLIDWORKS 用戶，您會喜歡 SOLIDWORKS Flow Simulation 軟件。 它使用數值分析處理流體流動問題，並為您的產品的熱性能和流體流動提供動態反饋。

使用參數化優化功能，您可以自動化分析和設計過程，以在熟悉的 CAD 環境中找到最佳設計迭代。 這些工具使您能夠在不同場景下模擬不同種類的氣體和液體。

其典型應用是圍繞歧管流動、電子冷卻、熱交換器和空氣動力學。 您可以獲得許多用於 FEA 集成、旋轉系統分析、外部和內部流動分析、電子冷卻模塊、自由表面動力學、粒子研究和 HVAC 模塊的 CFD 分析工具。

此 CFD 軟件與 SOLIDWORKS 集成並使用 CAD 界面進行分析。 它可以根據分析類型自動識別設計中的流體體積，並允許您運行多個 CFD 場景並創建具有準確輸入和參數的分析模板。 您還可以利用動態網格劃分和自動網格細化進行高流動性活動。

結論

CFD 分析軟件允許您可視化和分析產品設計中有關流體流動、傳熱等的問題。 您可以快速準確地解決這些問題，從而實現更安全、更優質的產品設計和開發。