作者：高飞李昕编著
出版社：人民邮电出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
ANSYSCFX14.0超级学习手册试读：
前言
ANSYS CFX 是一款功能强大的CFD 工程分析软件，作为全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD 软件，ANSYS CFX 诞生于工业应用背景中，一直将精确的计算结果、丰富的物理模型和强大的用户扩展性作为其发展的基本要求，并凭借这些方面的卓越成就，引领着CFD 技术的不断发展。ANSYS CFX 14.0 是ANSYS 公司推出的最新版本，较以前的版本在性能方面有了较大的改善。
CFX软件主要有以下几个特色功能：先进的全隐式耦合多网格线性求解器，收敛速度快（同等条件下比其他流体软件快1～2个数量级），可以读入多种形式的网格，并能在计算中自动加密/稀疏网格，优秀的并行计算能力，强大的前后处理功能，丰富的物理模型，可以真实模拟各种工业流动，简单友好的用户界面，方便多物理场耦合，支持Work-Bench集成。
作为目前国际上比较流行的商业CFD软件，只要涉及流体、热传递及化学反应和燃烧等的工程问题，都可以用CFX 进行求解。ANSYS CFX 在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面有着广泛的应用。例如，在石油天然气工业上的应用就包括燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散/聚集、多项流、管道流动等。
CFX可计算的物理问题包括可压与不可压流体、耦合传热、热辐射、多相流、粒子输送过程、化学反应和燃烧问题。还拥有诸如气蚀、凝固、沸腾、多孔介质、相间传质、非牛顿流、喷雾干燥、动静干涉、真实气体等大批复杂现象的使用模型。
本书结构清晰、由浅入深，从结构上主要分为基础部分和案例部分两大类，在讲解基础知识的过程中穿插对实例的讲解，在综合介绍的过程中也同步回顾重点的基础知识。本书共分为15章，由浅入深，环环相扣，主要内容安排如下。
第1章 介绍了流体力学的基础知识，讲解了计算流体力学的基本概念，介绍了常用的CFD商用软件，让读者可以掌握计算流体力学的基本概念，了解目前常用的CFD商用软件。
第2章 介绍了CFX 软件的结构和计算分析过程中所用到的文件类型，让读者可以掌握CFX的基本功能。
第3章 首先介绍了建立几何模型的基本知识，然后讲解了DesignModeler 建立几何模型的基本过程，让读者可以掌握DesignModeler的使用方法。本章最后一节给出了通过其他CAD软件导入模型的方法。
第4章 介绍了网格生成的基本知识，讲解了ICEM CFD 划分网格的基本过程，最后给出了运用ICEM CFD 划分网格的典型实例，让读者可以掌握ICEM CFD 的使用方法。
第5章 介绍了CFX 前处理器创建新项目、导入网格、定义模拟类型、创建计算域、指定边界条件、给出初始条件、定义求解控制、定义输出数据和写入定义文件并求解等功能，让读者可以掌握CFX 前处理器CFX- Pre 的使用方法。
第6章 讲解了CFX 求解管理器CFX-Solver Manager 的启动过程，介绍了CFX 求解管理器的工作界面及其基本功能，让读者可以掌握CFX求解管理器的使用方法。
第7章 介绍了CFD-Post 的启动方法和工作界面，以及生成点、点云、直线、平面、体、等值面等位置，创建云图、矢量图、流线图等对象的方法，让读者可以掌握CFX后理器CFD-Post的使用方法。
第8章 通过U 形管、弯管混合器、静止混合器和离心泵等内部流动的实例介绍了CFX处理内部流动的工作流程，让读者可以掌握CFX模拟的基本操作和实现最简单的模拟的方法，通过按步骤完成所列实例，可以掌握CFX前处理和后处理的基本操作，对CFX模拟有初步的认识。
第9章 通过空气绕流建筑物、机翼超音速流动和飞机机翼的压力计算实例介绍了CFX处理外部流动的工作流程，让读者可以掌握CFX处理外部流动的基本思路，可以模拟出流体在模型外表面的绕流情况。
第10章 通过轴承盖传热、铜盘管换热、室内温度计算和散热板传热计算实例分别介绍了CFX处理传热和热交换流动的工作流程，让读者可以掌握CFX中表达式的运用，传热模型的设定和物质属性的设定，进而了解利用CFX解决传热、换热问题的方法。
第11章 通过酸碱中和反应、燃气涡轮发动机的甲烷燃烧实例分别介绍了 CFX处理化学反应和燃烧反应的基本思路，让读者可以掌握CFX中CCL文件的使用及表达式的运用，同时掌握CFX中参数修改设置和燃烧模型的设定，基本掌握CFX处理化学反应问题和气体燃烧问题的基本思路和操作，对CFX处理化学反应问题有了初步的认识。
第12章 通过气升式反应器和蝶阀流动实例来介绍CFX 分别采用欧拉- 欧拉模型和欧拉－拉格朗日模型处理多相流的工作流程和相关参数的设定，让读者可以掌握CFX中处理多相流的具体方法和步骤，基本掌握CFX解决多相流的基本思路和操作。
第13章 通过催化转换器和多孔介质催化层实例介绍了 CFX 处理多孔介质的工作流程，讲解了多孔介质模型的创建过程及多孔率、阻损等与多孔介质材料相关属性的设定，让读者可以掌握CFX中多孔介质的设定及采用多孔介质模型解决问题的方法和流程。
第14章 通过管内叶片气体流动和弯管内液体流动实例介绍了CFX 解决稳态问题的分析方法和流程，让读者可以掌握CFX中有关解决稳态问题的基本设定和求解控制及输出设定，基本掌握CFX解决稳态问题的基本思路和操作。
第15章 通过浮力驱动实例和容器内部水位及水流速度计算实例介绍了CFX 处理非稳态流动的工作流程，让读者可以掌握CFX中非稳态计算的设定，非稳态初始值、时间步长的设定，以及求解控制和输出控制的设定。
本书结构合理，叙述详细，算例丰富，既适合包括广大科研工作者、工程师和在校学生等在内的不同层次的读者自学使用，也可以作为大中专院校相关专业的教学参考书。
本书由高飞、李昕编著，另外孔玲军、张建伟、白海波、刘成柱、史洁玉、凌桂龙、唐家鹏、乔建军、孙国强、温正、代晶、贺碧蛟、石良臣、柯维娜等为本书的编写提供了大量的帮助，在此一并表示感谢。
虽然作者在本书的编写过程中力求叙述准确、完善，但由于水平有限，书中欠妥之处在所难免，希望读者和同仁能够及时指出，共同促进本书质量的提高。
读者在学习过程中遇到与本书有关的问题，可以发电子邮件到邮箱book_hai@126.com，或者访问博客http://blog.sina.com.cn/tecbook，编者会尽快给予解答。
第1章 流体力学与计算流体力学基础
CFD 是计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics）的缩写，是指通过数值计算，模拟流体流动时的各种相关物理现象的方法。
为了更深入地理解工程问题，进行合理的仿真分析，本章将介绍流体动力学的基础理论和计算流体力学基础。本章还介绍了常用的CFD软件。
学习目标：
★ 掌握流体动力学分析的基础理论；
★ 掌握计算流体力学的基础知识；
★ 了解常用的CFD 软件。
1.1 流体力学基础
流体作为CFD的研究对象，其性质和流动状态决定了CFD的计算模型及计算方法的选择，决定着流场各物理量的最终分布结果。本节将介绍CFD所涉及的流体及其基本概念和术语。
1.1.1 流体及其基本特性
自然界物质的存在通常为三种状态：固体、液体与气体。这三种物质分子间的结构是不相同的。反映在宏观上，固体能保持其固定的形状和体积；液体有固定的体积，无固定的形状；气体则无固定的形状和体积。
由于液体与气体具有无固定形状、能流动的功能特点，一般称为流体。流体与固体的主要区别在变形方面。
1．连续介质
工程流体力学是一门研究流体宏观运动特性与规律的学科，从宏观角度来讲，对于所讨论的一些实际工程问题，如各种设备、管道等的特征尺寸，往往大于流体的分子距与分子自由程；这些实际工程的时间尺度，远大于分子运动的时间尺度；反映这些宏观运动状态的物理量实际是大量分子的运动所贡献的，是大量分子运动的统计平均值。
瑞士学者欧拉（Euler）在1753年提出了以连续介质的概念为基础的研究方法，该方法在流体力学的发展上起了巨大作用。连续介质的概念认为流体是由流体质点连续地、没有空隙地充满了流体所在的整个空间的连续介质。
再次，作为被研究的流体中最基本要素的流体质点，是指微观上充分大、宏观上充分小的分子团。也就是说，对于质点这个在宏观上非常小的体积内，微观中含有大量的分子，这些分子的运动具有统计平均的特性，使得这个质点所表现的物理量在宏观上是确定的。
这样一来，连续介质认为流体质点是连续而不间断地紧密排列的，那么表征流体特性的各物理量的变化，在时间与空间上是连续变化的。也就是说，这些物理量是空间坐标与时间的单值连续函数。因此，可以利用以连续函数为基础的高等数学来解决工程流体力学的问题。
需要指出的是，流体连续介质的概念对大部分工程实际问题都是正确的，但对某些问题却是不适用的。
如果所研究的问题的特征尺度接近或小于分子的自由程，连续介质的概念将不再适用，如在高空飞行的火箭、导弹，由于空气稀薄，分子的间距很大，可以与物体的特征尺度相比拟，虽然能找到可获得稳定平均值的分子团，显然这个分子团是不能当作质点的。
2．流体黏滞性
流体具有易流动性，观察流体的流动，可以看到不同的流体具有不同的流动特性。对于流动着的流体，若流体质点之间因为相对运动的存在，而产生的内摩擦力以抵抗其相对运动的性质，称为流体的黏滞性，所产生的内摩擦力也称为黏滞力或黏性力。
3．理想流体与黏性流体
黏性是流体内部发生相对运动而引起的内部相互作用。
流体在静止时虽然不能承受切应力，但在运动时，对相邻两层流体间的相对运动，即相对滑动速度却是有抵抗的，这种抵抗力称为黏性应力。流体所具有的这种抵抗两层流体间相对滑动速度或抵抗变形的性质，称为黏性。
黏性的大小依赖于流体的性质，并且随温度的变化显著地发生变化。实验表明，黏性应力的大小与黏性及相对速度成正比。当流体的黏性较小，运动的相对速度也不大时，所产生的黏性应力比起其他类型的力可忽略不计。
此时，我们可以近似地把流体看成是无黏性的，称之为无黏流体，也叫作理想流体。而对于有黏性的流体，则称之为黏性流体。显然，理想流体对于切向变形没有任何抵抗的能力。
这里应该强调指出，真正的理想流体是不存在的，它只是实际流体在某种条件下的一种近似模拟。
4．牛顿流体和非牛顿流体
根据内摩擦剪应力与速度变化率的关系不同，黏性流体又分为牛顿流体和非牛顿流体。
观察近壁面处的流体流动，可以发现，紧靠壁面的流体黏附在壁面上，静止不动，而在流体内部之间黏性所导致的内摩擦力的作用下，靠近这些静止流体的另一层流体受到迟滞作用而速度降低。
流体的内摩擦剪切力τ由牛顿内摩擦定律决定：
式中，Δn——沿法线方向的距离增量；
Δu——对应于Δn的流体速度的增量；
\——法向距离上的速度变化率。
所以牛顿内摩擦定律表示：流体内摩擦应力和单位距离上的两层流体间的相对速度成比例。比例系数μ称为流体的动力黏度，简称黏2度，它的值取决于流体的性质、温度、压力大小，单位是N·s/m。
若μ为常数，则称该类流体为牛顿流体；否则，称为非牛顿流体。空气、水等均为牛顿流体，而聚合物溶液、含有悬浮粒杂质或纤维的流体为非牛顿流体。
对于牛顿流体，通常用μ和质量密度ρ的比值ν来代替动力黏度μ：2
通过量纲分析可知，ν的单位是m/s，由于没有动力学中力的因次，只具有运动学的要素，所以称为运动黏度。
5．流体热传导及扩散
除了黏性外，流体还有热传导和扩散等性质。当流体中存在着温度差时，温度高的地方将向温度低的地方传送热量，这种现象称为热传导。
同样地，当流体混合物中存在着组元的浓度差时，浓度高的地方将向浓度低的地方输送该组元的物质，这种现象称为扩散。
流体的宏观性质，如扩散、黏性和热传导等，是分子输运性质的统计平均。处于分子的不规则运动，在各层流体间交换着质量、动量和能量，使不同流体层内的平均物理量均匀化，这种性质称为分子运动的输运性质。质量输运在宏观上表现为扩散现象，动量输运表现为黏性现象，能量输运表现为热传导现象。
理想流体忽略了黏性，即忽略了分子运动的动量输运性质，因次在理想流体中也不应该考虑质量和能量输运性质——扩散和热传导，因为它们具有相同的微观机制。
6．可压缩流体与不可压缩流体
根据密度ρ是否是常数，流体分为可压与不可压两大类。当密度ρ为常数时，流体为不可压流体；否则为可压流体。空气为可压流体，水为不可压流体。有些可压流体在特定的流动条件下，可以按不可压流体对待；有时也称可压流动与不可压流动。
在可压流动的连续方程中含密度ρ，因而可把ρ视为连续方程中的独立变量进行求解，再根据气体的状态方程求出压力。
7．定常与非定常流动
根据流体流动的物理量（如速度、压力、温度等）是否随时间变化，将流动分为定常与非定常两大类。当流动的物理量不随时间变化，即时，为定常流动，当流动的物理量随时间变化，即时，则为非定常流动。定常流动也称为恒定流动或稳态流动；非定常流动也称为非恒定流动或非稳态流动或瞬态流动。许多流体机械在启动或关机时的流体流动一般是非定常流动，而正常运转时可看作是定常流动。
8．层流与湍流
自然界中的流体流动状态主要有两种形式，即层流和湍流。层流是指流体在流动过程中两层之间没有互相混掺，而湍流是指流体流动不是处于层流流动状态，一般来说，湍流是普遍的，而层流则属于个别情况。
对于圆管内流动，定义雷诺数Re=ud/ν。其中：u为液体流速，ν为运动黏度，d为管径。当Re≤2300时，管流一定为层流；Re≥8000～120000时，管流一定为湍流；当2300＜ Re ＜8000时，流动处于层流与湍流间的过渡区。
对于一般流动，在计算雷诺数时，可用水力半径R代替上式中的d。这里R=A/x，A为通流截面积，x为湿周，对于液体，x等于在通流截面上与固体接触的周界长度，不包括自由液面以上的气体与固体接触的部分；对于气体，它等于通流截面的周界长度。
1.1.2 流体运动的分类和描述方法
1．流体运动的分类（1）按运动形式分：若rotν=0，则流体做无旋运动；若rotν≠0，则流体做有旋运动。（2）按时间变化分：若，则流体做定常运动；，则流体做不定常运动。（3）按空间变化分：流体的运动有一维运动、二维运动和三维运动。
2．描述流体运动的两种方法：拉格朗日法和欧拉法
拉格朗日法：研究流场中每一个流体质点的运动规律，分析运动参数随时间的变化规律，然后综合所有的流体质点，得到整个流场的运动规律。拉格朗日法着眼于流体质点，将运动参数作空间位置与时间的函数。
例如，在现代空战中，“锁定目标”即抓住一个目标不放，拉格朗日法中的流体质点若是理解为飞机，则拉格朗日法即可理解为“跟踪监视”目标。
欧拉法：研究某瞬时整个流场内位于不同位置上流体质点的运动参数，然后综合所有空间点，用于描述整个流场。
欧拉法着眼于空间点，将运动参数看作空间坐标和事件的函数，因此其定义区域为场。即在一个特定区域，密切观察整个区域内部的流体质点的运动，从而给出流动的规律。
在一般的流体力学中，欧拉法应用最为广泛，但是两者可以相互转化。
1.2 流体力学控制方程
流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。
如果流动包含有不同成分（组元）的混合或相互作用，系统还要遵守组分守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程。
控制方程是这些守恒定律的数学描述，这些定律在流体力学中的体现就是相应的连续性方程和N-S方程。
1.2.1 物质导数
根据欧拉的观点，流场中的物理量均是空间坐标和时间的函数，即
研究各物理量对时间的变化率，例如速度分量u对时间的变化率（全微分），则有
式中，u、ν、w为速度矢量ν沿x、y、z轴的三个速度分量。将上式中的u用N替换，代表任意物理量，则得到任意物理量N对时间t的变化率。
这就是N的物质导数，也称为质点导数。上式中等式右边第一项称为当地变化率，后三项称为迁移变化率。
1.2.2 连续性方程
在流场中任取一封闭空间，此空间称为控制体，其表面称为控制面。流体通过控制面A流入控制体，同时也会通过另一部分控制面1A流出控制体，在这期间控制体内部流体质量也会发生变化。2
按照质量守恒定律，单位时间内流体流入控制体中质量的增加，等于同一时间间隔内流出该控制体的净质量，由此可导出流体流动连续性方程的积分形式如下。
式中，Vol表示控制体，A表示控制面。等式左边第一项表示控制体内部质量的增量，第二项表示通过控制表面流入控制体的净通量。
根据数学中的高斯公式，在直角坐标系下可将其化为微分形式如下。
对于不可压缩均质流体，密度为常数，则有
对于圆柱坐标系，其形式为
对于不可压缩均质流体，密度为常数，则有
1.2.3 N-S方程
黏性流体的运动方程首先由Navier在1827年提出，只考虑了不可压缩流体的流动。Poisson在1831年提出可压缩流体的运动方程。
Saint-Venant在1843年，Stokes在1845年独立提出黏性系数为一常数的形式，现在都称为Navier-Stokes方程，简称N-S方程。
1．用于可压缩黏性流体的运动方程
2．黏性系数为常数，不随坐标位置而变化条件下的矢量形式
3．流体的密度和黏性系数都是常数条件下的矢量形式
4．理想流体的运动方程——Euler方程
若不考虑流体的黏性，则由上式可得理想流体的运动方程——Euler方程如下。
N-S方程比较准确地描述了实际的流动，黏性流体的流动分析均归结为对此方程的研究。由于其形式甚为复杂，实际上只有极少量情况可以求出准确解，故产生了通过数值计算求解的研究，这也是计算流体力学进行计算的最基本的方程，所有的流体流动问题，都是围绕着对N-S方程的求解进行。
1.3 流体力学数值计算基础
随着计算机技术和计算方法的发展，许多复杂的工程问题都可以采用区域离散化的数值计算方法并借助计算机得到满足工程要求的数值解。数值计算技术是现代工程学形成和发展的重要动力之一。
1.3.1 数值计算方法和分类
区域离散化就是用一组有限个离散的点来代替原来连续的空间，实施过程是把所计算的区域划分成许多互不重叠的子区域，确定每个子区域的节点位置和该节点所代表的控制体积。
节点是指需要求解的未知物理量的几何位置，控制体积是指应用控制方程或守恒定律的最小几何单位。
一般把节点看成控制体积的代表，控制体积和子区域并不总是重合的，在区域离散化过程开始时，由一系列与坐标轴相应的直线或曲线簇所划分出来的小区域称为子区域。网格是离散的基础，网格节点是离散化物理量的存储位置。
常用的离散化方法有有限差分法、有限元法和有限体积法。对这三种方法分别介绍如下。
1．有限差分法
有限差分法（Finite Difference Method，FDM）是计算机数值模拟最早采用的方法，至今仍被广泛运用。该方法将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域。
有限差分法用泰勒（Taylor）级数展开等方法，把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行离散，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。其基本的差分表达式主要有四种形式：一阶向前差分、一阶向后差分、一阶中心差分和二阶中心差分。
其中前两种格式为一阶计算精度，后两种格式为二阶计算精度。通过对时间和空间这几种不同差分格式的组合，可以组成不同的差分计算格式。
2．有限元法
有限元法（Finite Element Method，FEM）的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。
有限元法最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学的数值模拟，但是它的求解速度比有限差分法和有限体积法慢，在商用CFD软件中应用并不广泛。
3．有限体积法
有限体积法（Finite Volume Method，FVM）又称为控制体积法（Control Volume Method, CVM）。其基本思路是：将计算区域划分为网格，并使每个网格点周围有一个互不重叠的控制体积；将待解微分方程（控制方程)对每一个控制体体积积分，从而得到一组离散方程，其未知数是网格点上的因变量（可以是速度、压力以及温度等）。
为了求出控制体积的积分，必须假定因变量在网格点之间的变化规律。从积分区域的选取方法来看，有限体积法属于加权余量法中的子域法；从未知量的近似来看，有限体积法属于采用局部近似的离散方法。
就离散方法而言，有限体积法可视作有限元法和有限差分法的中间物。有限体积法只寻求节点值，这与有限差分法相类似；但有限体积法在寻求控制体积的积分时，必须假定值在网格点之间的分布，这又与有限元法相类似。
在有限体积法中，插值函数只用于计算控制体积的积分，得出离散方程之后，便可忘掉插值函数；如果需要的话，可以对微分方程中不同的项采取不同的插值函数。
另外，有限体积法最吸引人的特征是：所得到的结果将意味着任何一组的控制体积内，当然也就是在整个计算域内，诸如质量、动量以及能量这样的一些物理量的积分守恒都可以精确地得到满足。
对于任意数目的网格节点，这一特征都存在，因而即便是粗网格的解也照样显示准确的积分平衡，这也就使有限体积法比有限差分法和有限元法更有优势。有限体积法是目前在流体流动和传热问题求解中最有效的数值计算方法，已经得到了广泛的应用。
简言之，子域法加离散就是有限体积法的基本思想。
1.3.2 基于有限体积法的控制方程离散
将连续空间用离散的点来记录，称为离散化，在离散的点之间用光滑的曲线通过内插来连接，构成整个计算区域内的数据分布。
对于在求解域内所建立的偏微分方程，理论上是有真解的，但是，由于所处理问题自身的复杂性，如复杂的边界条件或者方程自身的复杂性等，造成很难获得方程的真解。因此，就需要通过数值的方法把计算域内的有限数量位置（即网格节点）上的因变量值当作基本未知量来处理，从而建立一组关于这些未知量的代数方程，然后通过求解代数方程组来得到这些节点值，而计算域内其他位置上的值则根据节点位置上的值来确定。这样，偏微分方程定解问题的数值解法可以分为两个阶段。
首先，用网格线将连续的计算域划分为有限离散集，即网格节点，并选取适当的途径将微分方程及其定解条件转化为网格节点上相应的代数方程组，即建立离散方程组。然后在计算机上求解离散方程组，得到节点上的解。
其次，节点之间的近似解，一般认为光滑变化，原则上可以用插值方法确定，从而得到定解问题在整个计算域上的近似解。这样，用变量的离散分布近似解代替了定解问题精确解的连续数据，这种方法即为离散近似法。
数值流体力学的问题一般是要了解每时每刻流场的变化，即对支配方式进行积分求解，实际上是求空间离散点（网格）上的压力、速度等物理量。
有限体积法的基本思想在上一小节已有介绍，这里不再赘述。有限体积法得出的离散方程，要求因变量的积分守恒对任意一组控制体积都得到满足，对整个计算区域自然也得到满足。这是有限体积法吸引人的优点。
用于计算通量的常见方法包括一阶迎风格式、指数率格式、二阶迎风格式、QUICK格式和中心差分格式。“迎风”的概念是相对于局部法向速度定义的。所谓迎风格式，就是用上游变量的值计算本地的变量值。在使用一阶迎风格式时，边界上的变量值被取为上游单元控制点上的变量值。迎风格式又包括了一阶迎风格式和二阶迎风格式，它们都可以看作流场变量项在上游网格单元控制点展开后的特例。
不同的是一阶迎风格式仅仅保留泰勒级数的第一项，因次认为本地单元边界点的值等于上游网格控制点的值，其格式精度为一阶精度；二阶迎风格式则保留了泰勒级数的第一项和第二项，因而认为本地单元边界点的值等于上游网格控制点的值与一个增量的和，因而其精度为二阶。
QUICK格式使用加权和插值的混合形式给出边界点上的值。QUICK格式是针对结构网格，也就是常说的四边形网格和六面体网格而提出的。
非结构化网格也可以选用QUICK格式，不过在计算时，非结构化网格边界点上的值是用二阶迎风格式计算的。在流动方向与网格划分方向一致时，QUICK格式具有更高的精度。
1.4 CFD 软件结构及常用的 CFD 软件
CFD商用软件往往将复杂的CFD过程继承，通过一定的接口，让用户快速地输入问题的有关参数。
1.4.1 CFD软件结构
所有的CFD商用软件均包括三个基本环节：前处理、求解和后处理，与之对应的程序模块常简称为前处理器、求解器和后处理器。
1．前处理器
前处理器用于完成前处理的工作。前处理环节是向CFD软件输入所求问题的相关数据，该过程一般是借助与求解器相对应的对话框等图形界面完成的。在前处理阶段用户进行以下工作。（1）定义所求问题的几何计算域。（2）将计算域划分成多个互不重叠的子区域，形成由单元组成的网格。（3）对所要研究的物理和化学现象进行抽象，选择相应的控制方程。（4）定义流体的属性参数。（5）为计算域边界处的单元指定边界条件。（6）对于瞬态问题，指定初始条件。
流动问题的解是在单元内部的节点上定义的，解的精度由网格中单元的数量所决定。一般来说，单元越多，尺寸越小，所得到的解的精度越高，但是所需要的计算机内存资源及CPU时间也相应增加。
为提高计算精度，在物理量梯度较大的区域，以及我们感兴趣的区域，往往要加密计算网格。在前处理阶段生成计算网格时，关键是要把握好计算精度与计算成本之间的平衡。
目前在使用商用CFD软件进行CFD计算时，有超过50%的时间花在几何区域的定义及计算网格的生成上。
可以使用CFD软件自身的前处理器来生成几何模型，也可以借用其他商用CFD或CAD/CAE软件提供的几何模型，另外，指定流体参数的任务也是在前处理阶段完成的。
2．求解器
求解器的核心是数值求解方案。常用的数值求解方案包括有限差分、有限元、谱方法和有限体积法，总体上讲，这些方法的求解过程大致相同，包括以下步骤。（1）借助简单函数来近似待求的流动变量。（2）将该近似关系带入连续性的控制方程中，形成离散方程组。（3）求解代数方程组。
各种数值求解方案的主要差别在于流动变量被近似的方式及相应的离散化过程，前面已做介绍，这里不再赘述。
3．后处理器
后处理的目的是有效地观察和分析流动计算结果。随着计算机图形功能的提高，目前的CFD软件均配备了后处理器，提供了较为完善的后处理功能，具体包括以下部分。（1）计算域的几何模型及网格显示；（2）矢量图（如速度矢量线）；（3）等值线图；（4）填充性的等值线图（云图）；（5）XY散点图；（6）粒子轨迹图；（7）图像处理功能（平移、缩放、旋转等）。
借助后处理功能，还可动态模拟流动效果，直观地了解CFD的计算结果。
1.4.2 常用的CFD软件
本节将介绍30多年来，出现的较为著名的商业CFD软件，包括PHOENICS、STAR-CD、CFX、FLUENT等，这些软件的显著特点如下。（1）功能比较全面、适用性强，几乎可以求解工程界中的各种复杂问题。（2）具有比较好用的前后处理系统和与其他CAD及CFD软件的接口能力，便于用户快速完成造型、网格划分等工作，同时还可以让用户扩展自己的开发模块。（3）具有比较完备的容错机制和操作界面，稳定性高。（4）可在多种计算机、多种操作系统，包括并行环境下运行。
1．PHOENICS软件
PHOENICS是英国CHAM公司开发的模拟传热、流动、反应、燃烧过程的通用CFD软件，有30多年的历史。网格系统包括直角、圆柱、曲面（包括非正交和运动网格，但在其VR环境不可以）、多重网格、精密网格。
可以对三维稳态或非稳态的可压缩流或不可压缩流进行模拟，包括非牛顿流、多孔介质中的流动，并且可以考虑黏度、密度、温度变化的影响。
在流体模型上面，PHOENICS内置了22种适合于各种雷诺数场合的湍流模型，包括雷诺应力模型、多流体湍流模型和通量模型及k-ε模型的各种变异，共计21个湍流模型、8个多相流模型，十多个差分格式。
PHOENICS的VR（虚拟现实）彩色图形界面菜单系统是这几个CFD软件里前处理最方便的一个，可以直接读入Pro/E建立的模型（需转换成STL格式），使复杂几何体的生成更为方便，在边界条件的定义方面也极为简单，并且网格自动生成，但其缺点则是网格比较单一粗糙，针对复杂曲面或曲率小的地方的网格不能细分，也就是说不能在VR环境里采用贴体网格。
VR的后处理也不是很好，要进行更高级的分析则要采用命令格式进行，但这在易用性上比其他软件就要差了。
另外，PHOENICS自带了1000多个例题与验证题，附有完整的可读可改的输入文件，其中就有CHAM公司做的一个PDC钻头的流场分析。
PHOENICS的开放性很好，提供对软件现有模型进行修改、增加新模型的功能和接口，可以用FORTRAN语言进行二次开发。
2．STAR-CD软件
STAR-CD的创始人之一Gosman与PHOENICS的创始人Spalding都是英国伦敦大学同一教研室的教授。STAR 是Simulation of Turbulent flow in Arbitrary Region 的缩写， CD 是Computational Dynamics Ltd。
STAR-CD是基于有限容积法的通用流体计算软件，在网格生成方面，采用非结构化网格，单元体可为六面体、四面体、三角形界面的棱柱、金字塔形的锥体以及六种形状的多面体，还可与CAD、CAE软件接口，如ANSYS、IDEAS、NASTRAN、PATRAN、ICEMCFD、GRIDGEN等，这是STAR-CD在适应复杂区域方面的特别优势。
STAR-CD能处理移动网格，用于多级透平的计算，在差分格式方面，纳入了一阶迎风、二阶迎风、CDS、QUICK以及一阶迎风与CDS或QUICK的混合格式。
在压力耦合方面采用SIMPLE、PISO以及称为SIMPLO的算法。
在湍流模型方面，有k-ε、RNK-ke、ke两层等模型，可计算稳态、非稳态、牛顿流体、非牛顿流体、多孔介质、亚音速、超音速和多项流等问题。STAR-CD的强项在于汽车工业，如汽车发动机内的流动和传热。
3．ANSYS CFX 软件
ANSYS CFX 系列软件是拥有世界级先进算法的成熟商业流体计算软件。功能强大的前处理器、求解器和后处理模块使得ANSYS CFX 系列软件的应用范围遍及航空、航天、船舶、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、冶金、环保等众多领域。
CFX提供从网格到流体计算以及后处理的整体解决方案。核心模块包括CFX-Pre、CFX-Solver和CFX-Post几个部分。其中CFX-Solver是CFX软件的求解器，是CFX软件的内核，它的先进性和精确性主要体现在以下三方面。（1）不同于大多数CFD软件，CFX-Solver采用基于有限元的有限体积法，在保证有限体积法的守恒特性基础上，吸收了有限元法的数值精确性。（2）CFX-Solver采用先进的全隐式耦合多网格线性求解，再加上自适应多网格技术，同等条件下比其他流体软件快1～2个数量级。（3）CFX-Solver支持真实流体、燃烧、化学反应和多相流等复杂的物理模型，使得CFX软件在航空工业、化学及过程工业领域有着非常广泛的应用。
ANSYS CFX 特为旋转机械定制了完整的软件体系，向用户提供从设计到CFD 分析的一体化解决方案，因此CFX被全球公认为最好的旋转机械工程CFD软件，旋转机械领域80% 以上的企业将其选作动力分析和设计工具，包括GE、Pratt & Whitney、RollsGE、ABB、SIEMENS、CE等企业界巨擎。
ANSYS CFX 包含的专用旋转机械设计分析工具有Blade Modeler、TurboGrid、Tur-boPre和TurboPost。
Blade Modeler 是交互式涡轮机械叶片设计软件，用户通过修改元件库参数或完全依靠Blade Modeler中提供的工具设计各种旋转和静止叶片元件及新型叶片。软件简单实用，模块丰富，具有自动化程度高和叶片几何生成迅速的特点。
TurboGrid是专业的涡轮叶栅通道网格划分软件，所需用户提供的只是叶片数目、叶片及轮毂和外罩的外形数据文件。自动化程度高，网格生成迅速，生成网格质量高是它的优点。
TurboPre包含于CFX-Pre中，是专业的旋转机械物理模型设置模块，以旋转机械的专业术语完成模型设置。
TurboPost包含于CFX-Post中，是专用的旋转机械问题模拟结果后处理模块，可以自动生成子午面等专业视图，同时提供效率、压比和扭矩等旋转机械性能参数。
4．ANSYS FLUENT 软件
自1983年问世以来，FLUENT就一直是CFD软件技术的领先者，被广泛应用于航空航天、旋转机械、航海、石油化工、汽车、能源、计算机、电子、材料、冶金、生物、医药等领域，使FLUENT公司成为占有最大市场份额的CFD软件供应商。作为通用的CFD软件，FLUENT可用于模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。
由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度；灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及丰富的物理模型，使FLUENT在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。
其代表性客户包括美国宇航局（NASA）、美国国防部（DOD）、美国能源部（DOE）等政府部门以及BMW-RR、波音公司、福特公司、GE、三菱公司等企业。
2006年5月，FLUENT成为全球最大的CAE软件供应商——ANSYS大家庭中的重要成员。所有的FLUENT 软件将被集成在ANSYS WorkBench 环境下，共享先进的ANSYS公共CAE技术。
本章小结
本章首先介绍了流体力学及其重要分支计算流体力学的基本概念和理论基础，介绍了流体力学的数值计算方法，最后介绍了常用的CFD商用软件。通过本章的学习，读者可以了解计算流体力学的基本概念和目前常用的CFD商用软件。要用CFD软件解决实际遇到的复杂工程问题，必须更深入地学习流体力学和计算流体力学相关理论知识，读者应切忌一味追求仿真效果而不明缘由。
第2章 CFX软件简介
CFX软件是目前国际应用最广泛的商用CFD软件之一，可求解与流体、热传递及化学反应和燃烧等相关的工程问题。CFX具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面有着广泛的应用。本章将介绍CFX软件的结构和文件类型。
学习目标：
★ 掌握CFX 软件的结构体系；
★ 掌握CFX 计算的分析过程中所用到的软件模块：前处理、求解管理及后处理；
★ 掌握CFX 整个分析过程中产生的文件类型及其内容。
2.1 CFX 的软件构成
ANSYS CFX 功能的实现主要由5 部分组成：几何建模、网格划分、前处理、求解和后处理，各功能模块如图2-1所示。图2-1 CFX 软件结构图（1）几何建模：可以用CFX专用建模软件DesignModeler，也可以用CAD、Pro/E、Solidworks等商业画图软件进行建模，存为中间格式，导入网格划分软件中。（2）网格划分：划分网格的商用软件较多，可以用WorkBench 集成的ICEM CFD，其具有强大的网格生成功能和几何建模功能，可以通过其自动生成网格功能划分四面体网格，或者使用生成拓扑功能生成质量更高的六面体网格和O-grid网格。（3）前处理器CFX-Pre：用于建立计算区域，选择物质、模型，设定计算区域的边界条件和求解器，确定解的计算精度、迭代的步数、目标残差等。同时，CFX提供的复杂模型还可以用于建立化学反应和燃烧、气蚀、凝固、沸腾、多孔介质、非牛顿流体等大批复杂现象的模型。（4）求解器CFX-Solver是CFX软件模拟计算的核心程序，在后台执行，用户通过求解管理器来控制设定求解器，使用的是有限元的有限体积法，在保证了有限体积法的守恒特性的基础上，吸收了有限元法的数值精确性。（5）求解管理器CFX-Solver Manager ：便于用户监视求解进程，用于显示CFX 求解器输出的求解过程信息，如当前迭代步、残差等。（6）后处理器CFD-Post：用于完成计箅结果的统计和图形化处理，可以快速地显示计算结果，生成点、线、面、体等位置，创建矢量图、云图、流线、曲线等对象，还可以实现生成数据并输出数据等功能。
2.1.1 启动CFX
在CFX中，启动运行CFX应用程序，有直接启动及在WorkBench中启动2种方式：
1．直接启动（1）在Windows系统中直接启动CFX。
执行“开始”→“所有程序”→ANSYS 14.0 →FluidDynamics →CFX 14.0 命令，即可启动CFX程序，进入软件主界面。
或者，在DOS窗口中键入“:\ProgramFiles\AnsysInc\V140\CFX\bin\cfx5.exe”命令，则可启动CFX。（2）在Linux系统中直接启动CFX。
在终端窗口中键入“/usr/ansys_inc/v140/CFX/bin/cfx5.exe”命令，则可启动CFX。
2．在WorkBench中启动
在WorkBench中启动CFX首先需要运行WorkBench程序，然后再导入CFX计算模块，进入程序，步骤如下。（1）在Windows 系统下执行“开始”→“所有程序”→ANSYS 14.0 →WorkBench 命令，启动ANSYS WorkBench 14.0，进入如图2-2 所示主界面。（2）双击主界面Toolbox（工具箱）中的Component Systems →CFX 选项，即可在项目管理区创建分析项目A，如图2-3所示。图2-2 WorkBench 主界面图2-3 创建分析项目A（3）双击分析项目A中的Setup，将直接进入CFX-Pre界面。CFX软件启动后，进入Launcher界面，如图2-4所示。（4）通过Launcher 界面可以启动TurboGrid 14.0（旋转机械网格）、CFX-Pre 14.0（前处理器）、CFX-Solver Manager 14.0（求解管理器）和CFD-Post 14.0（后处理器）四个功能模块。
其中，TurboGrid 14.0（旋转机械网格）模块主要用于设定旋转机械，通过此模块，可以进入旋转机械网格划分界面（ANSYS TGRID 14.0），进行导入几何图形，设置拓扑，生成网格等操作，生成旋转机械网格文件，本书此部分内容不做详细说明。图2-4 Launcher 界面
2.1.2 前处理器
前处理器CFX-Pre，用于建立计算区域，选择物质、模型，设定计算区域的边界条件和求解器，确定解的计算精度、迭代的步数、目标残差等。
前处理器CFX-Pre的主要功能包括导入网格、设置求解条件、生成求解文件。
● CFX-Pre 可以导入的网格类型较多，包括ANSYS Meshing 生成的网格、Gambit生成的网格、CFX网格工具生成的网格、CFX后处理中包含的网格信息、ICEM CFD生成的网格等。
● CFX-Pre 中内置了大量的材料数据库，包括各种常用的流体、固体材料，如水、空气、铁、铝等。用户可以直接使用这些材料定义求解问题，也可以在这些材料的基础上进行修改或创建一种新材料。
● CFX-Pre 中可以设置的求解条件很多，包括定常/ 非定常问题、求解域、边界条件和求解参数。
● CFX-Pre 会将使用者导入的网格和定义的求解条件统一输出到一个.def 文件中，供求解器求解用。
前处理器CFX-Pre界面如图2-5所示，界面大致分为5个区域。（1）菜单栏：CFX遵循了常规软件的方式，主菜单里包含了软件的全部功能。（2）工具栏：一般情况下,使用工具栏中的这些快捷按钮就足够用了。图2-5 CFX-Pre 界面（3）模型设置区：通过tab页面管理全部模型内容，包括网格、求解域、边界条件材料数据库、化学反应库等。（4）右半部分分为上下两个区域，上面是图形区，以图形方式直观地显示模型；下面是文本信息区，设置不完整或报错信息会在此区域显示。
2.1.3 求解管理器
CFX的求解过程实际上就是一个代数方程组的迭代求解过程，在求解过程中求解器会反馈一些信息，供使用者判断程序的求解运行过程是否正常。CFX的求解管理器Solver Manager 就是这样一个反馈程序。
CFX 的Solver Manager 具有下列主要功能。（1）启动一个新的求解，启动前可以定义是否使用外部初始文件，是否使用并行。（2）监视正在进行的求解过程，包括随迭代步变化的残差、监视点的状态参数和三个守恒方程的总体守恒满足程度等。
提示：通过这些信息，可以判断求解过程是否正常，如果发现不正常求解，可以通过求解管理器中止求解过程，或者动态修改求解参数或边界条件。（3）对于已经求解完成的问题，Solver Manager 还可以回放求解过程，辅助使用者发现求解过程中的问题。
图2-6 所示为CFX-Solver Manager 的软件界面。
Solver Manager 界面有2 个主要的区域。（1）左侧是收敛曲线，以图形方式显示随迭代步变化的各种收敛判断参数，包括残差、总体守恒度、用户自定义的监视点参数等。（2）右侧是相应的文本信息。
在求解出错时，收敛曲线往往只能看到一个不收敛的结果,而文本信息会给使用者提供尽可能多的错误信息，并对如何修改模型提出建议。图2-6 CFX-Solver Manager 界面
2.1.4 后处理器
求解完成后，需要使用CFD-Post对求解后的数据进行图形化显示和统计处理。图2-7所示为CFD-Post的软件界面。图2-7 CFD-Post 界面
CFD-Post具有一般后处理器的全部特征，包括打开结果文件，建立几何特征，生成矢量图、云图，计算统计量，生成动画，导出文本数据等。
CFD-Post还可以建立自己的宏命令，从而构建一套针对特定问题的后处理。CFD-Post有一套专门针对旋转机械的后处理功能，就是使用宏命令编写的。
2.2 CFX 文件系统
在创建模型进行计算分析的过程中，CFX软件将生成一系列的文件，不同的文件类型具有不同的文件扩展名，下面对这些文件的作用进行简要的介绍。（1）项目文件：用来记录物理数据、区域定义、网格信息，其后缀名为.cfx。（2）网格文件：用来记录网格数据信息，其后缀名为.cfx、.cfx5或.msh。（3）求解器输入文件：记录物理模型、网格数据信息，其后缀名为.def、.mdef。（4）计算结果文件：记录中间计算结果、最终计算结果，其后缀名为.res、.mres。（5）计算结果备份文件：用来备份文件，其后缀名为.bak。（6）瞬态计算结果文件：用来记录瞬态计算结果，其后缀名为.trn。（7）错误记录文件：用来记录计算过程中错误信息，其后缀名为.err。（8）信息文件：用来记录执行的CFX命令语言（CCL），其后缀名为.pre。（9）CFX命令语言文件：编写的CFX命令语言，其后缀名为.ccl。
在CFX计算分析过程中，不同功能模块将会用到的文件类型如图2-8所示。图2-8 CFX 文件类型
本章小结
本章主要介绍了CFX软件的结构及各个模块的作用，简要地介绍了进行计算仿真分析过程中所用到的文件类型。通过本章的学习，读者可以掌握CFX的基本概念及分析问题的流程，为后面的学习打下基
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