10个最好的CFD分析软件，用于高级产品开发

CFD分析使工程师能够可视化、测试和分析其产品设计中涉及流体流动、传热、湍流、非牛顿材料等问题。

这项技术使组织和工程师能够在任何条件下随时计算其设计效率。因此，它节省了时间、精力和金钱。

但在此之前，这个过程并不简单。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。它涉及使用大量原型进行严格测试，有很多召回和失败。

除了测试，你需要快速解决问题，将设计推向生产。CFD分析软件可以帮助你做到这一点，这就是我要在这篇文章中谈论的内容。

那么，让我们开始吧。

什么是CFD？

计算流体力学（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涉及化学成分、密度和速度等流体（气体和液体）流动问题。

而用于进行CFD分析和解决流体流动问题的工具就是CFD软件。它确保在产品设计的早期阶段使用最佳的流动概念，使组件能够在各种条件下高效工作。

CFD使得分析涉及液体-气体、液体-固体或液体-液体相互作用的复杂流体流动问题变得简单。它使用先进的求解器将偏微分方程物理定律转化为代数方程，并高效地解决它们。

工程师和分析师使用计算机来进行这些计算，以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，你可以获得准确的解决方案，即使是最复杂的问题也能以很高的速度得到解决。

CFD在各个领域中都有应用，例如：

• 航空航天工程，用于模拟飞机气动特性、湍流/层流、可压缩/不可压缩流动、翼型设计、旋转机械等。
• 电子制造，例如电池模拟、冷却等。
• 供暖、通风和空调（HVAC）。
• 汽车，用于模拟汽车零部件、管道和阀门的气动特性。
• 防止气穴。
• 运动设备等等。

CFD分析的工作原理是什么？

一般来说，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的理想计算机模型的阶段。工程师和分析师根据流动类型作出一些假设，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，得出准确且快速的解决方案。

后处理：分析师在最后阶段可视化和分析结果，以表格、图形、动态图像等形式得出结论。

CFD分析的好处是什么？

CFD分析在产品开发中有许多好处：

#1.效率

如果通过传统测试和计算手动分析和解决复杂方程，将花费大量时间。但CFD分析软件可以以高速和准确性解决复杂流体流动方程，节省你的精力和时间。

#2.更灵活

通过手动手段，你一次只能测量有限的数量。然而，由于出色的计算能力，CFD分析使你能够同时测量所有你想要的物理量，并具有高分辨率。它有助于快速将你的设计推向物理测试和制造阶段。

#3. 实用反馈

工程师可以利用CFD分析在施工前创建设计并测试效率。它让你可以在软件中轻松地改变模型的形状、结构、大小、规模等，并确定最有效的设计。

#4. 现实世界经验

模拟包括各种真实世界的现象和条件，如风动、重力、光速等。因此，你可以根据这些条件生成环境条件，并测试你的设计在这些条件下的性能和行为。

现在，让我们来看看市场上一些最好的CFD分析工具。

Autodesk CFD

Autodesk CFD是一款非常好用的CFD模拟软件，可用于预测气体和液体的流动和行为。它可以帮助减少对不同物理原型的需求，以深入了解流体流动的设计性能。

使用这个CFD软件和热模拟工具，你可以获得许多功能，它们与顶级性能一起工作。使用该工具可以比较设计，以了解其内部流体行为，然后再进行生产。此外，你还可以改善流控应用的压力分布，并解决所有热传递模型的方程，无论是固-固还是固-液。

Autodesk CFD允许你将其与Fusion 360连接，以实现CAD的修改和简化。你还可以使用网格自动化和几何网格大小，以及在HPC服务器、远程或本地上运行多个分析，以灵活解决大型模型。

该软件可以优化建筑效率，适用于MEP和建筑应用的设计。你还可以模拟气体和液体之间的界面，模拟诸如溢出、晃动和波浪等各种流动现象，并开发定制方程以获得视觉结果。

Autodesk CFD上的更多功能包括CAD连接、模拟散热器组件性能以及粒子追踪以更好地理解流动方向和环流。它还支持标量混合、辐射建模、分析旋转设备和建模冷凝和湿度。

除此之外，分析太阳能热负荷和烟雾可见性、可定制和清晰的用户界面、数据驱动的结果以及通过链接_1的自动化脚本也是该CFD软件中有价值的功能。

SimScale

SimScale的CFD软件是基于云的，可以通过在线模拟测试、验证、优化和迭代你的设计。它在Web浏览器中完成所有过程，因此你不需要为了计算能力有限、高成本和可访问性而苦苦挣扎。

由于瞬态模拟需要更多的时间和金钱才能产生准确的结果，SimScale的CFD软件解决了这个问题。这个基于链接_3的求解器利用链接_4 (LBM) 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创建了这个开箱即用的功能。

结果，瞬态模拟时间从几天或几周缩短到几分钟或几小时。此外，该软件可以并行运行在多个GPU上，并提供比标准流程更短的周转时间，速度是其20到30倍。

SimScale支持多种湍流模型，如Smagorinsky、k-omega SST、混合SST-IDDES和SST-DDES。由于流体可压缩性是一个重要考虑因素，该工具支持可压缩和不可压缩流体的模拟，以帮助你设计和开发更安全、更高品质的产品。

SimScale的CFD软件可以用精确的数值方法解决复杂的流体流动方程。因此，它适用于设计飞机部件、翼型、管道、阀门等。

此外，它还适用于紊流和层流，以及瞬态和稳态模拟。因此，它对于设计管道、烟雾传播、洁净室和旋风分离器非常有用。

该软件提供热模拟功能，使用体积分数（VOF）方法对多种物种或多相流进行建模。它还利用OpenFOAM求解器分析水和油等两种不混合流体，适用于过程工程和海洋应用。

使用多个参考框架（MRF）或旋转边界条件进行稳态模拟，以及使用任意网格接口（AMI）进行瞬态模拟。您还可以模拟和评估涉及6个自由度（DoF）的固体运动，适用于造船和管道设计。

Ansys

每个设计工程师都必须使用过或至少听说过的Ansys，它提供了出色的CFD模拟工具，帮助您做出更快更好的决策。它们的CFD模拟提供准确的结果和高计算能力，并经过验证其质量。

这些CFD工具直观而强大，能帮助您提高产品的安全性和性能，同时减少开发工作量和时间。此外，它们确保几乎没有错误，并提供了创新和生产优化产品的绝佳可能性，使用业界级高效求解器。

无论您是寻求进行有效的飞行结冰模拟，还是最大化内燃机的效率，Ansys都有工具来帮助您。它们用户友好且先进，可节省您的时间，提高生产力。

他们提供的一些CFD产品包括：

• Ansys Fluent，用于高精度的先进建模
• Ansys CFX，用于涡轮机械应用的出色速度、鲁棒性和准确性
• Ansys Chemkin-Pro，用于建模复杂化学反应系统的高级CFD工具

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

OpenFOAM

于2004年发布的OpenFOAM是由OpenCFD开发的开源免费CFD软件，世界范围内在大多数科学和工程领域，包括学术和商业机构，拥有庞大的用户群。

OpenFOAM提供了许多功能，适用于解决简单到复杂的流体流动问题，如化学反应、热传递、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发展作出贡献，他们还包括客户赞助的开发，每6个月发布新版本。

它由ESI-OpenCFD的应用专家、选定的客户和开发合作伙伴进行独立测试。他们对软件进行严格的质量保证的代码评估过程、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——允许您定义模型并解决它们以研究具有流体流动的系统。它还适用于包含流体流动和物理现象组合的系统，也就是说它适用于单相和多相流动。

CFD模块提供了用于建模不同流体流动分析基础的工具，例如：

• 可压缩和不可压缩流动
• 湍流和层流
• 自由介质和多孔介质以及开放区域中的流动
• 薄膜流动

ParaView的CFD模拟能够帮助您研究升力、阻力、气流等，以提高设计效率。它还能够使用分布式计算内存资源分析大规模数据集。此外，您可以使用该软件的批处理功能以编程方式或在3D中进行数据探索交互式处理。

您可以在超级计算机上运行ParaView并分析拍撒级数据集，也可以在笔记本电脑上分析小型数据。这种多功能性使其适用于不同的行业、大学和国家实验室。此外，由于其高计算能力和性能，它已获得多项奖项。

利用ParaView进行您的下一个项目，并受益于其先进的服务和研发解决方案。您还可以加入ParaView论坛，以及时了解最新发展。该工具非常适用于许多用途，例如：

– 气候数据分析工具（CDAT）帮助分析员监测、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在具有高保真度的机翼剖面的流量控制CFD模拟中发挥作用。
– ALEGRA模拟在形状装药射流穿透中使用的陶瓷板。
– NVIDIA Omniverse ParaView连接器使科学家能够与地球上的气候和天气数据进行交互分析。

Altair

无论您是想进行高级CFD建模还是研究与设计相关的热力学或流体效应，Altair都可以通过其丰富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，以测试整个系统性能并详细分析组件。

Altair CFD使用Navier-Stokes求解器，具有广泛的热传导、流动、非牛顿材料和湍流分析能力。无论网格元素的拓扑和质量如何，它都可以为您提供强大、准确和可扩展的解决方案。

其先进技术通过基于GPU的计算实现了优化的能源和成本效率，从而可以在单个服务器上模拟复杂模型，并计算旋转机器（如电动机、可再生能源和冷却风扇）的气动声学。

您可以在Altair HyperWorks中利用流畅且专用的工作流程，包括求解器执行、预处理和后处理功能。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，以预测复杂几何体周围的流动。此外，其离散元法（DEM）工具可以准确模拟和研究煤炭、谷物、纤维、粉末等颗粒材料的行为。

您可以利用Altair CFD和EDEM来实现流体和颗粒之间的真实相互作用，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热传导、流动和燃烧设计的Altair FlowSimulator、用于电子散热的SimLab等。

SOLIDWORKS

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

使用参数优化功能，您可以在熟悉的CAD环境中自动化分析和设计过程，以找到最佳设计迭代。该工具使您能够在不同的场景下模拟各种气体和液体。

它的典型应用包括流环流量计、电子冷却、热交换器和空气动力学。您可以获得许多用于有限元分析（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、颗粒研究和HVAC模块的CFD分析工具。

这个CFD软件与SOLIDWORKS集成，并使用CAD接口进行分析。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自动细化高流体活动。

结论

CFD分析软件允许您在产品设计中可视化和分析涉及流体流动、传热等问题。您可以快速准确地解决这些问题，以实现更安全和高质量的产品设计和开发。