第2章 流体流动分析软件概述
模型的任务就是给出计算湍流黏性系数μi的方法。根据建立模型所需要的微分方程的数目，可以分为零方程模型（代数方程模型）、单方程模型和双方程模型。
第二类是抛弃了湍流输运系数的概念，直接建立湍流应力和其他二阶关联量的输运方程。
第三类是大涡模拟。前两类是以湍流的统计结构为基础，对所有涡旋进行统计平均。大涡模拟把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，通过求解三维经过修正的Navier-StOKes方程（简称N-S方程），得到大涡旋的运动特性，而对小涡旋运动还采用上述的模型。
1．系统与控制体
在流体力学中，系统是指某一确定流体质点集合的总体。系统以外的环境称为外界。分隔系统与外界的界面，称为系统的边界。系统通常是研究的对象，外界则用来区别于系统。系统将随系统内质点一起运动，系统内的质点始终包含在系统内，系统边界的形状和所围空间的大小可随运动而变化。系统与外界无质量交换，但可以有力的相互作用，及能量（热和功）的交换。
控制体是指在流体所在的空间中，以假想或真实流体边界包围，固定不动形状任意的空间体积。包围这个空间体积的边界面，称为控制面。控制体的形状与大小不变，并相对于某坐标系固定不动。控制体内的流体质点组成并非不变的。控制体既可通过控制面与外界有质量和能量交换，也可与控制体外的环境有力的相互作用。
2．质量守恒方程（连续性方程）
在流场中，流体通过控制面A__1流入控制体，同时也会通过另一部分控制面A__2流出控制体，在这期间控制体内部的流体质量也会发生变化。按照质量守恒定律，流入的质量与流出的质量之差，应该等于控制体内部流体质量的增量，由此可导出流体流动连续性方程的积分形式为：
对于不可压缩均质流体，密度为常数，则：
对于不可压缩均质流体，密度为常数，则：
式中，F bz、F by、F yz分别是单位质量流体上的质量力在3个方向上的分量，p yx是流体内应力张量的分量。
动量守恒方程在实际应用中有许多表达形式，其中比较常见的有如下几种。
（1） 可压缩黏性流体的动量守恒方程：
（3） 常密度常黏性流体的动量守恒方程：
（5） 静力学方程：
将绝对加速度代入运动方程，即可得到流体的相对运动方程：
式中：；k eff是有效热传导系数，，其中k t是湍流热传导系数，根据所使用的湍流模型来定义；C是组分j的扩散流量；S h包括了化学反应热以及其他用户定义的体积热源项；方程右边的前3项分别描述了热传导、组分扩散和黏性耗散带来的能量输运。
在实际计算时，还要考虑不同的流态，如层流与湍流。在下面的章节中将会详细讲解湍流模型。
2.1.3 常用的CFD商用软件
自20世纪80年代以来，出现了一系列的CFD通用软件，如PHOENICS、FLUENT、STAR-CD、CFX-TASCflow和NUMECA等。PHOENICS软件是最早推出的CFD通用软件，FLUENT、STAR-CD与CFX-TASCflow是目前国际市场上主流软件，而NUMECA则使CFD通用软件的应用普及更上一层楼。这些软件通常具有如下显著特点。
应用范围广，适用性强，几乎可以处理工程界各种复杂的问题。
前后处理系统以及与其他CAD、CFD软件的接口能力比较简单易用，便于用户快速完成造型、 络化分等工作。同时，用户还可以根据个人需要扩展自己的开发模块。
具有较完善的容错机制和操作界面，稳定性较高。
可在多种计算机操作系统以及并行环境下运行。
1．PHOENICS软件
PHOENICS（Parabolic Hyperbolic or Elliptic Numerical Integration Code Series）软件是世界上第一套计算流体动力学与传热学的商用软件，由CFD著名学者D.B.Spalding和S.V.Patankar等提出，以低速热流输运现象为主要模拟对象，目前主要由Concentration Heat and Momentum Limited（CHAM）公司开发。除了CFD软件的基本特征之外，PHOENICS软件还具有自己独特的功能：
诞生在工业应用背景中的CFX一直将精确的计算结果、丰富的物理模型、强大的用户扩展性作为其发展的基本要求，并以其在这些方面的卓越成就，引领着CFD技术的不断发展。与一些CFD软件不同的是：
除了使用有限体积法外，CFD还采用了基于有限元的有限体积法。
可以直接访问各种CAD软件，如CADDS5、CATIA、Eucllid3、Pro/Engineer和Unigraphics，并从任一CAD系统例如MSC/PATRAN和I-DEAS，以IGES格式直接读入CAD图形。
采用ICEM CFD前处理模块，在生成 络时，可实现边界层 格自动加密、流场变化剧烈域 格局部加密和分离流模拟等。
可计算的问题包括大批复杂现象的实用模型，并在其湍流模型中纳入了k-ε模型、低Reynolds数k-ε模型、代数Reynolds应力模型、大涡模型等多种模型。
3．STAR-CD软件
STAR-CD最初是由流体力学鼻祖—英国帝国理工大学计算流体力学领域的专家教授开发的，他们根据传统传热基础理论，合作开发了基于有限体积算法的非结构化 格计算程序。在完全不连续 格、滑移 格和 格修复等关键技术上，STAR-CD又经过来自全球10多个国家，超过200名知名学者的不断补充与完善，使之成为同类软件中 格适应性、计算稳定性和收敛性的佼佼者。最新湍流模型的推出使得其在计算的稳定性、收敛性和结果的可靠性等方面在又得到了更显著的提高。其基本特征如下：
前处理器Prostar有较强的CAD建模功能，与当前流行的CAD/CAE软件有良好的接口，可有效地进行数据转换。
具有多种 格划分技术（如Extrusion、Multi-block、Data import等）和 格局部加密技术，能够很好地适应复杂计算区域，处理滑移 格的问题。
多种高级湍流模型，具有低阶和高阶的差分格式。
其后处理器具有动态和静态显示计算结果的功能。能用速度矢量图来显示流动特性，用等值线图或颜色来表示各个物理量的计算结果。
4．FIDAP软件
FIDAP是由英国Fluid Dynamics International（FDI）公司开发的计算流体力学与数值传热学的软件。它是一种基于有限元方法和完全非结构化 络的通用CFD软件，可解决从不压缩到可压缩范围内的复杂流动问题。FIDAP具有强大的流固耦合功能，可以分析由流动引起的结构响应问题，还适合模拟动边界、自由表面、相变、电磁效应等复杂流动问题。FIDAP的典型应用领域包括汽车、化工、玻璃应用、半导体、生物医学、冶金、环境工程和食品等行业。其独特点在于：
完全基于有限元方法，不但可以模拟广泛的物理模型，而且对于质量源项、化学反应等其他复杂现象都可以精确模拟。
具有自由表面模型功能，可同时使用变形 格和固定 格，也可以导入I-DEAS、PATRAN、ANSYS和ICEM CFD等软件生成的 格模型。
具有流固耦合分析功能，可同时使用固体结构中的变形和应力，从而模拟液汽界面的蒸发与冷凝相变、材料填充和流面晃动等现象。
5．FLUENT软件
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