多相流计算软件按照属性分为商业软件和开源软件两类。
多相流计算软件
用于计算求解多相流中相关问题的软件。
- 英文名称
- computational software of multiphase flow
- 所属学科
- 工程热物理及动力工程
被作为商品进行交易的软件。主要包括五个模块:几何模型建立与网格生成模块、前处理模块、核心处理模块、后处理模块、软件使用教程及软件说明。具有操作界面友好、帮助文档丰富、操作简单以及程序稳定性好等优点。但是也存在封闭性较强、拓展性较差、为保证数值稳定性而牺牲部分离散精度的缺点。多相流计算领域使用较为广泛的商业软件有:ANSYS、Barracuda、PHOENICS、Star-CCM+。
① ANSYS。由美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件。该软件是全世界使用最广泛的虚拟仿真软件之一。由一整套可扩展的、灵活继承的系列软件组成,包含通用的CFD软件CFX、Fluent、PolyFlow、Fidap,工程设计软件FloWizard、TGrid、G/Turbo,CFD教学软件FlowLab,面向特定专业应用的Icepak、Airpak、Mixsim软件等。其中如ANSYS Fluent、ANSYS CFX都具有多种求解多相流的高性能求解器和模型,且可进行跨节点并行计算。ANSYS Fluent还可以与其他商业软件耦合实现多相流模拟。
② Barracuda。由美国CPFD Software、LLC公司开发的专门用于模拟工业级流态化过程及化学反应的商业软件。其基础是由D.施耐德提出的计算颗粒流体力学(Computational Particle Fluid Dynamics; CPFD)。CPFD方法是一种“混合”数值方法,集欧拉双流体模型与拉格朗日离散模型的优点于一身。流体相与颗粒相均在同一个求解器中计算,利用独创的相间插值算子保证计算的稳定性与切换的守恒性。
③ PHOENICS。由英国CHAM公司开发的用于模拟流动、传热、化学反应、燃烧过程的商业软件。它已经有30多年的历史,是世界上第一套计算流体与传热学商业软件。该软件采用有限容积法,提供了直角坐标系、柱坐标系和适体坐标系三套系统,将多相流纳入了IPSA算法(适用于两种介质互相穿透)及PSI-Cell算法(粒子跟踪法)。
④ STAR-CCM+。由美国CD-adapco公司采用连续介质力学数值技术在STAR-CD基础上开发的新一代商业软件。该软件采用有限容积法,搭载CD-adapco独创的最新网格生成技术,支持多面体和多边形网格,具有强大的重叠网格功能。相比于四面体网格,在保持相同计算精度的情况下,可以提高约3~10倍的计算性能。STAR CCM+中包含丰富的多相流模型,如LMP、DEM、DMP及VOF模型等。
源代码完全开放的软件。特点是软件的使用、复制、修改和分发不受许可证的限制。目前多相流计算领域的开源软件主要有:OpenFOAM(Open source Field Operation and Manipulation)、MFiX(Multiphase Flow with Interphase eXchanges)、CFDEM Coupling、Gerris等。
①OpenFOAM。一款用C++语言开发的开源通用CFD软件包。分为三个版本:OpenFOAM基金会维护版本(官方版本)、ESI团队维护版本(OpenFOAM+)和Wiki公司维护的版本(foam-extend)。OpenFOAM利用C++的面对对象特性,核心代码根据不同的功能编译成不同的动态库,并且组织在一种运行时选择机制(Run Time Selection, RTS)的框架下,使得模型扩展非常方便。软件采用有限容积法,支持多面体网格和大型并行计算,包含前处理、求解器和后处理三部分。一些公司为OpenFOAM增加了图形界面,如HELYX、simFlow、Caedium等。另外还有一些基于OpenFOAM的较为新颖的产品,如基于网页版的CFD求解器Simscale,以及OpenFOAM官方的OpenFOAM云计算CFD direct。
②MFiX。由美国能源部国家能源技术实验室(National Energy Technology Laboratory, NETL)基于Fortran语言开发并维护。该软件用Fortran语言开发,包含采用双流体计算的MFiX-TFM模块、使用DEM模拟离散颗粒的MFiX-DEM模块、使用PIC方法的MFiX-PIC模块、一种混合求解的MFiX-Hybrid模块,用于模拟复杂多相流系统内的流动、传热和化学反应,基于有限体积法,采用笛卡儿网格划分方法处理网格。MFiX缺点在于对非结构网格支持不好,缺乏对主流网格生成工具的支持。
③CFDEMCoupling。由奥地利林茨约翰•开普勒大学(Johannes Kepler University)基于CFD-DEM方法开发的开源软件。其中CFD部分基于OpenFOAM,DEM部分是基于开源分子动力学模拟软件开发的LIGGGHTS。该软件可以模拟气固流动和传热,支持颗粒的多粒径分布及自定义非规则颗粒。
④Gerris。由法国巴黎第六大学国家科学研究中心基于C语言开发的开源软件。该软件基于有限容积法求解不可压纳维-斯托克斯方程或浅水方程,采用高效的八叉树自适应网格、动态负载平衡技术、广义正交曲线坐标系,可实现复杂结构网格的自动生成,整体上具有二阶的时间-空间精度,主要面对气液系统的直接数值模拟。界面处理方面,该软件采用流体体积法及精确的表面张力模型。但是,该软件需要配套的后处理软件Gfsview来处理树形数据结构。