作者：胡坤转自公众号：CFD之道发表日期：2019-11-06关键词：#CFD##仿真模拟##计算流体力学##计算机辅助工程##CAE#本文从软件功能角度描述了STAR CCM+与ANSYS Fluent
原文地址：https://www.resolvedanalytics.com/theflux/comparing-cfd-software-part-4-comprehensive-cfd-software-packages注：本文为翻译档，并未经过仔细校正，英文基础不错的强烈建议阅读原文
并不意味着认同文中的所有观点
翻译工具：网易有道词典翻译主体+人脑简单校正
本期比较的软件为：STAR CCM+ vs. ANSYS Fluent蝙蝠侠对超人，魔术对伯德，扬基对红袜，微软对苹果，法拉利对兰博基尼，可口可乐对百事可乐，你懂的
这个世界充满了顶级竞争对手
在CFD模拟领域也不例外，Fluent和STAR-CCM+，以及之前的STAR-CD，已经在CFD领域争夺市场领导地位超过了20年
一个人对魔法或鸟类的偏爱可能是一种观点，但是讨论他们自称是他们所做的事情中最好的是有益的
我们希望以下关于Fluent和STAR-CCM+的讨论对花时间阅读此文的人有所帮助
1 Siemens Simcenter STAR-CCM+STAR-CCM+，以及之前的STAR-CD，最初是由帝国理工学院CFD研究小组的研究人员在20世纪80年代后期开发的
随着时间的推移，这些贡献者和其他人创建了名为CD-Adapco的公司，旨在将CFD引入大众
在2016年被西门子公司收购时，CD-Adapco的年收入约为2亿美元，年复合增长率为12%
当时，他们的客户群大约有3200人，平均每位客户的收入为6.5万美元
STAR-CCM+是汽车行业多物理的领先供应商，贡献了CD-Adapco 52%的收入
STAR-CCM+现在是一个计算辅助工程(CAE)解决方案，其在一个单一的集成用户界面中解决流体和固体连续介质力学中的多学科问题
1.1 基本接口及工作流程STAR-CCM+提供了一个非常干净、现代的界面，这是2005年对原有的STAR-CD软件进行全面翻修的结果
STAR-CCM+可用于Linux和Windows操作系统，在界面上没有重大区别
用户可以在这个单一的界面中访问所有的预处理、模拟和后处理任务
所有进程的批处理命令也可以通过命令行或用Java编写的脚本实现
通过网格化、设置、模拟和结果处理，组织工具来简化CAD创建或导入的工作流
在左侧的模拟树中，工作流组织是自上而下的，而系统级命令是通过顶部的工具栏访问的
几何图形是由CAD import(.stl，.x_b，.step，.iges)，通过CAD创建使用内置的CAD建模工具，或网格导入从第三方工具
从领先的3D建模程序，包括SolidWorks，Inventor，NX，Pro/ENGINEER，Rhino和CATIA直接导入实体模型也可能与额外购买的转换插件
一旦导入，几何图形就被归类为部件
也就是说，所有后续的操作，例如生成表面网格或指定边界条件，都是参照原始部件来执行的，而不是在后续步骤中创建的网格
基于部件的工作流确保在使用修改的几何图形替换部件时，大多数模拟设置不需要重复操作
1.2 物理建模能力STAR-CCM+包含了广泛的物理模型和方法，用于模拟单相和多相流体流动、传热、湍流、固体应力、动态流体相互作用、气动声学以及相关现象
通过定期发布不断引入新特性
核心物理建模能力包括无粘流、层流或湍流、牛顿或非牛顿粘度、不可压缩或可压缩流、多组分混合物、多相混合物、多孔界面或体积、被动标量、定常或非定常流、理想或真实气体状态定律方程、传导、对流、辐射、反应流和运动
STAR-CCM+提供了一个包含固体、液体、气体和电化学种类的常用材料的数据库，并提供了广泛的湍流建模选项，包括RANS模型、雷诺应力传输模型、分离涡和大涡模拟模型以及层流到湍流转捩模型
STAR-CCM+引领行业在多相物理建模能力包括欧拉多相流(气体、液体或固体)，颗粒相模型、颗粒群平衡模型(气泡大小分布)，壁面沸腾及体积菲特模型，基于体积的流体(受到)的表面跟踪模型，液膜膜模型、分散和多相混合模型，拉格朗日相模型和离散单元模型(DEM)模型对大量离散的对象进行交互
移动参考系和移动变形网格都可以用来捕捉流体或固体运动对彼此的影响
运动可以由用户定义，也可以由动态流体相互作用(DFBI)定义
反应化学模型包括模拟固体、液体或气体燃料、预混燃烧或非预混燃烧、表面反应、颗粒反应和煤燃烧和聚合的能力
燃烧模型包括小火焰模型和反应种输运模型，如涡流破碎模型
复杂的化学可以通过用户输入或通过STAR-CCM+接口与第三方工具(如Chemkin)定义
电化学，等离子体动力学，电磁学，空气声学和计算流变学模型也包括在内
STAR CCM+最近版本增加了一个有限元求解器，可以进行基本的固体力学建模，包括静态、动态和准静态分析、线性或非线性几何、六面体、四面体、楔形和金字塔型元素、各向同性和各向异性的线性弹性材料，以及对点、面和体的各种载荷和约束
该软件发布了一整套验证和验证测试用例，可以分析物理模型验证和软件/硬件实现验证
1.3 几何清理及网格划分STAR-CCM+使得导入、修复、定义和网格化CAD部件的过程尽可能轻松
在最基本的情况下，网格化的清理包括将部分水平体和表面与适当的物理、体网格和边界条件相关联，这将是数值模拟的基础
许多基于部件的操作是可用的，例如部件转换或布尔操作
选择是在典型的3D实体建模软件中执行这些操作，还是在STAR-CCM+中执行这些操作，取决于用户的偏好
下面的屏幕截图描述了一些用于模拟电子外壳自然对流驱动冷却的预处理元素，包括通过外壳壁的耦合传热
两个部分已经被导入，一个盒子代表周围的空气和外壳本身
透明显示的远场空气边界将被分配为非壁面边界条件，在进行布尔相减之前，将空气表面的其余部分分离
这个操作定义了一个新的部分，叫做airminussolid，然后提升到一个区域并分配到相关的物理连续体
附件部分也是如此
然后为每个部分/区域关联定义网格操作
当三维实体模型对于CFD模型工作流不是很理想时，STAR-CCM+提供了一些工具来帮助诊断和修复几何图形
在导入几何图形时可以打开的一个有用选项是检查和修复无效的几何对象，这将自动解决一些简单但常见的问题，这些问题会产生无效的几何图形，例如非常接近但不一致的表面、孔洞和穿孔面
在导入具有非常小的或有问题的特性的部件(如孔或交叉口)时，另一个有用的工具是表面包面工具
当从一个低质量的CAD模型开始时，表面包面工具提供了一个封闭的、非相交的表面
结果部件被用来创建一个与物理连续体相关联的体网格，其方式与典型的导入部分相同
STAR-CCM+处理得特别好的另一个过程是网格生成
通常情况下，零件表面首先网格重构，以提高最终体积网格的质量，并指定需要更高网格密度的几何形状
体网格可以应用大量的控制和特性，并且可以以串行或并行方式执行，前提是用户可以访问并行的硬件和软件许可资源
三种主要的网格模型类型是四面体、多面体和裁剪(六面体)
四面体网格，一般来说，是快速和可靠的处理，允许复杂的几何网格具有较少的误差，但结果的准确性较低
多面体网格，它声称，提供了一个平衡的解决复杂的网格生成问题，同时具有比四面体网格更高的精度
切割体网格主要利用六面体体积与最小的偏度和对齐与流动产生最高质量的网格
三种网格都可以包含棱柱状近壁层，将棱柱网格模型作为体网格过程的一部分(如下图所示)
典型的表面和体积网格控制包括默认的单元大小、最小和最大单元大小、单元生长速度、棱镜层厚度、棱柱层数和允许的质量度量
1.4 仿真计算STAR-CCM+使用分离和耦合的有限体积法流体求解器以及前面提到的有限元固体应力求解器
在分离流体求解器中，相关方程以非耦合的方式求解，动量和连续性方程的解通过预测-校正方法连接
计算结果在每次迭代中都会根据帝国理工学院Spalding教授开发的SIMPLE算法进行更新
对于所有相关的方程解算器，都有针对欠松弛因子和代数多重网格环的高级控制
在耦合流动求解器中，采用伪瞬态方法同时求解相关方程
这种方法适用于具有主要源项的流动，例如旋转或浮力驱动的流动，以及高度可压缩的流动
采用耦合代数多重网格方法，耦合隐式求解器控制隐式空间积分的求解更新
如果需要，耦合显式求解器可以使用龙格-库塔多阶段格式进行显式积分
与耦合求解器相比，分离求解器的数值和数据存储效率更高，因此通常更适合于不可压缩或轻度可压缩流
对于每个新版本，Siemens都提供了来自SIMCENTER STAR-CCM+质量保证过程的测试用例验证套件
这个广泛的过程包括一个被称为star测试的内部测试系统，它被连续地用于软件的开发和发布构建
有了这一套案例，用户就有机会验证所收到的软件是否能够在您正在使用的平台上重现相同的结果(验证)，同时还可以了解建模特定物理用例(验证)时所期望的准确性
每个案例都有自己的文档，描述了与之进行比较的实验设置以及模拟结果的相对准确性
据我们所知，STAR-CCM+是唯一一个达到ASME核质量保证1符合性的多物理仿真工具
1.5 后处理STAR-CCM+可能提供了所有先进CFD软件包中最引人注目和最直观的流可视化技术，并且相对容易使用
我们将STAR-CCM+的固有功能与领先的独立可视化包(如FieldView)的功能相提并论
最重要的是，随着模拟的迭代，可以实时观察流场的演变，允许用户更改参数并立即看到这些更改对模拟的影响
这种交互式反馈允许对仿真进行动态监视和控制，并洞察仿真的物理方面
此外，由于STAR-CCM+中的可视化利用了客户机-服务器环境，因此大量数据处理都在服务器进程中进行
只有轻量级的图形数据被发送到客户机，允许从客户机工作站可视化大规模并行模拟
在STAR-CCM+中，所有常用的CFD显示器都可以使用，包括标量显示器、矢量显示器和流线型显示器
不过，一些专门的工具确实使STAR-CCM+在竞争中脱颖而出
首先，一个被称为体绘制的工具可以用来显示在3D域中定义的半透明的体对象
这些重新采样的体积(或体素)允许用户查看流动的内部细节，方法是为构成感兴趣的数量的基于体积的定义的轮廓表面分配不透明度
将体积绘制与STAR-CCM+的光滑动画记录功能相结合，可以生成基于时间的真实可视化现象
说到与时间相关的模拟，STAR-CCM+允许在模拟运行于所谓的解决方案历史文件时保存选定的数据
模拟完成后，将加载解决方案历史文件，用户可以通过其状态进行查询以进行后处理
除了解决方案数据之外，每个模拟历史文件还可以包含卷网格、独立边界表面或两者的副本
在您需要的时间分辨率下记录相对较轻的模拟历史文件，允许用户创建他们想要的任何可视化的事后动画，而不需要预先直觉地以静态图形文件的形式记录最有吸引力和最有洞察力的动画
两种新的可视化功能是STAR-CCM+虚拟现实(VR)技术和剧本功能
VR提供了它听起来会提供的东西，在模拟结果中移动的机会，这有可能提供更有用的洞察力
剧本的功能就像一个典型的打了激素的动画
有了剧本，动画录制不再受单一可视化的限制，相反，可视化可以在整个录制过程中动态更改
可以随着记录的进行而改变可视化的数量、观察角度、对象透明度等属性，也可以通过前面提到的仿真历史文件与时变数据的时间步进同步
但是后期处理不仅仅是漂亮的图片
我们发现STAR-CCM+中可用的后处理量化工具的深度非常有用
如果您能想到它，那么它可能不需要大量的工作就可以从STAR-CCM+中输出和/或记录
你想要记录的大部分数量是以报告的形式开始的
报告可以具有各种各样的属性，但大多数是统计性质的，比如平均值、最小值和最大值、积分和标准差
这些统计措施可以提取点或点集，你可以很容易地创建，或预定义的表面或体积
一些有用的基于物理的报告，包括力、传热、压降和质量流量报告，以及许多其他报告
报告可以快速、轻松地转换为监视器，这些监视器可以跟踪迭代或时间步骤中的报告值，并且可以通过单击鼠标将这些监视器转换为xy图
此外，这样的xy图可以用作流可视化的注释
我们经常发现，统计监视器可以作为更有效的收敛标准比典型的迭代数值误差残差，他们很容易在这种方式使用
热图和直方图在本地也有
1.6 总结我们没有发现西门子STAR-CCM+有太多的缺陷
事实上，它提供了一整套的多物理功能，在现代的基于java的接口中简化了的工作流程，一流的网格化功能，以及深刻的、有意义的、令人印象深刻的后期处理，而不需要获得编程博士学位，这让我们作为咨询工程师的生活变得更加轻松
和所有的事情一样，很多事情都取决于旁观者的看法，但是当我们的客户要求我们推荐CFD软件时，我们通常很难推荐STAR-CCM+以外的其他软件
优点：强大、高效和有效的数值方法，完整的物理和多物理功能，简化的工作流程和易于使用的后处理缺点：还在找2 ANSYS Fluent我们在南方长大，在那里人们用coke来代替soda或soft drink
可口可乐并不是我们所拥有的全部(显然，甜茶总是有的)，只是可口可乐似乎以一种其他所有的碳酸饮料都被简称为可乐的方式统治了这个地区的市场
虽然ANSYS Fluent并没有将CFD替换为Fluent的知名度，但两者之间也有相似之处
作为当今领先的CFD软件包之一，Fluent已经在该领域建立了强大的声誉，享有很高的知名度、尊重度和接受度
这很常见，我们经常收到客户和潜在客户对.cas(或case)文件的请求，这些文件是本地的Fluent文件，假设我们在工作中使用Fluent
Fluent的历史可以追溯到20世纪80年代初，当时一家位于新罕布什尔州的公司Creare与英国谢菲尔德大学(Sheffield University)的一个研究小组合作，为广泛的工程应用开发了一款CFD软件产品
1988年，Fluent公司成立，并于2006年由ANSYS公司收购
快进到今天，技术突飞猛进，有许多已经建立的CFD软件包
Fluent是市面上最好的CFD软件之一吗？我们将通过查看最新的Fluent版本2019 R3来回答这个问题，了解它的易用性、网格化、速度、自动化和自定义能力、后处理、客户支持和准确性
2.1 软件内容为了使用Fluent，ANSYS提供了一些包含Fluent以外的软件包
其包括Fluent、Workbench(project-style包管理工具)、SpaceClaim (CAD工具，现在是一个独立的软件)、Ensight(后处理软件包)、CFX(另一个计算流体动力学解算器)以及CFD-Post(CFX后处理工具，但是可以很好的和Fluent兼容)
尽管Fluent可以在Windows或基于linux的版本中使用，但需要注意的是，SpaceClaim目前仅适用于Windows操作系统
2.2 基本接口及工作流程目前，我们的首选是使用一个独立的CAD包进行初始几何图形创建，如SolidWorks或AutoDesk Inventor
这个几何图形随后被带入SpaceClaim，以便分离和标记部分和边界，以及创建任何需要的网格细化区域(影响体)
接下来，将SpaceClaim几何文件导入到Fluent中进行预处理、网格划分和运行模拟
如果您已经有一段时间没有使用Fluent了，那么您可能想知道Design Modeler和ANSYS Mesher发生了什么，这两个工作台工具在生成Fluent mesh之前需要执行一些步骤
使用新的水密工作流，只需要使用SpaceClaim(代替Design Modeler)，然后直接将几何图形引入Fluent中进行本地网格化
虽然Workbench确实有它的优点，特别是在耦合几何修改和多物理应用(其中流体求解器(Fluent/CFX)与固体/FEA求解器全部在一个环境中耦合)时，我们认为能够绕过Workbench是一件非常好的事情
主Fluent界面如下所示，对于许多读者来说都很熟悉，因为它在最近的更新中没有发生重大变化
边界条件、流体类型/属性、求解器设置、停止条件等都必须在启动模拟之前通过左侧的设置树进行输入
单击任何树项目后，任务页面将显示更多详细信息
通过右侧的主窗口可以查看几何图形，或者加载解决方案时的任何绘图或轮廓
对于遗留用户，text-user-interface (TUI)允许在底部的控制台窗口中输入键盘命令
这也是残差和警告将在模拟期间打印出来的地方
如果需要查找某个内容，顶部的ribbon允许快速访问树中的大多数项
一旦所有的边界条件、物理设置和求解器设置都准备好了，模拟就可以直接从Fluent中启动，也可以通过批处理或作业提交脚本启动(这确实需要编写案例和数据文件)
一旦完成，结果可以通过Fluent、CFD-Post或Ensight进行分析
2.3 物理建模能力与预期一样，Fluent中提供了多种材料特性和物理选项，包括RANS稳态、瞬态、分离和耦合求解器、层流、湍流和过渡流求解器、单相或多相技术(包括相变)、网格运动、能源源和汇、化学反应、无源标量/示踪剂等
LES和DES求解器也是内置的
如果有某种物理现象是t建于和可用，流利的支持使用用户代码称为UDF(用户定义函数)，这是完全可定制的脚本允许您利用或钩到流变量为了模型物理/行为在每个计算单元
虽然我们还没来得及全面调查，我们很兴奋的是新的GEKO湍流模型现在包括在Fluent中，该模型被描述为是一个混合了两个当前最流行的2-equation模型：K-Omega SST和Realizable K-Epsilon
另一个有前途的特点是新的混合体积流体(VOF)离散相模型(DPM)，用于喷嘴模拟
这种新的VOF-DPM多相法将通过VOF模型跟踪的散装液体转化为通过DPM/拉格朗日技术跟踪的液滴
下图是由ANSYS提供的，它向读者展示了这个新模型是如何工作的
2.4 CAD清理和网格划分如前所述，Fluent中的新方法被称为watertight工作流
下面显示了Fluent中工作流树的屏幕截图
当您导入几何图形、添加网格参数、标记边界和区域/区域以及创建表面和体积网格时，此树结构将从头到尾指导您
与以前的母语Fluent网格划分相比，最近的这一进步是用户友好部门的巨大升级
注意，Import Geometry特性允许直接导入通用CAD文件，比如Parasolid，尽管需要购买额外的许可特性
相反，我们使用SpaceClaim对实体模型几何图形进行预处理，然后可以直接导出为Fluent
SpaceClaim可以导入通用和本地CAD文件，包括Parasolid和SolidWorks格式
这里添加的关键特性是，用户现在可以导入实体几何图形，然后在Fluent中生成用于运行CFD模拟的内部流体空间
这一切都是在水密工作流树封闭的流体区域功能
从理论上讲，人们可以只在ANSYS包中创建几何图形，而不需要外部CAD包
然而，我们仍然发现在将其导入SpaceClaim/Fluent之前，在外部CAD包中生成流体域更方便，这也是一种完全可接受的技术
需要指出的是，SpaceClaim本身就是一个功能齐全的3D CAD工具
您可以从头开始创建几何图形，就像您可以在任何其他知名的CAD包中做的那样，尽管该接口确实需要一些时间来适应，因为没有详细说明如何构建3D部件的CAD操作树
使用直接建模方法，SpaceClaim需要一个不同于SolidWorks和Inventor更常见的参数建模方法的方式，body和face使用鼠标拉伸和拉伸，而不是先建立一个草图，然后通过指定尺寸的功能挤压/切割
一旦watertight工作流程完成，网格已经创建，是时候设置CFD模拟参数了
此时，用户通过写入.msh文件来保存生成的网格
一般来说，经常写/保存是一个好主意，特别是当所有的物理/设置都通过写一个.cas文件来设置之后，以防事情变糟(双关语)
Fluent中的网格划分是最新版本真正的亮点
这个过程现在很简单，工作流指导用户完成剩下的工作
体网格选项有四面体、六面体、多面体和多六面体
我们喜欢的一个特性是网格大小的预览，它允许用户在网格化之前看到计算单元的大小
这可以节省大量的时间，否则将浪费在网格太粗或太细的几何网格上
我们也喜欢自动切割完成后的网格，如下图所示
在最近的版本中，对native Fluent mesher的另一个更新是新的马赛克网格划分技术，也称为poly-hexcore
该网格创建了一个混合的六面体/多面体网格，其中流动对齐的六面体细胞在体流区创建，与墙壁对齐的多面体细胞和边界层细胞(充气层)在近壁使用
根据Fluent的文献，这种网格类型在总细胞计数方面显示出了类似于(或提高了)多面体(提高了速度)的改进
在测试内部流动几何形状时，我们能够很容易地创建一个聚六角网格
与我们使用相同的最小/最大细胞尺寸设置生成的多面体网格相比，poly-hexcore网格的细胞总数减少了约10%
我们还注意到，相比于相应的全多面体网格的约13.5分钟，聚六核网格的网格划分时间从3分钟(在4个核上)有所改善
这是一个相当快的速度(约4.5x)，可以节省大量时间来生成更大、更复杂的网格
此外，对于这种类型的软件，可以使用并行网格划分，这可以利用更多可用的处理器来提高网格划分效率
2.5 仿真计算Fluent包括大量的数值求解器，用于高速情况下分离/简单求解和压力-速度耦合求解
如果您有可用的内核，或者可以在云中运行案例，那么Fluent是完全可并行的
作业可以通过用于设置案例的GUI在本地运行，也可以从命令行或作业提交脚本以批处理模式运行
用例可以在Linux中运行，即使它们是预先处理并在Windows中设置的，反之亦然
在仿真过程中可以自动保存/导出流场数据(全网格或某些预先设置的监控点/位置)，这对于瞬态情况和调试特别方便
我们喜欢的一个新特性是能够使用在启动之前设置的报告值来监视您的案例
例如，如果需要，您可以在每次迭代时报告跨越特定平面/边界的压力降
这也可以在模拟期间动态绘制，并且可以根据这些自定义报告创建收敛标准
我们知道这些特性在其他软件包中也有，它们是最近的Fluent版本中受欢迎的新特性
虽然我们还没有测试它，ANSYS吹捧一些相当可观的性能改进，通过使用GPU处理器流畅的计算
我们认为实际的性能改进会随着具体的情况而有很大的不同
另一个新特性是能够在GUI中创建field function，并且可以基于任何现有的流场参数，如压力、密度等
这些函数可以并且很可能会取代更复杂的用户定义函数(udf)，后者需要用C编程语言编写一个经过编译的代码/脚本
最后，ANSYS维护了一套测试用例，这些测试用例在每个版本之前都在软件上运行
此测试的目的是让用户验证软件是否按照文档执行，并向用户提供信心，使其能够在可容忍的精度范围内充分解决各种物理问题
我们强烈建议您查看列表，看看是否包括您的用例
2.6 后处理一旦模拟完成，就有几个选项可以对结果进行后期处理
通用的CFD后处理能力在Fluent中是存在的，比如等高线、流线、矢量，以及通过XY图分析数据
另一个选项是CFD-Post，它也提供类似的功能
对于暂时的情况，使用CFD-Post可能更容易，但我们认为这实际上取决于用户的偏好
我们这样做，你可以保存一个状态文件在CFD-Post (.cst)
如果您有很多情况下运行的是相同的几何图形(或类似的几何图形)，并且您希望确保所有的绘图是一致的，那么这是很方便的
可以首先加载状态文件，然后将每种情况的结果(数据文件)导入状态
如果创建了流线、等值线和XY图，则不必为每个数据文件重新创建它们，因为它们存储在状态文件中
Ensight是一个ANSYS新收购的软件，是一个完全不同的后处理选择
不幸的是，我们不熟悉它，但已经看到一些特殊的视频/图像在线展示可以做什么
它似乎能够显示固体有限元模型的结果以及流体CFD的情况下，可以相当令人印象深刻的分析和动画的流体-身体的相互作用数据
这个强大的工具附带了流利的语言，如果您还没有掌握它，那么值得花时间去研究一下
2.7 总结拥有强大的CFD历史、尖端技术和不断升级的代码库和功能、为众多流程案例类型提供准确和有效结果的声誉、强大的用户基础和社区，以及拥有大量在线资源和网络研讨会的专门客户支持，整体Fluent是一个强大的多物理软件平台
最近增加的功能大大提高了它的易用性
优点：强大，有效和有效的数值方法，全套的物理和多物理能力缺点：需要独立的软件进行预处理(SpaceClaim)和高级的后处理(Ensight)，成本高昂