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1. 生活中的CFD
CFD能干什么用?
手里有一瓶啤酒,晃蕩晃蕩,啤酒就會晃動。
要知道啤酒晃動的速度,液位等,真的需要買100萬的設備來測量么?
通過CFD,搭建2998元的計算機,求解大量的方程就可以獲得啤酒晃蕩的流場。
ANSYS Fluent VS OpenFOAM商軟和開源的對決？ 以人民的名義
2017-05-01 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
商軟 VS 開源
ANSYS Fluent VS OpenFOAM
終有一戰
冬天北方要燒暖氣,暖氣片通常在窗戶的下面。把暖氣片放在離窗戶遠一點的地方,效果會好么?
通過CFD,搭建2998元的計算機,即可獲得不同暖氣片位置的室內溫度分布。
有錢了,買車了,想添加個尾翼。但不知道尾翼到底管用么?
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2017年的CFD已經用于各種行業,你所知道的領域都存在CFD的身影。
2. 學術界的CFD
在嚴謹的學術界,CFD(Computational Fluid Dynamics),中文譯名為"計算流體力學"。
CFD將物理、計算數學、計算機糅合一起,來模擬流體的運動,最早開始與1930年代初期。
CFD的首次應用是求解非線性的亞音速勢流方程。之后隨著計算機能力的增強,CFD大肆普及。
CFD得益于計算機,也受限與計算機。
1980年代計算機展露萌芽的時候,二維以及三維歐拉方程的求解變成了可能。
多重網格法(CFD逆天黑科技:“多重網格法”)的提出以及計算機能力的大幅提升,CFD也可以用于模擬飛機外流場以及旋轉機械的內流。
1979年Spalding(“CFD名人堂”|Brian Spalding)的學生Patankar的SIMPLE算法依然是21世紀CFD求解器重要的求解算法。
1980年代中期,CFD研究者的重心轉移到了考慮粘性的Navier-Stokes方程(NS方程提出者:Claude-Louis Navier)求解。
1985年,Issa的PISO算法問世,獨創非迭代壓力速度求解算法,依然是當今瞬態問題的首選算法。
同時,各種湍流模型(十年經驗之SST湍流模型(一)以及差值格式(CFD玩了這么多年,聽說過著名的“快”格式不?)層出不窮。
湍流模型中劍走偏鋒的當然是LES以及DNS(幾張圖說明LES、RANS)。但是目前LES和DNS距離工程實踐操作還任重道遠。
1980年代末期,得益于隱性格式(非穩態離散中的“顯性”和“隱性“格式),真實的氣動力學模型可用于CFD計算,隨后使用CFD進行組分混合、燃燒、火焰模擬逐漸成為研究熱點。
另外,1979年的FCT算法(CFD中的“通量修正”算法,隱姓埋名40年),已經是各種高分辨率格式的雛形。
同時需要注意的是,1983年的Rhie-Chow插值格式的提出,同位網格全面的取代了錯位網格。
在現代,CFD已經大量的用于汽車、飛機、醫學、能源、暖通行業的相關研究。
然而,CFD市場遠沒有有限元市場巨大,正如下文所說:
“CFD market is not quite as large as the one for structural mechanics. The lag can be explained by the fact that CFD problems are more difficult”
-- "Computational Method for Fluid Dynamics"
造成這個原因或許是,CFD真的是太難了。
本節數據來源于網絡
3. F與O的對決,以CFDer的名義
當今CFD市場(如果國內有成熟的CFD市場的話),Top2必然是商軟ANSYS Fluent以及開源免費OpenFOAM。目前的Fluent已經成為是ANSYS旗下的產品(“ANSYS,無處不在” | CAE巨頭50年)。
目前的OpenFOAM通常指的是OpenFOAM基金會發布的版本(“OpenFOAM”的前世今生)。
商軟Fluent與免費OpenFOAM,到底應該選擇哪個?
ANSYS自2004年起Google搜索熱度
OpenFOAM自2004年起Google搜索熱度
ANSYS熱度區域前5名:中國,韓國,印度,伊朗,臺灣
OpenFOAM熱度區域前5名:伊朗,德國,瑞典,日本,中國
數據來源于Google,CFD界對此不進行評論,僅供娛樂。
ANSYS Fluent(以下簡稱Fluent)從屬于ANSYS。ANSYS的前身是SAS,SAS由Swanson創立,最初主要關注有限元算法。SAS成立之初就是以商軟的名義,以公司化運營。
OpenFOAM前身是FOAM,是Henry Weller在帝國理工大學,自己搗鼓出來的產物。隨后經過Gosman(CFD名人堂 | A. D. Gosman)90年代若干博士的開發,在2004年發布開源版本OpenFOAM。
負責Fluent算法開發和植入的人數官方并沒有透漏。不過ANSYS在世界各地具有大量的代理商進行銷售。
OpenFOAM負責開發的人員,遠比你們想象的要少,且OpenFOAM無人負責推廣。
ANSYS隨后一直進行著大量的并購,整合CAE領域的分析軟件,ANSYS的目標是滲入CAE的所有領域。
OpenFOAM至今,主要開發人員依然是Henry Weller,并且運營方是Henry Weller領導的OpenFOAM基金會。
這也就意味著,ANSYS未來的導向,需要公司內部會議來決定。
OpenFOAM的未來走向,Henry Weller個人占據絕對的主控權。
Fluent和OpenFOAM的相同點是:專注CFD。
Fluent運營自主性:★★
OpenFOAM運營自主性:★★★★★
Fluent和OpenFOAM的用戶友好性對決實際上是鍵盤和鼠標的對決。
Fluent對用戶極為友好,尤其是對于使用windows操作系統的用戶。用戶需要做的就是點擊、點擊、再點擊。對于正版用戶,還會獲得官方必要的支持。
OpenFOAM對用戶是極為不友好的,因為OpenFOAM需要在Linux下運行。這也就意味著所有的OpenFOAM前處理、后處理等都是在文本編輯器(windows下的記事本)下進行。并且OpenFOAM在2016年之前官方只負責維護Linux版本,雖然在近期,OpenFOAM官方表示OpenFOAM支持所有的操作系統,不過CFD界對此持謹慎態度。
Fluent對于那些習慣點擊點擊點擊的用戶,是天堂。
OpenFOAM對于習慣點擊點擊的用戶,是地獄倒是談不上,只不過很繁瑣。
對于大量的國外的極客們,真的有人是討厭鼠標的。Henry Weller也曾直接表示:
“Windows sucks!”
"Windows完犢子了!"
OpenFOAM對那些不用鼠標的Geek,是天堂。
Fluent對于那些不用鼠標的Geek,真的是地獄。
在這里又牽涉到另一個紛爭,你喜歡用附帶圖形界面的編輯器?還是用hjgk進行文本編輯?你喜歡用鼠標么?你每天進行寫代碼的時間是多少?
不過不管怎么樣的紛爭,業內普遍的看法是,ANSYS Fluent對用戶的友好性大大高于OpenFOAM。
Fluent用戶友好度:★★★★★
OpenFOAM用戶友好度:★
學習Fluent,下載個windows版本,然后跟著上千頁自帶的教程做就可以了。
學習OpenFOAM,你首先要熟悉Linux系統,以及習慣Linux的操作方式。這意味著,你可能還要學習如何使用Linux。
Fluent書籍資料多如牛毛;
OpenFOAM學習資料屈指可數;
Fluent官方的資料對各種工況的模擬都提供了設置方法;
OpenFOAM官方資料只進行了2個算例的設置方法;這也就意味著,如果你要進行其他的算例模擬,你就需要自己研究了。
CFD界和若干朋友溝通,OpenFOAM的學習過程,嚴重慢與ANSYS Fluent,對于新手來說,通過一星期進行OpenFOAM的安裝,一個月學會層流模擬這種情況并不少見。
Fluent上手速度:★★★★★
OpenFOAM上手速度:★★
Fluent代碼不對外公開,用戶只能進行選擇,你并不知道怎么樣使用最小二乘法去求梯度;
OpenFOAM開源,用戶可以從代碼中非常明確地了解到如何進行離散,如何求解方程組;
Fluent為閉源的商軟,提供少量的接口供用戶調用,用戶可以通過自定義函數來進行外掛CFD程序。
OpenFOAM本身為開源軟件,用戶只要了解C++語言,可以隨意的修改OpenFOAM。
Fluent代碼靈活性:★
OpenFOAM代碼靈活性:★★★★★
Fluent目前在國內外已經大量的被應用于工程實踐。
OpenFOAM目前在國外的工程項目中也正在逐漸成長,但規模并沒有Fluent大。
且Fluent和OpenFOAM都可以進行上億網格的大規模工程計算。
隨之未來的是OpenFOAM一些特別的工業應用:
對于某些企業需要的自動化運行。OpenFOAM可以通過腳本的方式,完全的做到絕對的自動化模擬以及遠程操作。Fluent受限極大。
對于正在逐步開始的云計算,OpenFOAM可以植入到任何的軟件以及平臺中。云計算企業只需要把用戶喜歡的點擊轉換成為后臺的命令。Fluent云計算目前在ANSYS公司還是一個比較新生的狀態。
各有優勢,平分秋色。
Fluent工業應用:★★★★
OpenFOAM工業應用:★★★★
因為目前普遍認為Fluent比較經得起折騰,OpenFOAM有時候比較嬌氣。這直接導致學習這倆種軟佳的結果不同。
使用Fluent,大可不管ke模型還是kOmega模型,通通算起來,并且可能還全部收斂了。
使用OpenFOAM,從ke換到kOmega,首先參數就改變了,并且可能并沒有收斂。
很明顯了,用戶使用OpenFOAM,需要對CFD有比較明確的了解才能游刃有余決勝千里。
如果和實驗數據進行對比,沒人敢說Fluent算得比OpenFOAM完美,也沒人斷定OpenFOAM更準確。
學習Fluent邊際效應:★★★
學習OpenFOAM邊際效應:★★★★★+★★
本文由趙一銘供稿,CFD界整理潤色,除第2節外本文為CFD界的主觀看法,僅為拋磚引玉,望百家齊放,百家爭鳴。
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