1  前言
随着高速计算机的出现，各种数学模型的完善和数值算法的更新，计算流体力学(CFD)的
技术得到迅速发展，在科学研究和实际工程中已经越来越受到现代科技界和工程界的重
视。世界各发达国家在国防、航空航天、交通运输、冶金和化工、能源和环境、生物、
气象、农业等各种不同的工程领域都开始了广泛利用计算流体力学的知识对各种过程进
行数学模拟的工作，以计算流体力学（CFD）为基础的计算机辅助工程分析（CAE）技术
已进入实用阶段。
    计算流体力学是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强
大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力
学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。
计算流体力学和相关的计算传热学，计算燃烧学的原理用数值方法求解非线性联立的质
量、能量、组分、动量和自定义的标量的微分方程组，这种流动能预报流动、传热、传
质、燃烧等过程的细节，并成为过程装置优化和放大定量设计的有力工具。计算流体力
学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发，在很大程度上替代了
耗资巨大的流体动力学实验设备， 不断开拓新的研究课题和研究方向， 在科学研究和
工程技术中产生巨大的影响。
CFX是由英国AEA公司开发，是一种实用流体工程分析工具。本文主要介绍CFX软件的结构
和功能，前处理系统、求解器、后处理系统，流动模型、燃烧模型和辐射模型，以及在
宝钢热轧加热炉上应用的实际结果。
2  CFX软件的基本结构和功能
   CFX包括前处理系统，求解器和后处理系统。
2.1 前处理系统CFX-BUILD
    CFX-BUILD是一种以结构分析软件MSC/PATRAN为基础的图形处理系统。CFX-BUILD将
计算机辅助设计(CAD)过程和计算流体力学(CFD)分析的工作相结合，使得工程师在做产
品的工程设计时(CAD阶段开发)即可对过程的特性进行分析。
    CFX-BUILD 以下列先进的方法构造非结构化的多块化的网格。
1) 可以直接访问各种CAD软件：如CADDS5，CATIA，Eucllid3，Pro/Engineer和Unigrap
hics。
2) 可以从任一CAD系统例如MSC/PATRAN和I-DEAS，以IGES格式直接读入CAD图形。
3) 具有很强的操作功能，例如可以自动调整和组合各种曲面，从CAD数据读入高质量网
格。
4) 具有出色的几何造形能力，例如可向任意曲面扩展。
5) 带有很强的图形处理工具。
6) 具有高度自动的曲面和体网格划分能力，以保证生成高质量的网格。
2.2 CFX 4
    CFX 4能用于计算各种流体流动、燃烧和传热过程。适用于直角/柱面/旋转坐标系，
稳态/非稳态流动，瞬态/滑移网格，不可压缩/弱可压缩/可压缩流体，浮力流，多相流
，非牛顿流体，化学反应，燃烧，NOx生成，辐射，多孔介质及混合传热过程。CFX 4还
包括辐射换热模块CFX-RADIATION和材料数据库模块CFX-INFOCHEM。
    CFX 4采用有限体法，自动时间步长控制，SIMPLE算法，代数多网格、ICCG、Line、
Stone和Block Stone解法。差分格式包括：隐式、上风、高次上分、Quick、CONDIF、T
VD/MUSCL、CCCT。壁面边界条件包括：线性/对数/平方，非滑移/滑移/混合,静止/运动
/旋转，绝热/等温/恒热流/混合等。
   其主要功能包括：
1) 非结构化多模块：CFX 4有一个非结构化多模块求解器。能有效、精确地表达复杂几
何形状，任意连接模块即可构造所需的几何图形。在每一个模块内，网格的生成可以确
保迅速、可靠地进行，这种多块式网格允许扩展和变形，例如计算气缸中活塞的运动和
自由表面的运动。
  滑动网格功能允许网格的各部分可以相对滑动或旋转，这种功能可以用于计算混合容
器中转动的叶片和隔板间的相互作用。
2) 先进的湍流模型：CFX 4引进了各种公认的湍流模型。例如：k-?模型，低雷诺数k-?
模型，RNG k-?模型，代数雷诺应力模型，微分雷诺应力模型，微分雷诺通量模型等。
3) 多相流：CFX 4的多相流模型可用于分析工业生产中出现的各种流动。包括单体颗粒
运动模型，连续相及分散相的多相流模型和自由表面的流动模型。
4) 传热：CFX 4可以计算对流、传导和辐射。CFX4-RADIATION采用Monte Carlo法和区域
离散法计算辐射。
5) 化学动力学和燃烧模型：反应动力学模型可以用以分析包括几种化学物质和多个化学
反应的化学体系。对于每一个反应物类，程序自动设置传递方程，计算速率常数、反应
热和相的变化。燃烧模型可以求解任一燃料的燃烧过程。
2.3 CFX 5
    CFX 5是一种强大的新型藕合求解器。其优势在于处理流动物理现象简单而几何形状
复杂的问题。CFX 5能同时求解压力和动量方程，求解过程稳定可靠。目前发行的版本中
提供稳态/非稳态流动，不可压缩层流/湍流，自然对流摸型等，其它物理模型计划将于
今后发行的版本中加入。与大多数CFD程序采用的SIMPLE算法相比，CFX 5占用机时少，
对于网格节点多的工程问题，这一优点尤其突出。
2.4 CFX-TASCflow
    CFX-TASCflow在旋转机械CFD计算方面具有很强的功能。它可用于不可压缩流体，亚
/临/超音速流体的流动，采用具有壁面函数的k-?模型、2层模型和Kato-Launder模型等
湍流模型，传热包括对流传热、固体导热、表面对表面辐射，Gibb’s辐射模型，多孔介
质传热等。化学反应模型包括旋涡破碎模型、具有动力学控制复杂正/逆反应模型、Fla
melet模型、NOx和碳黑生成模型、拉格朗日跟踪模型、反应颗粒模型和多组分流体模型
。CFX-TurboGrid是一个用于快速生成旋转机械CFD网格的交互式生成工具，很容易用来
生成有效的和高质量的网格。
2.5 CFX-VISUALISE
CFX-VISUALISE应用了国际上知名的Advanced Visual System Inc.的图形工具。以各变
量的彩色等值图，除去隐蔽线的视图和明暗视图，速度矢量和任一剖面的等值面图；彩
色流线图和动画球粒指示流线图；任意变量的彩色图；表面网格图；探测某一点的场参
数等图形方式使用户充分理解计算结果。

 

一．CFX产品特点简介
CFX是全球第一个在复杂几何、网格、求解这三个CFD传统瓶径问题上均获得重大突破的商业CFD软件。借助于其独一无二的，有别于其它CFD软件的技术特点，CFX领导着新一代高性能CFD商业软件的整体发展趋势。

精确的数值方法
和大多数CFD软件不同的是，CFX采用了基于有限元的有限体积法，在保证了有限体积法的守恒特性的基础上，吸收了有限元法的数值精确性。

基于有限元的有限体积法，对六面体网格单元采用24点插值，而单纯的有限体积法仅采用6点插值。
基于有限元的有限体积法，对四面体网格单元采用60点插值，而单纯的有限体积法仅采用4点插值。
CFX在湍流模型的应用上，也一直是业界领先的。除了常用的湍流模型外，CFX最先使用了大涡模拟（LES）和分离涡模拟（DES）等高级湍流模型。

快速稳健的求解技术
CFX是全球第一个发展和使用全隐式多网格耦合求解技术的商业化软件，这种革命性的求解技术克服了传统算法需要“假设压力项－求解－修正压力项”的反复迭代过程，而同时求解动量方程和连续性方程，加上其采用的多网格技术，CFX的计算速度和稳定性较传统方法提高了1~2个数量级，更重要的是，CFX的求解器获得了对并行计算最有利的几乎线形的“计算时间-网格数量”求解性能，这使工程技术人员第一次敢于计算大型工程的真实流动问题。CFX突出的并行功能还表现在它可以网络上UNIX、LINUX、WINDOWS平台之间随意并行。

丰富的物理模型
CFX的物理模型是建立在世界最大的科技工程企业AEA Technology 50余年科技工程实践经验基础之上，经过近30年的发展，CFX拥有包括流体流动、传热、辐射、多相流、化学反应、燃烧等问题的丰富的通用物理模型；还拥有诸如气蚀、凝固、沸腾、多孔介质、相间传质、非牛顿流、喷雾干燥、动静干涉、真实气体等大批复杂现象的实用模型。

此外，CFX为用户提供了从方便易用的表达式语言（CEL）到功能强大的用户子程序的一系列不同层次的用户接口程序，允许用户加入自己的特殊物理模型。

旋转机械一体化解决方案
在旋转机械领域，CFX向用户提供从设计到CFD分析的一体化解决方案。提供了三个旋转机械设计分析的专用工具：BladeGen、TurboGrid、TASCFlow。
BladeGen是交互式涡轮机械叶片设计工具。用户通过修改元件库参数或完全依靠BladeGen中的工具设计各种旋转和静止叶片元件及新型叶片，对各种轴向流和径向流叶型，从CAD设计到CFD分析在数分钟即可完成。
TurboGrid为叶栅通道网格生成工具。她采用了创新性的网格模板技术，结合参数化能力，工程师不仅可以既快捷又简单地为绝大多数叶片类型生成高质量叶栅通道网格。所需用户提供的只是叶片数目、叶片及轮毂和外罩的外形数据文件。
TASCflow是全球公认最好的旋转机械工程CFD软件，由于特为旋转机械裁制的完整软件体系，以及在旋转机械行业十多年的专业经验，TASCflow被旋转机械领域90%以上的企业作为主要的气动/水动力学分析和设计工具，其中包括GE，Pratt & Whitney, Rolls Royce，Westing House，ABB，Siemens，CE，Voith Hycho等企业界巨擘。