作者 | 張楊 仿真秀科普作者
首發 | 仿真秀公眾號（ID:fangzhenxiu2018）
導讀：ANSYS公司在21世紀初收購了Fluent 流體力學解決方案，原本在流體領域佔有優勢地位的CFX流體求解器就被“降格”成為了 “二當家”，被迫將自己在ANSYS平臺中建立起來的優勢地位拱手相讓。
隨後，在接下來十幾年的發展過程中， CFX逐漸被大家所遺忘，慢慢的淡出了主流流體求解行業的視線。目前，也只能在渦輪機械相關的工業品中苦苦支撐，甚至連ANSYS公司自己也調整了推廣策略和研發的策略，只有在針對旋轉機械相關的產品進行更新（如最新的諧波模型）和方案推廣。
但是，不要忘了，CFX本身在全球的客戶中還是具有相當一部分忠實用戶的。憑藉其友好的操作界面，樸實高效的求解進程，明確清晰的模塊分工等特點，CFX多年來仍舊一直受到特定人群的追捧，不光是渦輪機械行業，在其他行業也都留下了華麗的身影。
圖1 使用CFX軟件計算F1方程式賽車的外流場
一、CFX發展的光輝歷程
CFX軟件是全球第一個通過ISO9001質量認證的大型商業CFD軟件，是英國AEA Technology 公司為解決其在科技諮詢服務中遇到的工業實際問題而開發，誕生在工業應用背景中的CFX一直將精確的計算結果、豐富的物理模型、強大的用戶擴展性作為其發展的基本要求，並以其在這些方面的卓越成就，引領著CFD技術的不斷髮展。
1995年，CFX收購了旋轉機械領域著名的加拿大ASC公司，推出了專業的旋轉機械設計與分析模塊－CFX-Tascflow，CFX-Tascflow一直佔據著80%以上的旋轉機械CFD市場份額。同年，CFX成功突破了CFD領域的在算法上的又一大技術障礙，推出了全隱式多網格耦合算法，該算法以其穩健的收斂性能和優異的運算速度，成為CFD技術發展的重要里程碑。CFX一直和許多工業和大型研究項目保持著廣泛的合作，這種合作確保了CFX能夠緊密結合工業應用的需要，同時也使得CFX可以及時加入最先進的物理模型和數值算法。
2003年，CFX加入了全球最大的CAE仿真軟件ANSYS的大家庭中並正式更名為ANSYS CFX。從此，ANSYS將可以提供包括固體力學、流體力學、傳熱學、電學、磁學等在內的多物理場及多場耦合整體解決方案。
雖然目前CFX定位與渦輪機械這一細分市場的領軍工具，但其本質仍舊是全行業的通用流體求解器。子創立之初起，CFX軟件就廣泛的應用於各個行業的工業品設計之中，主要用於深入觀察設備和過程的細節，可以有效提高生產效率、產品壽命並優化流程。在數十年的發展過程中，CFX已經遍及航空航天、旋轉機械、能源、石油化工、機械製造、汽車、生物技術、水處理、火災安全、冶金、環保等領域，為其在全球8000多個用戶解決了大量的實際問題。
圖2 CFX軟件計算內流場
二、軟件豐富的物理模型
※ 多相流模型
ANSYS CFX軟件擁有數十多年的多相流仿真分析經驗，可以模擬多組分流動、氣泡、液滴、顆粒和自由表面流動進行模擬。粒子輸運模型可以模擬連續相內的一個或多種粒子流。瞬態粒子追蹤模擬能力，可以模擬火焰撲滅過程、粒子沉降和噴霧。粒子破碎模型可以模擬液體顆粒霧化，捕捉粒子在外力下的破碎過程，並考慮相間的作用力，壁面薄膜（Wall film）模型可以考慮顆粒在高溫/低溫壁面的反彈、滑移、破碎等現象。歐拉多相流模型可以很好地模擬相間動量、能量和質量傳輸，而且ANSYS CFX中包含豐富的曳力及非曳力模型，全隱式耦合算法對於求解相變導致的氣蝕、蒸發、凝固、沸騰等問題具有很好的健壯性。MUSIG多尺度顆粒模型可以模擬顆粒在多分散相多相流動中的破碎和合並行為。利用粒子動力學理論和考慮固體相之間的作用，可以模擬流化床內的流動。
在旋轉機械領域ANSYS CFX一直擁有最豐富的模型材料庫，平衡溼蒸氣和非平衡溼蒸氣模型可以準確預測汽輪機流動現象，豐富的真實氣體模型可以準確預測各種非理想假設下的流動。
圖3 澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）利用ANSYS-CFX模擬的流化床內氣泡的形成和發展過程
※ 燃燒物理模型
不論在燃氣輪機燃燒設計、汽車發動機燃燒模擬、膛爐內煤粉燃燒還是火災模擬，ANSYS CFX都提供了非常豐富的物理模型來模擬流動中的燃燒和化學反應問題。ANSYS CFX涵蓋從層流到湍流，從快速化學反應到剛性化學反應，從預混燃燒到非預混燃燒的問題。所有的組分作為一個耦合的系統求解。對於複雜的反應系統能夠加速收斂。模型包括單步/多步渦破碎模型、有限速率化學反應、層流火焰燃燒模型、湍流火焰模型、部分預混BVM模型、修正的部分預混ECM模型，同時NOx模型、soot模型、Zimont模型、廢氣再循環EGR模型、自動點火模型、壁面火焰作用（Quenching）模型、火花塞點火模型也包括在內。
圖4 CFX模擬的500 MW電站煤粉鍋爐爐內燃燒
※ 豐富的湍流模型
絕大多數的工業流動為湍流。因此，ANSYS CFX軟件一直致力於提供並開發最先進的湍流模型，用來有效並準確地捕獲湍流。湍流模型對CFD計算影響較大，尤其是複雜構型的阻力評估，存在層流到湍流的轉捩，附面層分離、激波誘導附面層分離等複雜的流動現象，常規的二方程湍流模型難以勝任各種複雜流動，ANSYS CFX 擁有包括 S-A 模型在內的15種湍流模型，其中SST模型+低雷諾數修正可以更準確地模擬中度分離流、低速氣動力，對於層流到湍流的轉捩流動，可以採用基於SST的轉捩模型。
而對於大分離非定常流動，常規的二方程湍流模型無能為力，ANSYS CFX 的 DES 分離渦模型、SAS 修正分離渦模型在邊界層區域採用雷諾平均方程，在分離區域採用大渦模擬，因此可以有效減小大分離流動計算量，計算結果可以和大渦模擬的效果相當。
圖5 CFX計算從層流到湍流的轉捩
※ 可擴展性強的動網格模型
當流體模型包括幾何運動，例如轉子壓縮機，齒輪泵，血液泵或者內燃機時，就要求網格的運動。特別是在流固耦合計算中涉及固體在流體中的大變形和大位移運動，ANSYS CFX結合ICEM CFD實現外部網格重構功能，用來模擬特別複雜構型的動網格問題，這種運動可以是指定規律的運動，比如汽缸的活門運動事件，也可以是通過求解剛體六自由度運動的結果，配合ANSYS CFX的多構型（Multi-Configuration）模擬，可以方便處理活塞封閉和邊界接觸計算。而且，對於螺桿泵、齒輪泵這種特殊的泵體運動，ANSYS CFX開發了獨特的浸入固體方法（Immersed solid），不需要任何網格變形或重構，採用施加動量源項的方法來模擬固體在流體中的任意運動。基於以上兩種動網格策略，用戶可以方便地解決任意複雜的動網格問題。
圖6 CFX與ICEM聯合仿真的動網格模型（內燃機活塞缸）
三、小巧但實用的亮點功能
※ 精確的數值方法
和大多數CFD軟件不同的是，ANSYS CFX採用了基於有限元的有限體積法，在保證了有限體積法的守恆特性的基礎上，吸收了有限元法的數值精確性。
圖7 基於有限元的有限體積法
- 基於有限元的有限體積法，對六面體網格單元採用24點積分，而單純的有限體積法僅採用6點積分。
- 基於有限元的有限體積法，對四面體網格單元採用60點積分，而單純的有限體積法僅採用4點積分。
※ 快速穩健的求解技術
ANSYS CFX的核心是其先進的求解技術：多重網格耦合求解技術。這是快速且穩健地得到可靠且準確結果的關鍵。用戶可以跟蹤收斂進度並動態監測數值和物理變量。求解參數、邊界條件和其它參數可以在不停止求解器的情況下進行調整。ANSYS CFX求解器默認使用二階精度的數值格式求解，確保用戶總能得到最準確的預測結果。
※ 高效的並行技術
ANSYS CFX的求解器獲得了對並行計算最有利的幾乎線形的“計算時間-網格數量”求解性能，這使工程技術人員敢於計算大型工程的真實流動問題。多核處理器和集群計算機的出現後，這種固有的特點變為更加重要。隨著CPU和內存的發展，ANSYS CFX軟件的計算能力也不斷提高。ANSYS CFX可以無一例外地實現所有物理模型的並行計算。
※ 基於CCL與CEL語言的二次開發
CFX具備有成熟的二次開發工具，包括additional variable、CEL語言、CCL語言等，用戶可以根據自身的需求高自由度的進行定製化開發，代碼的處理方式簡便穩定，而且能夠與workbench有效兼容。目前ANSYS軟件中70%以上的流體仿真模板都是基於CFX軟件開發的，這也從側面證明了CCL與CEL語言的功能強大和高效。
※ 計算自動終止技術
CFX具備根據已有條件自動判定仿真結果的能力，用戶可以根據計算域中的物理變量隨時停止當前的仿真，這一功能是其他CFD軟件（尤其是Fluent）所不具備的。舉個例子，比如說當我們需要進行一個瞬態仿真的時候，希望某一個區域溫度最大值超過某個數值（比如500K）時停止計算，並給出停止計算的仿真時刻以及對應的溫度分佈。那麼，此時的CFX就可以根據我們的需求，編寫CEL表達式語言，並將該判斷語句作為計算終止的條件，從而輕鬆實現我們的目的。
總而言之，CFX仍舊是全行業可靠、穩健的流體求解器，有著自身相對鮮明的個性和特點。如果大家希望嘗試Fluent之外的流體仿真工具，那麼CFX仍舊是一個不錯的選擇。
圖8 基於Workbench的CFX與Mechanical雙向流固耦合案例
四、ANSYS CFX高級流體仿真分析線上培訓
為了幫助大家更好地掌握ANSYS CFX高級流體仿真工具的風采。仿真秀平臺將於2020年3月26日19時30分線上直播《ANSYS CFX高級流體仿真分析線上培訓 》體驗課程，預計時長約90分鐘。主要針對軟件本身的通用操作介紹，具體包括：
① CFD仿真方法概述
② ANSYS CFX 功能亮點簡介
③ 典型CFX工程流體與熱仿真案例實操
④ 線上培訓課程內容簡介及案例預覽
通過本期直播體驗課可以獲得
① 有限元分析中流體仿真的基本流程及工作重點
② 在各個行業中ANSYS CFX軟件可以解決哪些實際的問題
③ 對比Fluent軟件，CFX有哪些優勢和亮點
④ 如何針對某一個特定的模型進行流體仿真與熱計算
聽課方法：新用戶 識別下方二維碼，邀請進CFX直播交流群和觀看直播(可以與講師交流，領取相關資料)。老用戶直接微信私信仿真小助手/仿真小能手走綠色通道。其他用戶可以識別下方二維碼進入直播間觀看。
進CFX群交流和看直播
識別二維碼進入直播間觀看
而為了讓大家能夠更全面更系統的學習這款軟件使用，我將結合長期從事ANSYS軟件流體相關工作的經驗，聯合仿真秀 為大家提供一套線上的仿真課程——《ANSYS CFX高級流體仿真分析線上培訓》，通過對2020R1最新版本軟件整體功能的介紹和9大經典案例的講解，帶領大家快速上手解決工作中的問題，希望能夠為大家的學習提供有力的支持。
培訓軟件版本
1、線上培訓講師簡介
張楊老師，仿真秀優秀講師，畢業於北京理工大學（本科+碩士）流體力學相關專業，精通流體相關的基礎知識與行業應用。在校期間多次參與武器導彈方面的流體項目，畢業後在流體仿真行業工作，
主要負責流體軟件培訓工作和諮詢項目實施，流體相關培訓經驗豐富，累計培訓學員1000餘人。長期從事ANSYS軟件流體相關工作，精通SCDM、ICEM、FLUENT、CFX等軟件，對流體仿真中的難點問題如：流固耦合、多相流、動網格、UDF、複雜幾何前後處理等問題，具備大量的相關工作經驗。
2、線上直播培訓形式
- 線上直播培訓分3部分進行
- 第一部分：線上直播體驗課。本課程為加密直播，只有對講師感興趣直播培訓的用戶參加，直播期間課所有人可申請免費體驗。直播結束後，該視頻在仿真秀官網可以付費觀看。對於後續想參加講師線上直播培訓的用戶，可以聯繫仿真小助手申請免費觀看。提前付費報名講師線上直播培訓的學員，走綠色通道，並給與互動答疑機會。
- 第二部分：視頻線上觀看， 講師根據線下培訓大綱，精選用戶關注的問題和知識點，錄製為系統線上視頻，拒絕任何形式的錄屏，仿真秀為講師版權提供法律保護。
- 第三部分：加密直播一對一，時長2小時（限1次），主要解決用戶在觀看視頻課程後，對一些沒有理解問題的解答，也可以給出用戶遇到的實際問題解決思路。如需詳細分析，可尋求項目諮詢服務。所有參與線上直播培訓的用戶均可以加入講師VIP群，長期提供學習答疑（文字和圖片）。
3、線上直播培訓優勢
- 加密視頻由講師使用新版本軟件錄製全新內容，課程優勢請查閱前文。
- 線上直播培訓，用戶學習自由度增加。可以在家或工作單位安排學習。
- 性價比高。 線上直播培訓，減少學員出差成本（車票+住宿）、時間成本和機會成本等。
- 提供發票可以報銷。參與線上培訓的學員可以聯繫我們開具培訓通知和正規培訓發票等相關事宜。
- 直播培訓結束後，我們為講師與用戶建立VIP用戶交流群，解答用戶未來學習過程中一些困惑。並且發放培訓有關的資料和模型。
4、線上培訓價格與報名
- 本期課程為仿真秀平臺優秀講師精心製作而成，課程價值2599元，優惠價：1699元（前5名），促銷價：1999 元。
- 報名和諮詢學員請添加仿真秀小秘書溝通，（見下方二維碼）
劉老師電話：15321399867（微信同號）
閱讀更多 仿真秀APP 的文章
