計算流體力學應用軟體簡介

計算流體力學應用軟體簡介
施仁傑　傅學弘　林鍚慶

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　 早期從事流體力學研究者，除了從理論方面著手之外，就只有做實驗一途。近年來由於電腦的快速發展，以電腦模擬各種流體現象，已成為一個重要的研究領域。各種商用軟體也蓬勃發展，提供了一項快速方便的研究工具。本中，「為因應國內的需求，於「年前引進了一系列的計算流體力學軟體，並提供軟體的顧問與諮詢。
　　本中心所引進的流體力學軟體，以解題方法可區分為二大類。一為有限元素 : FINITE ELEMENT )軟體，包括P3/CFD與FLITE3D。另一為有限容積 ，: FINITE VOLUME ) 軟 體 ， 包 括 CFDS FLOW3D與CFD2O0O/STORM。以下就是各種軟體的簡介。
一、P3/CFD :
　　本軟體是以有限元素法分析流體動力的泛用性軟體，主要的特點包括下列各項 :

分析穩態的可壓縮或不可壓縮流場，流體性質為 以納維爾史托斯( NAVIER．STOKES) 方程式描 述的牛頓流體。
可解三維、二維或軸對稱的流場。
具備誤差預估的功能。
具備 h、p 與 hP 網格調適( ADAPTATION)的 功能，可以自動或人工設定。
網格調適可選擇座標方向或全向性。
可加人 k． 紊流模式於分析中。
　　本軟體是 PATRAN 系列軟體中的一個模組，因此使用上是與 PATRAN 緊密結合。用 PAT- RAN 來建立模型與初始網格，然後由 PATRAN 的圖型環境中直接進人 P3/CFD 進行解題。最後的結果可以用 PATRAN 進行後處理或直接利用 P3/CFD 附帶的圖形處理器進行分析。
　　本軟體由於是採用有限元素法，在幾何形狀上可以有很大的彈性，而且藉著 PATRAN 的特殊指令可以對邊界條件或初始條件等依需要做不同的設定。目前 P3/CFD 的版本為 1，lB 版安裝在 HP，IBM 與 SGI高階工作站上。
二、FLITE3D :
　　本軟體是由一系列的程式組成，用來模擬三維可壓縮穩態非黏性流體的運動。使用的網格為非結構性的三角椎元素組成，並用有限元素法以求得方程式的解。適用的流體速度範圍可由次音速到極高音速 ( Hypersonic。非常適合於航太工業發展飛行器的分析模擬之用。其最大特點為網格產生與解題速度極快，常用以分析整架飛機的流場包含了超過百萬個自由度。
　　使用本軟體時，須先以其他CAD軟體建立模型，再進入本軟體建立網格與解題，結果再以其他繪圖軟體分析。 目前 FLITE3D 的版本為 1.0版，安裝在 IBM 高階工作站與 CONVEX 超級電腦上。

三 、 CFD2O00 :
　　CFD2O00 為用來計算分析流體連動的專業軟體， 分析的範圍包括穩態 (steady state) 及暫態 ( transient) 的情形 ， 它可以模擬層流 (laminar flow )和亂流(Turblence flow)的流場狀況並解一些熱傳問題。使用者可以依需求輸入流體的熱傳特性和化學組成來進行計算。
　　在程式模組的使用設計上，它採用視窗圖形界面所以使用十分方便，主要的架構分成三大部分 :

CFD2OOO GUI ( Graphical User Interface ) : 為使用者圚形界面，用來讀人資料檔並設定座標系統和邊界條件。它提供三種座標選擇 : 卡氏座標 ; Cartesian l ， 圖柱-極 ( Cylinderical-Polar)座標，物體趨近(Body Fitted Coordinate ) 座標 。
Easy Mesh 3D : 代數格點產生器，以物體趨近座標(BFC)提供產生複雜外形二維或三維格點的功能
STORM : 採用結構格點有限容積法(struc- ture grid finite volume ) 將統御方程式離散化 ， 再用 PISO ( Pressure Implicit with Splitting Opera- tions)演算法求解流場。
　　CFD2O00 除了圖形界面之外，也可由指令行下鍵入指令執行。另外它也開放部分原始程式讓使用者修改以便加大陣列或作資料格式、流場性質的特殊設定。計算後的結果可以存入檔案，或由後處理軟體例如 : Field View 、 Tecplot 、 Wavefront TDV 或 Plot3D 繪圖顯示流場的狀況。本中心目前 CFD2O00 的版本為 2.0 版安裝在IBM 高階工作站或 CON- VEX超級電腦上。
四 、CFDS-FLOW3D
　　FLOW3D 為一通用性分析流體力學之專業軟體。可用來分析二維、三維的可壓縮、不可壓縮之層流或紊流及燃燒模式之流場狀況與熱傳情形。本軟體採用結構多重區塊格點 ( multi-block-structured grid ) 有限容積法 ( finite-volume ) ， 由於採用結構多重區來處理研究問題之幾何形狀，故能較適切地安排模擬所需之格點，以利提高數值模擬之正確性。
　　FLOW3D 有自己的前、後處理器，前處理器 ( SOPHIA ) 用來建立幾何形狀及產生格點，後處理器 ( JASPER、CFLINE )用來觀看模擬之結果。 FLOW3D 除可由圖形界面運用外，亦可由 UNIX 系統下以指令執行使用該軟體，而模擬之結果亦可由其它之處理器( AVS、WAVEFRONT、PLOT3D ) 來觀看。 目前本中心 FLOW3D 的版本是 Version 32 ， 安裝在 IBM/RS6000 高階工作站 ( iblis ) 及 IBM/ES9000 超級電腦上。