169、聊聊几款主流通用CFD软件的优缺点及适用性
0.前言
0.前言
之前咱们的公众 号 主要是涉及到Fluent软件的相关内容，我个人最熟悉、用得最顺手的也一直是Fluent及其相关的工具，对其他的CFD仿真软件了解不够多。
最近我打算学习一款其他的通用型CFD仿真软件，最好是在工业界应用面比较广的那种。但是市面上CFD软件很多，各有各的说法，不知道如何选择。
所以，我把几款常见的通用型CFD软件放到一起进行梳理和对比，这篇文章就是把它们的优缺点、适用场景和核心差异，老老实实地讲清楚。希望能给和我一样有类似困惑的朋友，提供一点实在的参考。
1.通用型CFD软件
1.通用型CFD软件
在聊具体软件之前，我们必须先说明什么叫通用型CFD软件。
说白了，通用型是相对于专用型而言的。专用型CFD软件，往往是针对某一类特定问题深度优化的，比如专门做泵和压缩机流场分析的、专门做管道系统流动计算的，或者专门做电子散热仿真的。它们在自己的细分领域里可能做得非常精深，但出了这个圈子，就差点意思。
而通用型CFD软件，追求的是覆盖面。它们内置了丰富的物理模型，比如湍流、多相流、燃烧、传热、可压缩流、旋转机械、流固耦合等等，基本上工程上能遇到的主流流动问题，都能在同一个软件里找到对应的求解器。
目前工业界和学术界应用最广的通用型CFD软件：
ANSYS FluentSTAR-CCM+OpenFOAMANSYS CFXCOMSOL Multiphysics
尽管是通用型CFD软件，但各软件仍然有其更擅长的方面。
从数学上看，无论使用哪一种CFD软件，最终都是在求解某种形式的控制方程。例如质量守恒方程：
动量方程：
区别在于这些方程如何离散、如何求解、有哪些物理模型可以调用，以及软件如何帮助用户把一个实际工程问题转换成可计算的数学问题。
2.Fluent-最常见的CFD软件
2.Fluent-最常见的CFD软件
Fluent起源于20世纪80年代，最初由Fluent Inc.开发，2006年被Ansys收购。经过几十年的积累，它几乎成了CFD的代名词，在高校、科研院所以及工业界都有非常广泛的应用。
2.1核心特点
①物理模型非常丰富
Fluent基于有限体积法求解流体控制方程，物理模型极其丰富。从湍流、多相流、传热、燃烧到流固耦合，基本上你能想到的工程问题它都能算。
湍流方面，从工程上最常用的k−ε、k−ω、SST，到更精细的RSM、LES、DES，基本覆盖了工程和科研的主流需求。
多相流方面，可以根据问题特点采用VOF、Eulerian、DPM等方法。
共轭传热、辐射换热、燃烧与化学反应、颗粒输运、相变、自然对流、可压缩流、多孔介质流动等，都在它的能力范围之内。
所以，如果对比较复杂的工程问题，Fluent通常能在一个平台里完成全部计算，不需要在几个软件之间来回倒腾。
②UDF二次开发
这是Fluent在科研场景中很实用的一点。一般的输运方程可以写成：
如果研究中需要增加一个自定义源项：
通过UDF就可以把它加进去。很多论文里的复杂源项、反应速率、颗粒相互作用，都是靠UDF实现的。
关于UDF我们之前也出过比较全面详细的课程，有兴趣的可以参考文章：UDF零基础课程：课程介绍
③用户生态庞大
Fluent的用户数量摆在那里，网上的教程、文献、案例、UDF代码、经验总结多如牛毛。一些资料网站可以参考文章：八十一、分享一些学习Fluent常用的网站
遇到问题，基本上搜一下就能找到相似案例。这个优势在刚开始学习的时候尤其明显，不会卡在一个小问题上太久。
2.2优缺点
优点
通用性强，覆盖绝大多数CFD问题
物理模型成熟，从低速到高速、单相到多相都有方案
工业验证充分，工程上信得过
UDF二次开发方便，科研也能用
学习资源丰富，入门相对友好
缺点
商业授权成本不低
封闭平台，底层求解器动不了
功能越来越多，软件也越来越庞大
如果你是要开发新算法，自由度不如开源软件
2.3适合谁用
工程CFD、高校科研、汽车空气动力学、传热与能源、多相流、燃烧、颗粒输运、环境流体、复杂内部流动。
如果刚开始接触CFD，想找一款通用型软件入门，Fluent确实是一个非常稳妥的起点。
3.STAR-CCM+-工业化流程
3.STAR-CCM+-工业化流程
STAR-CCM+是西门子旗下的综合仿真平台，现在属于Simcenter产品组合的一部分。
如果说Fluent给人的感觉是一个功能非常丰富的CFD工具箱，那STAR-CCM+更突出的一点是从几何、网格到求解和后处理，尽可能在一个平台里全部搞定。这对于工业研发尤其重要。
3.1主要特点
① 全流程高度集成
一个完整的CFD流程通常是：
CAD→几何处理→网格→物理模型→求解→后处理STAR-CCM+非常强调这一整套流程的连贯性。对于汽车、船舶、飞机这类复杂工业几何，你不用在CAD软件、网格工具、求解器之间反复导入导出，整个体验顺滑不少。
② 自动网格能力突出
尤其是面对复杂几何时，它的自动化网格工具可以明显减少前处理的工作量。多面体网格是STAR-CCM+的一大特色，相比传统四面体网格，能用更少的网格数量达到同样精度，收敛也更快。
③ 参数化和自动化很强
如果需要批量计算多个设计方案，比如改变某个结构的角度、长度、高度：θ,L,H。然后自动跑完一组CFD计算，建立参数响应关系：f(θ,L,H)
STAR-CCM+的自动化能力在这时候非常有价值。
3.2优缺点
优点：
几何处理与网格流程高度集成，不用来回切换软件
自动化程度高，适合批量计算
复杂工业几何适应性好
参数化和设计优化能力强
多物理场耦合也可以在同一个平台里完成
缺点：
功能多，学习曲线并不平缓
大型模型对CPU、内存和并行资源要求高
商业授权成本同样不低
对纯粹的数值方法开发，开放程度仍然有限
3.3适合谁用
汽车空气动力学、航空航天、船舶、复杂几何外流场、参数化设计与优化、企业批量工程仿真。
如果一家公司每天的工作就是“改结构—画网格—计算—比结果”这种循环，STAR-CCM+的一体化思路会大幅提升效率。
4.OpenFOAM开源CFD软件
4.OpenFOAM开源CFD软件
OpenFOAM 和前面两款商业软件之间的区别，不在于功能多还是少，而在于一个更根本的东西--开源。
OpenFOAM是一套开源的CFD工具和框架，用C++写的。对于普通工程用户来说，这意味着很多事情得自己来；但对于科研人员来说，这恰恰可能是它最大的价值所在。
4.1主要特点
① 源代码完全开放
当控制方程是：
商业软件里你只能调参数，而在OpenFOAM里，你可以改求解器本身。因此你可以研究新的湍流模型、新的离散格式、新的压力-速度耦合方法、新的多相流模型。这是封闭商业软件做不到的。
② 特别适合做数值方法研究
你的研究问题如果是这个流动应该怎么算，OpenFOAM非常合适。
但如果问题只是这个流动怎么快速算出来，那商业软件往往更省事。
这没有高下之分，只是目标不同。
4.2优缺点
优点：
免费，没有授权成本
源代码开放，自由度极高
适合开发新模型和新求解器
原生支持大规模并行计算
在Linux和HPC环境下非常顺手
缺点：
学习门槛明显高于商业软件
前处理和网格流程没那么"傻瓜"
大部分配置靠文本文件完成
遇到问题需要有较强的自主排查能力
对编程和Linux环境有要求
4.3适合谁用
高校科研、数值方法研究、新模型开发、大规模计算、需要修改求解器的研究工作。
如果你的研究重点是开发CFD模型本身，OpenFOAM的优势是非常明显的。
5.COMSOL多物理场耦合
5.COMSOL多物理场耦合
COMSOL Multiphysics 的定位和前几款软件不太一样。它严格来说不是专门做CFD的软件，而是一个多物理场仿真平台。
它最有吸引力的地方，不是把单一流体问题算得多快多准，而是可以很自然地把流体和其他物理场放到一起算。
5.1主要特点
① 多物理场耦合
一个问题可能同时包含流体、传热、电场、化学反应：
如果这些物理过程之间还存在耦合，COMSOL的多物理场框架用起来会非常顺手。图形化界面里拖拽几个模块，软件自动构建耦合方程组，这种体验确实很舒服。
② 支持自定义PDE
如果内置模块还不够用，COMSOL允许用户直接以偏微分方程的形式输入自定义物理场：
对于科研中的定制化建模来说，这个功能很实用。
5.2优缺点
优点：
多物理场耦合能力极强，设置非常直观
界面友好，入门体验好
微流控、电化学、流固耦合等问题优势明显
支持PDE自定义，科研建模灵活
缺点：
如果只做纯流体计算，效率不如Fluent和STAR-CCM+
超大规模CFD计算不是它的强项
建模思路和传统CFD软件有区别，需要适应
商业授权成本同样较高
5.3适合谁用
微流控、电池、电化学、生物流体、热流固耦合、流体-电场耦合、多物理场问题。
如果你的问题只是"水流过一个管道，速度是多少"，Fluent或STAR-CCM+足够了。但如果问题是"电场作用下电解液流动、传热、离子输运和电化学反应如何相互耦合"，COMSOL的优势就体现出来了。
6.CFX旋转机械领域
6.CFX旋转机械领域
CFX同样属于ANSYS体系。很多刚接触CFD的人会疑惑，Fluent已经那么通用了，为什么还需要CFX？
答案很简单：CFX在旋转机械这个细分方向上，积累了非常深厚的技术和工程经验。
6.1主要特点
① 旋转机械是它的核心特点
CFX特别适合做泵、风机、压缩机、涡轮、汽轮机、叶轮机械这类问题。这类问题的核心特点之一是流体区域存在相对运动：
其中u是绝对速度，Ω是旋转角速度，r是位置矢量。在转子和定子之间，还需要处理复杂的界面信息交换和相对运动。CFX在这些问题上有一套非常成熟的求解体系。
② 全隐式耦合求解器
CFX采用基于有限元的有限体积法，其全隐式耦合求解器同时求解动量方程和连续性方程，在处理强可压缩流动和旋转机械问题时表现出很高的稳定性和收敛速度。
6.2优缺点
优点：
旋转机械模拟经验丰富，公认度很高
转子-定子界面处理成熟
工业验证基础扎实
与ANSYS生态中的其他工具配合好
缺点：
通用性不如Fluent广泛
如果研究对象不是旋转机械，优势不明显
商业授权成本较高
6.3适合谁用
泵、风机、压缩机、涡轮、叶轮机械相关的分析和优化。如果做的是这个方向，CFX非常值得认真考虑。
7.那到底应该选哪个？
7.那到底应该选哪个？
7.1软件适用性
从实际问题出发，可以给出一个比较实用的选择思路。
做常规工程CFD，比如管道流动、汽车外气动、换热器、风道、环境流动、多相流、颗粒输运：Fluent / STAR-CCM+。这两个都属于典型的通用工程CFD平台，选哪个更多看团队习惯和已有资源。
做新模型、新算法，比如新湍流模型、新离散格式、新多相模型、新求解器：OpenFOAM。这类研究真正需要的是"修改CFD计算过程的能力"，而不是开箱即用的便利性。
做多物理场耦合，比如电池、电化学、微流控、流固耦合、热-流-电耦合：COMSOL。这时候问题已经不是"流体怎么流"，而是多个物理场怎么共同作用。
做旋转机械，比如泵、风机、压缩机、涡轮：CFX。当然Fluent和STAR-CCM+也能做，只是CFX在这个方向上的积累更深厚。
7.2我会选择哪个软件
写到这里，可以回答前言部分的问题：我会选择哪个软件进行学习？
我后续应该会选择COMSOL学习，为什么？
因为Fluent本身是通用性很强的软件，后面我肯定要学习一个和Fluent不太一样的软件。
STAR-CCM+和Fluent的重叠性太高了，没有太多的必要去重新学习一个和Fluent差不多的软件
OpenFOAM开源软件，我以前也学习过这个软件，学习OpenFOAM主要是算法改进，学习成本太高。
CFX在旋转机械方面应用很广，我目前还没有这方面的需要
COMSOL多物理场耦合，感觉更有意思一些，虽然Fluent也可以多物理场耦合，但功能肯定没有COMSOL强，后续可以尝试学习
把上面的内容浓缩一下，软件之间的定位差异就比较清晰了：
当然，这只是方便理解的定位描述，不意味着它们只能做这些。实际上这几款软件之间的功能重叠非常多。
8.总结
8.总结
很多同学可能会有一种错觉软件越高级越好，越让人看不懂越厉害，实际不是这样。
CFD计算看的是结果的准确性，而结果的准确性取决于物理模型、网格质量、边界条件、数值格式、时间步长、收敛程度等一系列因素。软件只是这些因素的载体。
即使你用高级的软件，但基本都物理过程都搞错了，那计算结果还是会错误
所以真正决定CFD质量的，不是：Fluent还是OpenFOAM？而是：物理模型+网格+边界条件+数值方法+验证
很多同学会发现熟悉软件界面可能只需要几个月，但真正理解为什么这样建模、为什么这样画网格、为什么这个结果可信，往往需要更长的时间。所以真正值得掌握的，不只是某个软件的操作界面，而是背后那套逻辑
