转载：FIDAP

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FIDAP是Fluent公司的另外一个通用的CFD求解器，它可以求解从层流到湍流的范围宽广的
流动问题。在生物医学、材料加工处理、半导体制造等其它工业领域中，FIDAP有着广泛
的应用。FIDAP采用有限元方法，对涉及流体流动、传热、传质、离散相流动、自由表面
、液——固相变、流——固耦合等问题提供精确而有效的解决方案。FIDAP采用完全非结构化网格，可以采用耦合和非耦合的数值方法。FIDAP提供了丰富物理模型，可以模拟非牛顿流变、热辐射、多孔介质中的流动、化学反应和其它复杂的现象。
Fidap软件是基于有限元方法和完全非结构化网格的通用CFD求解器。适合解决从不可压缩
流到中等程度的可压缩流动问题。新版本的FIDAP增加了流固耦合功能，可以分析由流动
引起的结构响应问题。

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1 典型应用
半导体行业
可以模拟化学蒸汽沉积（CVD）、晶体生长，熔炉设计、辐射传热等；
生物医学方面
生物器官和人造组织内的血液流动；医疗器械内部的流动分析，如歧管和收缩管中的流
体问题；净化处理过程；生物器官内的空气流动。
冶金行业
可以模拟浇铸过程的相变以及穿过缝隙时温度跳跃，铝的挤出过程，浇口盘内的对流，
电解池分析。
玻璃应用方面
可以模拟熔融玻璃的流动，熔炉设计，电加热及玻璃的浇注。
环境工程方面
可以模拟空气污染物的传输、地下水流动、地下流体溢出、水处理和净化、氮氧化物的
排放。
食品行业
巴氏消毒法和无菌加热处理研究，烤箱设计，食品解冻和冷藏过程，食品涂层问题，微
波加热和电阻丝加热。
汽车行业
可以模拟外流，计算阻力、升力和力矩，气温控制系统布局，发动机内的燃烧和流动问
题，辐射器设计以及管道、阀门、泵、短舱、过滤器内流动问题，震动吸收等。
化工行业
可以模拟反应器中流动，传热传质，化学反应；混合罐的搅拌性能分析，干燥、蒸发和
冷凝过程分析。

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2 通用建模能力
¨       二维平面、二维轴对称、带旋流的二维轴对称流动以及三维流动问题
¨       稳态和瞬态流动分析
¨       蠕变流、不可压缩流、中等程度的可压缩流
¨       层流、转捩及湍流流动
¨       牛顿流体和非牛顿流体
¨       传热模型包含自然对流、强迫对流和混合对流、液/固耦合传热和辐射模型
¨       化学组分混合及化学反应，包含燃烧子模型和表面反应模型
¨       相变模型（适用于固定网格和可变形网格）
¨       自由表面运动（适用于固定网格和可变形网格模型）
¨       用于离散相（粒子/液滴/气泡）的拉格郎日轨迹计算，包含与连续相的耦合
¨       多孔介质模型，它可以各向异性的渗透性和惯性阻尼
¨       集总参数模型，如风扇、通风孔
¨       热量、质量、动量、化学组分的体积源
¨       惯性参照系或非惯性参照系

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3 网格能力

¨       四边形、三角形、六面体、四面体、三角柱（楔形及其混合网格类型）
¨       线性和二次插值网格
¨       罚函数逼近和离散化压力（两者组合）
对于组合的情形连续和间断压力模型都可供选择
¨       等阶和不等阶离散化
¨       输入I-DEAS和PATRAN的网格
¨       将流场变量从一种网格插值到另一种网格上

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4 数值方法

¨       FIDAP提供两种主要的求解方法选项，它们具有以下共同特征：
      基于有限元方法，并且使用完全非结构化网格
       适用于所有速度范围
       可支持动态的内存分配
¨       全耦合求解方法同时计算所有的自由度，它有三种不同的变化：
      Newton-Raphson法
       修正的牛顿法（Modified-Newton）
       Quasi-Newton方法，Broyden方法的改进
¨       使用直接Gaussian消去法求解上述方法产生的线性方程组
¨       Segregated算法以顺序方式单独地计算每一个自由度。它具有以下特征：
       Jacobi变量允许在单个单元扫描时构造多于一个自由度的系数矩阵
       单元扫描的向量化
      具有沙漏修正的单点求积分
       简化模板体系，它可以减小非对称总体系数矩阵的大小
       单精度或双精度存储总体系数矩阵
¨       为了求解线性方程组，Segregated方法使用直接Gaussian消去法或以下迭代方法：
      非对称系统的GMERS或共轭梯度自乘
     对称系统的共轭残差或共轭梯度

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5 瞬态求解算法

¨       显式和隐式时间积分器可供选用的
¨       对于隐式时间步逼近：
       一级精度（backwardEular）或二级精度(trapezoidal rule)
       由截断误差控制的自动时间步增量
¨       也可以选用固定时间步选项

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6 自由表面模型
FIDAP包含两类自由表面模型：变形网格和固定网格。自由表面问题可以是层流问题，也可以是湍流问题。
6.1 变形网格能力
¨       适合于模拟外部自由表面，内部流体/流体之间的界面，具有给定运动的边界，纯单一材料熔化/凝固表面
¨       任意的拉格朗日欧拉描述(ALE)
¨       可以包含表面张力
¨       动态和静态接触线
¨       2D、2D轴对称及3D自由表面

6.2 固定网格能力

¨       体积组分模型（VOF模型）
¨       适用于不规则或大变形的自由表面（例如：填充、液面晃动、涡破碎）
¨       表面张力
¨       2D、2D轴对称及3D自由表面

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7 湍流模型

¨       代数混合长度模型：
       自动混合长度计算
       用户定义混合长度计算
¨       多个k-ε模型选项，包括标准k-ε，各向异性k-ε，RNG k-ε模型、扩展的k-
ε模型
¨       Wilcox低雷诺数k-ε模型
¨       三种涡粘性模型：
       Boussiesq各向同性涡粘性模型
       Speziale各向异性涡粘性模型
       Launder各向异性涡粘性模型
¨       对近壁单元采用特殊形函数可以精确地模拟非平衡壁面效应
¨       表面粗糙度模型

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8 化学和燃烧模型

¨       基于多组元输运方程的公式表达，包含扩散和反应源项
¨       有限速率化学反应，反应数量不受限制
?       Extended Arrhenius（内置方法）
?       用户定义子程序
¨       15种组元
¨       体积相或表面反应
¨       湍流与化学反应相互作用：
?       代数涡破碎模型
?       输运涡破碎模型
?       涡扩散模型
¨       热扩散

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9 辐射传热

¨       可以选用两种辐射模型：
       基于空腔原理盒子理论的表面到表面的辐射
在模拟之前视线因子（包含影子效应）计算一次
       P-1辐射模型
¨       两种模型都可以模型化灰色漫射和非灰体表面
¨       与温度相关的发射率
¨       非灰体发射率

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10 拉格朗日分散相模型

¨       粒子、气泡、液滴在低体积组分下的轨迹计算（稳态流动）
¨       与连续相耦合的动量传递及传热传质
¨       用于非蒸发粒子的多项式和幂定律阻力模型
¨       针对蒸发粒子的附加阻力模型
¨       用户可以指定初始位置、速度、温度、大小、挥发/湿度以及粒子的化学组成
¨       考虑湍流对粒子轨道影响的随机模型
¨       Standard-normal 及long-normal的粒子大小分布
¨       粒子的边界条件有多种选项，包括具有恢复系数的反弹、吸附、逃逸
¨       在流体和分散相之间的传热传质

¨       液滴的蒸发
¨       湿粒子的干燥
¨       详细报告粒子的位置、速度、温度、直径和滞留时间
¨       根据用户定义的子程序来指定阻力系数、力、注射的位置/速度、边界条件、传
热传质

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11 边界条件

¨       可以指定多种入口/出口边界条件
       笛卡尔坐标系、柱坐标系或局部坐标系形式的入口速度
       法向/切向应力
       多组元流动中进口质量组分或组元的质量通量
       入口流体的静温
       入口湍动能和耗散率（也可以选择湍流强度和长度比例）
¨       Outflow边界条件
¨       吸气/排气风扇(fan)
¨       吸气/排气孔(vent)
¨       壁面边界条件，可以附加指定：
       笛卡尔分量形式或旋转速度形式的切向速度
       剪切应力，包含滑移条件(Navier滑移，Coulomb摩擦)
       热边界条件，可以指定热通量、温度、外部对流、辐射或者是以上条件的混合
       通过计算包括壁面粗糙度在内的特定的壁面函数来计算湍流的剪切应力
¨       包括表面张力的自由表面
¨       指定运动的表面
¨       指定空间X、Y、Z多项式函数的边界分布
¨       随时间函数曲线变化的边界条件
¨       对称边界条件、旋转周期边界、平移周期边界
¨       轴对称边界条件

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12 材料物性

¨       流体、常物性或与温度相关的变物性
¨       流体密度计算使用理想气体定律或随温度变化的多项式；对于浮力驱动的流动，使用Boussinesq假设
¨       流体粘性计算使用温度和组分的线性函数
¨       非牛顿流体模型，包含幂率流体，Bingham流体、Carreau流体、用户定义的规
律；也可以包含与温度指数形式的规律
¨       通过二阶流体模型考虑已应力效应
¨       在固体区域内与温度相关的热容和热传导率
¨       各向异性的热传导率
¨       用户定义的物性参数

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13 相变模型

FIDAP提供两种流体/固体相变模型
¨       使用变形网格追踪清晰的熔化界面
      也可以跟踪在熔化界面上溶质的浓度和分离
      熔化温度可以是温度和溶质浓度的函数
¨       使用固定网格的焓/比热方法
      随着材料的凝固，由粘性变化表述的“糊状”区域
      用于湍流相变流动的湍流粘性衰减函数

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14 流——固耦合

¨       适用于结构计算的材料特性
¨       适用于结构计算的边界条件，如位移、应力
¨       稳态流——固耦合及瞬态流——固耦合
¨       小变形流固耦合问题，即结构的变形不影响流体流动
¨       大变形流——固耦合问题；结构变形和流体流动双向耦合