本文为翻译文档。主要描述了COMSOL、CONVERGE CFD以及NUMECA OMINS软件在流体计算中的功能以及优劣势。

原文地址：https://www.resolvedanalytics.com/theflux/comparing-cfd-software-part-3-semi-comprehensive-cfd-software

翻译工具：有道词典

注：本文为翻译稿，并不意味着完全认同文中观点。另外，校核工作很粗糙，建议阅读原文。

在我们最初的文章中，我们将性能最高的CFD软件类定义为综合类。下面是我们不那么科学的标准列表，我们使用这些标准来将软件包分类为全面的或者不全面的。

• 能够导入不同来源复杂的三维实体和表面几何图形
• 具有一体化的工作流程，包括前处理、仿真和后处理
• 具有广泛的多物理仿真能力
• 高效的数据架构、数值方法及使用各种配置的硬件和软件
• 软件供应商验证和确认物理及数值方法
• 用户编码和/或命令行操作的需求

在本节中，我们将讨论那些努力成为全面的、多物理工具的软件包，但是在我们看来，它们在某些方面还有所欠缺。有许多可用的CFD软件包可以被描述为半全面的，我们不可能把它们全部检查一遍而仍然完成任何实际的工作。因此，在这里，我们将重点放在这类软件的三个软件包上，基于它们庞大的用户基础和/或它们变得全面的潜力：COMSOL Multiphysics、CONVERGE CFD和Numeca OMNIS。如果我们有更多的时间，我们很想回顾一下这个半综合类别中的其他一些软件包，包括Altair AcuSolve、Flow Science Flow-3d、MSC SC/Tetra和SimScale。

1 COMSOL Multiphysics

COMSOL成立于1986年7月，总部位于瑞典斯德哥尔摩。两位创始人是KTH的Germund Dahlquist教授的前博士生，最初与美国Mathworks合作，成为MATLAB的欧洲分销商。在此期间，COMSOL开发了自己的软件FEMLAB，扩展了MATLAB求解偏微分方程的能力。起初，FEMLAB依赖于MATLAB引擎，但到2004年两家公司分道扬镳时，COMSOL已经开发了自己的基于有限元的网格划分和求解器。与MATLAB一样，该软件被认为是一个平台，附加了可用的工具箱组件，用于在各种物理领域创建和执行仿真。早期的成功主要来自大学和研究实验室，包括与 Chalmers 和斯坦福等机构的密切合作。

2005年，FEMLAB改名为COMSOL Multiphysics (COMSOL)。利用图形用户界面(GUI)和类似于MATLAB的编程界面，研究人员可以利用FEMLAB工具定制分析，以解决其特定的多维物理应用。COMSOL非常巧妙地填补了MATLAB缺乏空间离散化复杂性和更广泛使用的基于GUI的空间求解器(如ANSYS)之间的空白，后者缺乏易于使用的编程接口，允许将通用求解器应用于研究特定微分方程和边界条件。

尽管COMSOL最近被宣传为一种通用的工程工具，但它在传统上更多地被研究人员而不是工程师使用。然而，COMSOL公司一直在努力改变这一现状，试图在提高工程师的易用性的同时，又不疏远他们过去以研究为导向的用户群体。

1.1 工作界面及流程

幸运的是，在resolve Analytics，我们所有人都在努力工作，所以你不必这么做。让我们从COMSOL接口和工作流开始。COMSOL推荐的第一步是使用模型向导选项指定multi-physics的性质问题，你想模拟，如是否问题在本质上是2d或3d，物理学将包括什么，问题是是否稳态或瞬态。完成此步骤后，用户进入工作流的模型构建器部分。

与大多数多物理仿真软件一样，首先创建或导入几何图形。COMSOL GUI包括一组计算机辅助设计(CAD)工具在一维几何建模，2 d， 3 d，但在大多数工程情况下，它是更高效的进口从现有的三维实体模型表面文件或创建新的几何使用更复杂的工具在你的公司的三维实体建模软件的选择。模型生成器窗口左侧的模型资源管理器显示菜单项，这些菜单项随后将用于定义模拟参数、边界条件等。

1.2 物理模拟能力

COMSOL采用并继续致力于MATLAB模型，根据需要，被许可方购买平台和额外的工具箱或模块，以满足他们的项目需求。这些工具箱包含设置和执行领域特定问题所需的内容。该列表最初由化学工程、电磁学和结构力学模块组成，现在已经增长到40多个，如下面的最新产品套件图所示。在CFD模块中，COMSOL提供了多种多相模型，包括自由表面界面跟踪的水平集方法、欧拉-欧拉离散相模型和拉格朗日粒子跟踪模型。流体结构相互作用可以采用单向或双向耦合过程。所有类型的流动流变性能被模拟，包括牛顿、粘弹性和其他非牛顿的行为，以及在多孔介质中的流动。也有一些湍流壁面模型和湍流亚网格级模型可用，包括最近增加的v2-f湍流壁模型。读者应该记住，尽管所有这些物理功能都可以组合起来，但它们的组合可能需要单独购买模块，从而导致成本会增加很多。

1.3 几何清理及网格

在COMSOL工作流程中，新用户都喜欢使用几何创建工具从零开始创建几何图形。这并不奇怪，因为它是MATLAB的一个附加组件。COMSOL几何图形创建工具是最好的工具之一。然而，这样的工作流程与产品工程的快节奏世界并不一致，在这个世界中，3D实体模型在大多数情况下都存在。COMSOL公司将CAD导入和LiveLink模块结合在一起，从而满足了这一现实需求。

在COMSOL基本包中只能导入STL文件。通过购买CAD导入模块可以扩展几何导入功能，包括SAT、STEP和IGES文件格式，以及native Inventor、NX、Pro/E和Solidworks部件或组件。LiveLink for CAD模块进一步扩展了本机三维实体模型和仿真环境的互操作性，包括在优化研究中特别有用的参数传递。

COMSOL实现了几个有用的几何修改工具。首先，3D实体模型文件中指定的实体和其他特性可以在导入时保留，这简化了模型设置。其他有用的功能包括能够创建一个三维实体从一个导入点或表面网格，布尔操作之间的导入实体，表面清理和修复工具，和自动接触对定义。

网格划分是通过两种工作流程之一完成的:物理控制的网格划分和用户控制的网格划分。可以为任意一个工作流指定的3D网格包括四面体、六面体、金字塔或棱柱体，默认为四面体。当存在多个区域时，每个区域都可以通过共形节点接口进行单独的网格划分，该接口由网格划分序列中首先定义的区域的大小定义驱动。我们毫不费力地在下图所示的边界层中创建了带有棱柱网格的四面体网格。在尾迹区域实现精细网格或将四边形网格与主要流向对齐是比较困难的，此时需要额外划分CAD区域。

1.4 仿真模拟

当使用有限元方法对偏微分方程的解进行数值逼近时，该方法需要分段线性形状函数的假设来定义解在空间离散化的节点之间的变化。通过高阶形状函数的组合或增加节点位置的密度，可以获得更高精度的近似解，但这两种方法都会产生各自的计算代价。对于线性静力学问题，增加形状函数的阶数比增加节点数更有效。

然而如果采用高阶单元，控制流体流动的Navier-Stokes方程的非线性会导致数值不稳定。在这种情况下，只有线性单元可以与通过各种方法添加的人工耗散结合使用来保持稳定性。对于包括流体流动在内的多物理问题，流体流场的一阶离散化证明了在整个模型中使用一阶单元的合理性。固体传热与固体力学相结合的问题也是如此。在多物理仿真中，使用线性形函数对高节点密度的要求是有限元模型的一个重要缺点，因为内存需求很快成为限制求解精度的因素。此外，基于域分解的模拟并行化不会像在有限体积方法中那样随着处理能力的增加，解决方案时间会线性缩减。这些数值效率低下的问题是目前最流行的计算流体力学(CFD)代码基于有限体积法的原因之一，也是COMSOL在软件分类方面的不足之处。

译者提醒：COMSOL的流体求解器是基于有限元方法的。

1.5 后处理

COMSOL中的后处理是高度可定制的，但是以效率和可访问性为代价。用于获得表面轮廓图和流线图的方法相对简单，尽管得到的图形缺乏其他一些领先的CFD包或专用后处理包有影响力。在下面的例子中，我们从先前在图1中介绍的船舶开始，并且只解决了在自由表面具有滑壁条件下通过墙壁移动的船体阻力。。颜色表和标题控制也很有限和繁琐。对于模型所预测的性能来说，这样的障碍是微不足道的，但是可视化仍然是工程应用中非常重要的一部分。

在COMSOL中，我们不喜欢的另一个后处理方面是依赖于创建表达式来执行常规计算。例如，为了检查模拟中质量、动量和能量是否守恒，我们需要创建指定COMSOL内部变量的表面或体积积分的派生值，因此需要了解程序语言变量表达式。另一个例子是计算阻力和修正迎角，两者都需要耗费用户交互的时间。其他领先的软件包已使这种共同的流体动力学物理量作为直接输出量。

译者注：这句话说到痛点了，当年差点上了贼船，就是因为这个痛点被吓下了船。用起来极其难受，不知道新版本改善了没有。

1.6 许可与成本

在最后检查，一个锁定节点的永久COMSOL许可证约1万美元。每年维护此许可证和支持以及最新的软件更新将增加20%的费用(2000美元)。CFD模块可以额外购买1万美元和20%的维护费用。将流体流动分析和线性结构力学相结合的流体-结构相互作用问题将使资本支出增加15 000美元，使年度支出增加3 000美元。基于模块的定价使得COMSOL对于具有不同物理需求的公司来说非常昂贵，并且对于那些需要重复解决有限的物理组合问题的组织来说非常有意义。并行化包含在一个节点锁定的许可上，只要在计算节点上有足够多的处理器可用，不支持超线程。

1.7 总结

COMSOL有一个令人印象深刻的物理建模能力库，尽管基于模块的定价可能会变得昂贵。COMSOL既易于学习又易于使用。然而，当涉及到流体动力学时，有限元方法求解器的低效性在一些测试案例中得到了体现。虽然，这可能不是每个人的成功或失败，特别是当时间不是问题时。然而对于高级用户来说，这肯定是一个问题。

2 CONVERGE CFD

这是一个有趣的例子。CONVERGE是一个相对较新的软件，它一直在围绕坚实的CFD基础和一些创新建立一个平台，同时保持对质量和准确性的关注。该公司是由威斯康星大学的一群研究生创建的，目的是为与模拟内燃机相关的几个挑战提供解决方案。该公司于2008年出售了首个CFD许可证。公司以汽车工业为重点，开发了与喷淋、燃烧和流固耦合模拟相关的知识产权。这种专注使该公司得以悄无声息地快速增长，该公司现在宣称，其软件被美国、欧洲和亚洲的大多数汽车公司和发动机制造商使用。该公司的目标是通过扩张进入具有类似挑战和属性的行业来实现持续增长，尤其是燃气轮机行业。

那么，让我们来看看CONVERGE CFD到底是什么。

从本质上讲，CONVERGE CFD与我们目前讨论的许多其他软件包并没有太大的不同。和其他许多方法一样，CONVERGE CFD采用了一种基于中心差分的有限体积法，对离散的守恒方程进行积分，继而求解得到的线性矩阵。

CONVERGE与大多数传统CFD软件包的第一个不同之处是，它实现了运行时自动网格划分算法和模拟过程中可选的网格细化操作。这种自适应网格细分(AMR)过程实现了大梯度区域的网格局部细化，此方法现在也被许多其他领先的CFD软件所追求。该公司称这种过程为自动网格划分，并认为它有以下好处：

• 通过消除手工网格创建、检查和细化的过程，节省了时间
• 精度通过更高的网格密度来提高，在需要网格密度和手动网格化策略可能无法分配网格密度的地方
• AMR提供了一种鲁棒的方法来捕捉大型或快速的边界运动
• 由于使用了优化的计算单元数量，AMR可以节省计算时间
• 一致性和标准化可以通过使用一致的网格生产算法策略来实现

2.1 物理建模能力

CONVERGE CFD拥有令人印象深刻的物理建模能力，特别是对于一个只有10年多一点历史的软件来说。其包括所有的标准功能，如稳态或瞬态模拟，不可压缩或可压缩流，被动标量输运，RANS, URANS, DES和LES湍流建模，多孔介质和源和汇。先进的能力最初集中在内燃机模拟，包括拉格朗日多相蒸发和分解模型，喷射器模型，壁膜模型，尿素喷射和氮氧化物排放建模，化学动力学求解，预混和非预混燃烧模型，表面化学模型，辐射，和共轭传热。最近，欧拉多相流VOF和欧拉-拉格朗日相转变模型被加入。除了这些功能之外，最近的其他增强包括多参考框架方法(MRF)和流固耦合(FSI)建模改进。

2.2 工作界面及工作流程

虽然网格划分可能是自主的，但预处理不是。CONVERGE Studio是一个预处理软件，包含一个标准的CONVERGE许可证，用于准备一个模拟，包括所有典型的过程，如几何准备，边界和初始条件指定，连续体定义等。与许多其他预处理器一样，convergence Studio也设置了不同的窗口，用于与模型交互，以及用于访问工作流和命令的分类菜单(dock)。

我的总体印象是，虽然功能强大，但是用户界面看起来有点拥挤，不是很美观，并且在引导用户完成案例设置过程方面表现平平。反过来，这些属性提供了严格的用户体验。在CD-Adapco和ANSYS的替代产品STAR-CCM+和Workbench之前，CONVERGE Studio感觉有点像2000年代后期pro-STAR和GAMBIT工具的改进版。我认为需要改进的几个方面是可视化、组织、用户与菜单窗口的交互以及更丰富的输出功能。对于我们来说，在提交模拟之前，没有运行网格划分和在预处理程序中可视化输出的选项是很重要的。无论是否使用AMR，该功能都非常有用。目前，一个人需要运行一个时间步，虽然没有计算求解，然后转换输出文件之前，在第三方软件查看网格。因为这对我们来说是一个频繁的操作，这是一个我们宁愿避免的耗时的工作流程。CONVERGE Studio将在未来几年进行改头换面，特别是考虑到该公司最近的发展和成功。最近发布的c++程序员招聘信息暗示，这项工作可能已经开始了。

2.3 几何清理

预处理从导入要建模的流体和/或固体域边界的几何表面(.stl)文件开始。我发现使用.stl文件令人沮丧，因为它们更频繁地遭受边界边缘、表面相交和翻转法线错误，这些错误需要手工修复或在更小的容差条件下重新导出。我们认为这将在未来改变，因为目前的趋势是向3D实体文件类型，如Parasolids。由于它们的优越性和CFD软件对高质量几何图形的要求。

接下来，对边界表面进行标记，以便为其分配正确的物理参数进行模拟。根据.stl格式，边界表面是相邻表面三角形的合成。不需要逐个挑选这些表面三角形来标记边界，CONVERGE Studio提供了一些额外的方法来隔离各个边界，并自动将栅栏内的所有三角形标记为属于某个边界。导入的表面可以平移、旋转或缩放。

不幸的是，如果您打算处理具有良好几何细节的组件或部件，您将会遇到曲面三角形错误，这些错误必须在继续操作之前修复。虽然convergence Studio提供了进行这种修复(检测、删除、拼接、修补、重正化等)的标准工具，但手工修复的整个过程让我无论使用什么软件，都想转行。老实说，我无法忍受浪费的时间。我更喜欢3D实体模型。在这种情况下，CFD检测到的几何错误是由于三维实体建模错误造成的，而不是由于导出时错误的曲面三角形定义造成的，并且可以在导出/导入之前在原生三维实体模型中修复。相信我，对于复杂的多部件组装来说，这是一个更快的工作流程。(注:Convergent Science已经让我们知道，即将发布的Convergent Studio 3.0主要版本将通过集成Spatial’s API提供一个直接的CAD几何图形导入选项。)

2.4 模型设置

此时，用户可以通过Case Setup菜单过渡到设置模拟条件。该菜单通过指定模拟类型、连续、边界条件、运动、物理模型、网格控件和输出控件提供了一个逐级递增的过程。与之前讨论的cad嵌入式工具中提供的简化模拟规范完全相反，在CONVERGE Studio中设置案例感觉上似乎走得太远了。在此过程中，需要严谨的专家知识来对许多输入步骤做出明智的选择。我相信聚合可以从简化中受益，通过隐藏一些更具技术性或挑战性的参数或模型选择，默认使用最佳实践，并使专家控制只能通过额外的菜单项访问。

边界条件规范是典型的，狄利克雷条件和诺伊曼条件都适用于入口和出口边界类型，以及壁面、对称、周期和界面边界类型。对于壁面边界，边界可以是固定的、平移的、旋转的，也可以是通过流体-结构相互作用和牛顿定律确定的。第二种选择是指定一个移动边界，在瞬态模拟的每个时间步长，网格将根据边界运动重新计算。指定了物理模型选择和初始条件后，设置的最后一步是网格定义。一个基本的网格大小(在三维)是定义的，必须是一致的跨区域。然后，在运行时，CFD将利用一种切割单元的笛卡尔方法来创建一个边界拟合网格，该网格大部分是六边形网格，在边界表面附近有任意边的多面体。

另外还有三种网格操作:网格缩放、网格嵌入和前面提到的AMR。网格缩放操作就像它听起来的那样——要么放大要么缩小基本网格的单元密度。嵌入选项允许您指定表面或体积，以细化基础网格，并可以在每个区域的基础上定义。最有趣的选项是AMR方法，在该方法中，用户指定细化的标准和在模拟期间进行细化的频率。通过编辑包含案例设置的文本文件，可以在模拟过程中调整所有网格化选项以及案例设置中指定的其他模拟参数。最近，CONVERGE提供了下面的例子，展示了使用自适应网格的大涡流模拟(LES)的结果。读者应该注意到，在被跟踪的标量具有高梯度的区域中，网格元素的浓度更高。

表面法向方向上更精细的网格分辨率的棱柱层网格选项将是一个受欢迎的额外选项，然而目前还没有可用的。(注:Convergent Science已经让我们知道，即将发布的Convergent Studio 3.0的主要版本将包含这个功能)。

在模拟之前，将验证案例设置文件，如果缺少关键的设置数据，将发出错误或警告。

2.5 仿真计算

从我的测试来看，很明显的是，CONVERGE CFD是一个经过全面测试和能力的CFD解决方案，具有丰富的复杂的用户控制。它是完全可并行的，具有跨Windows和Linux平台的良好扩展行为。解决方案本身似乎相对快速和稳定。我相信，与其他主流规范相比，CFD的数值耗散水平很可能更低，这使得它更适合于DES和LES等精度更高的方法，或许在常规的RANS计算中更准确，尽管我尚未对这一理论进行严格的验证。串行执行可以在聚合Studio中启动，也可以通过命令行启动，而并行执行只能通过命令行启动。

从以前的结果重新开始似乎工作得很好，数据输出，甚至是离散时间步长的3D字段数据输出，似乎也很有效。在我运行的测试用例中，唯一减慢求解程序的是生成网格的方法。AMR程序和边界运动方法都要求网格按周期时间步长重新计算。虽然可以通过变形或局部重网格化在幕后对流程进行优化，但是我测试的移动边界问题的重网格化流程需要大量的总体运行时间(约50%)。这导致解决时间滞后于一个可比较的模拟执行使用不同的解决方案，利用移动网格/接口方法。但是应该注意的是，CONVERGE Scieence认为这样的移动网格方法增加了过多的人工耗散，使得它们的方法更加精确，而且对于低三角形计数的重网格计算，运行时使用的高百分比将显著减少，这在普遍的发动机应用中是很典型的。

2.6 后处理

后处理是使CONVERGE CFD无法成为行业领先的综合工具的最大缺陷。自2018年以来，CONVERGE CFD已经与Tecplot的许可证捆绑在一起，允许使用Tecplot 360，这是一种流行的后期处理工具。运行CONVERGE CFD模拟，并在模拟期间和/或模拟结束时创建结果文件。如果要在不同的时间查询解决方案以进行依赖于时间的分析，则需要在每个时间查询完整的结果文件。结果文件被收集到一个单独的文件夹中，然后使用一种称为post-convert的实用工具将这些结果转换成Tecplot 360或其他常见的post-processor文件类型(如FieldView或Paraview)所使用的格式。这些结果文件随后被导入到Tecplot 360中。

作为我们在resolve Analytics的标准工作流程的一部分，我们正在积极地询问我们的模拟解决方案的进展。在这个实时询问过程中，我们将着眼于网格特征，以及它们如何与空间和时间上的波动解变量相关(作为仿真质量和仿真收敛性的度量);我们正在调整和监控流量均匀性指数、传热系数和扭矩或功率输出等重要物理量的计算;我们正在根据需要校准仿真输入，以提高仿真的准确性;我们正在测试各种输入信号的灵敏度。在CONVERGE CFD中，我们可以通过智能设计连续编写基于文本的输出文件和使用Studio line plot应用程序来管理一些典型的检查和平衡，而不需要太多额外的开销。但是，任何与3D字段数据相关的东西都需要文件转换和Tecplot处理过程，这是一个耗时的中间过程，对于那些完全集成了3D后处理功能的软件包来说，这是不必要的。我们对这种类型的交互式询问的需求与我们的高周转率和我们正在执行的各种模拟有很大关系，而且很有可能一个拥有数百个类似模型的用户不会像我们这样依赖于这种询问。与此同时，我们倾向于相信所有的模拟工程师都会在某种程度上受益于这种疑问。

当您想要记录一个与时间开发的流相关的数量的动画时，后处理工作流尤其受到限制。以某一个混合罐动画为例。模拟时间跨度为10秒，相当于搅拌桨旋转300度。每隔0.03秒，需要为地面数据和感兴趣的字段变量(标量)编写330个输出文件。这些文件的写入(每个约30MB，用于250k的计算单元计数)需要在模拟时间上增加20%的开销。post_convert实用程序需要额外的几分钟来将这些文件处理为相应的Tecplot文件，每个文件为43MB，总的存储需求为24gb。模拟完成后，整个过程花费了我大约30分钟。读者可以得出明显的结论，这种类型的工作流将如何密集的数以百万计的计算单元的问题，更长的模拟时间，和多个感兴趣的数量。对比这些需求的标准方法创建此类动画与内置的后处理软件,输出一个图像文件在规定的频率,然后把这些组合成一个动画需要1-2 MB/图像(取决于所需的图像质量)和没有额外计算时间或后处理。

2.7 许可与开销

CONVERGE CFD提供了典型的许可协议，包括节点锁定本地以及按需云使用和浮动许可。这个价格与领先的综合套餐是一致的。按需每小时许可证成本为10美元/小时，略低于竞争对手的按需价格。聚合CFD可用于领先的云计算主机，如Rescale、R-Systems和TotalCAE。

2.8 小结

CONVERGE CFD有巨大的潜力，但目前在5项标准中仅有一项不合格。它唯一没有检查的地方是我们对单一用户界面/平台的需求，用于预处理、交互式模拟和结果可视化。鉴于它在如此多的困难技术领域都表现出色，我们相信它实现飞跃只是时间问题。

3 NUMECA OMNIS

NUMECA是由查尔斯·赫希教授于20世纪90年代初创立的。Numeca成立的时候，已经有一些多功能/通用CFD工具，但它的与众不同之处在于，它允许用户专注于特定的CFD应用，而不是被迫使用当时可用的通用软件包。每个专业包都命名为Fine，使用统一的GUI进行前后处理，包括品种如一个结构化的求解器Fine/Turbo(内部涡轮机械的应用),一个专业求解器Fine/Marin(致力于包括自由表面问题,网格适应和自动优化,和自由度),非结构化求解器Fine/Open(一般工业应用程序),和Fine/Acoustics,等等。

然而，在2017年底，Numeca推出了自己的多用途CFD软件包OMNIS，试图吸引更广泛的用户，从修补匠和设计师到产品和工艺工程师，再到博士级CFD大师和超级用户。OMNIS创建的目标提供用户更简化的方法解决更广泛的CFD问题从高速化,前端分析准确性可能比速度更重要/高度复杂的计算时间,高保真模型可以周的cpu时间分布在多个云中的核心。

那么，什么是OMNIS呢?Numeca将其吹捧为一种环境:一个单独的GUI，它允许预处理和网格划分，通过任何精细的求解器(现在包括一个格子-波兹曼求解器)进行求解，以及后期处理(以及我们稍后将讨论的协同处理)。让我们深入看看。

3.1 基本界面与流程

一般来说，在OMNIS中启动和运行分析的工作流程非常简单直观，即使对于没有经过太多培训的初学者也是如此。用户界面的特点是左边有一个文件树，根据文件树选择弹出一个属性窗口，中间是主图形窗口。在图形窗口的底部中间，一个非常有用的导航工具/工作流小部件显示了项目的当前阶段/视图，以及为了运行研究必须完成的以前和将来的步骤。导航小部件如下所示，并以良好的顺序方式包括每个步骤——几何图形、域、网格、模拟和结果。就在导航工作流的上方，一个饼状图控制面板显示了可用的有用特性/选项。饼图控制面板中的选项根据活动工作流步骤进行更改。

总体界面如下图所示。

当分析人员一步一步地完成进程的每个阶段时，可以根据需要设置几何体、网格等，如果有什么需要调整或者忘记了某个设置而没有丢失任何设置，您可以后退一两步。下面，我将简要介绍每个步骤。

3.2 几何

第一步是导入分析的几何图形。我们在测试中使用了Parasolid格式，但是应该注意的是，SOLIDWORKS和CATIA等软件包含了本地CAD包兼容性。除了导入几何图形外，导航中的这一步还允许用户创建基本的几何图形，主要用于网格细分区域，也可以以与基本几何图形相同的方式导入。调整/修改导入的几何图形也可以在这里执行。

3.3 区域

下一步是Domain，在此过程中，将导入的几何图形分割为所需的边界，并分配物理边界条件。这里并没有什么特别的地方，但是以这种方式进行的一般的逐步推进允许用户专注于任务，同时又不会迷失在分析设置的混乱中

3.4 网格

一旦几何和域设置好了，下一步就是网格划分。内建在OMNIS是六面主导的HEXPRESS mesher。在我们的测试中，mesher感觉很稳健，并提供了高质量的元素以及边界层细化/充气层。通过插入细化几何图形来细化的能力非常平滑和直观。网格分析也很容易，就像调整设置和remesh的能力一样(记住，用户可以通过单击鼠标轻松回到域或几何图形而不会丢失任何设置)。我们特别喜欢的一个功能是网格预览，当用户在属性面板中调整单元大小设置时，它可以实时显示几何图形的表面网格。这使得分析人员可以在运行更耗时的网格划分步骤之前直观地看到最终的网格可能是什么样子。注意，不支持多面体网格元素。

下图显示了我们成功插入到管道中心的细化区域。它们都是在外部创建的，并作为单独的Parasolid文件导入。

3.5 仿真计算

一旦你的网格被成功创建，它的时间来确定模拟设置。在这里，流体的类型和性质，以及边界条件和求解器的设置，包括停止标准，被设置。这个步骤也很直观，但是，对于我们来说，停止的标准与其他软件包相比有点独特。我们稍后会讨论这个问题。一旦模拟准备好运行，就可以通过单击按钮从GUI中启动它，然后可以使用结果分析进行协同处理。该功能非常有用，因为用户可以在模拟求解过程中监视任何流体等高线、矢量等后处理场景。这在批处理模式中显然是不可用的，但是在模型设置过程中作为错误检查特性是很好的。使用OMINS进行模拟的一个缺点是，目前只包含一个基本的单相流求解器(除了我们尚未测试的grid - boltzmann)。这意味着没有被动标量、多孔介质、多相(拉格朗日或欧拉)、化学反应/燃烧、移动网格/移动边界，也没有从流体到固体区域的耦合传热。OMNIS是一种单相流场雷诺-平均Navier-Stokes求解器。瞬态和稳态选项是可用的，以及层流和湍流(K-Omega, K-Epsilon, spalar - allmaras，以及其他几个)。然而，从我们被告知的情况来看，Numeca的目标是最终将所有这些都引入OMNIS环境中，用额外的物理特性构建这个工具。

译者注：感觉OMINS在走STAR CCM+的路子。不过一旦融合成功，似乎也能成为CFD软件一霸。

3.6 结果分析

仿真完成后，导航面板工作流程的最后一步是结果分析。在这里，典型的后处理工具可以在主GUI窗口中使用，包括为轮廓/向量图像制作剪辑平面，以及为数据提取制作线探头。创建数量是一个很好的接触，允许用户创建自定义值(在每个单元格上)，派生自已解决的连续体属性。Numeca的用户指南中提供的一个例子是创建一个用户向量场动量(密度乘以速度向量)，然后可以通过向量图来绘制。

我们希望在这里看到一些附加功能。首先，我们希望能够创建用户监视器和报告，例如在域内或在某个平面/轴/位置上的任何流体场属性(速度、密度等)的最小值、最大值或平均值。其次，我们认为在求解过程中导出场景图像的能力将有助于制作瞬态模拟的动画。最后，内置的后处理功能似乎缺少一些我们期望从其他商业产品中获得的基本功能，比如显示流线的能力。希望在未来的版本中会有更多的特性添加到后期处理中。

3.7 其他

我们发现建立一个案例和运行它都是非常直观的。然而，我们发现平衡计算费用和准确性是一个挑战，因为与其他软件包相比，确定模拟收敛性的方法是非典型的。通常，通过最小化表示相关偏微分方程离散版本的代数方程组的整体数值误差来衡量模拟的收敛性。随着稳态仿真的进行，这些残差会跟踪到越来越低的值，从而减小了解中的误差。通常，在数值求解器的每次迭代中跟踪残差值，并且可以设置一个停止条件，以便在残差达到某个目标值(例如1.0E-4左右)之前运行代码。然而在OMNIS中，这样的残差并没有得到典型的处理。

首先，残差不是通过所有单元的标准化/平均全局误差来跟踪的——它们是根据与原始解决方案相关的数量级来跟踪的。这意味着，相对于跟踪一个1.0e-3或1.0e-4的残差目标，等效目标是-3.0或-4.0，相当于从初始迭代中减少3或4个数量级的误差。对于具有默认解算器设置(3个多网格、默认CFL数和离散化方案)的简单层流管流，要达到这个级别，需要在多核机器上花费大量时间。我们尝试运行的一个教程在超过4小时的16个核心上未能达到收敛标准。

我们注意到的第二件事是，这些残差是在每个周期而不是迭代中被跟踪的。对我们来说，循环是一个多网格方案项，因为在一个多网格算法的每次迭代中，为了更有效地求解最细网格，矩阵被粗糙化和松弛了好几层。这里的周期与迭代相同吗?不确定。我们确实注意到，将迭代次数作为停止条件并不一定会在该次数的循环中结束模拟。由于OMNIS通过一种多重网格方法解决(默认情况下)3个网格，因此作为停止条件的迭代次数可能只针对最终/最优网格，而不是所有3个网格的总和。

并行处理似乎是工作的，然而，我们运行的测试用例与其他可比的解决方案相比，花了更长的时间来达到收敛。也许我们试图向一个太低的目标靠拢。这可能是因为用户指定的剩余容差适用于所有的多网格。也许这会加快速度，也许还应该在这里添加一些独立的多重网格剩余调优。在任何情况下，应该通过用户文档中的残留错误来确定收敛性，以限制混淆。

我们没有测试任何批处理模式的流程或云计算;然而，根据用户文档，功能应该是存在的。

3.8 许可与费用

我们还不能获得任何OMNIS的价格信息，也不知道按需授权是否可用。我们会在有消息的时候更新这篇文章。

3.9 小结

Numeca OMNIS是一个可靠的工具，它允许从新手到专家的各种CFD用户在单一环境中有效地设置和运行单相流体案例分析。后期处理在这一点上似乎有点限制，以及先进的物理功能，如移动网格和多相。我们被告知，这些改进应该从未来OMNIS发行版的优良产品线中移植过来。我们一定会关注OMNIS的发展。从我们目前的经验来看，OMNIS有很多前景，特别是Numeca完成了对来自精细产品线的所有功能的集成之后。

4 总结

上面讨论的这三种工具在合适的上下文中都具有极大的价值。COMSOL提供了独特的功能，可以将自定义物理与预先包装的流体动力学解决方案方法相结合。它还提供强大的多物理功能和良好的工作流、预处理和后处理功能。它的缺点是依赖于有限元方法的计算开销(内存和速度)，以及组合多个模块以实现扩展的多物理的开销。与此同时，CONVERGE CFD拥有大量先进的工具来模拟内燃机，并迅速为更广泛的应用增加了许多功能。其独特的自适应网格划分方法将是任何希望在微尺度上产生高保真结果的实践者感兴趣的，在微尺度上，需要网格细化的区域在网格划分之前是未知的。它最大的缺点是由于预处理的限制和对第三方后处理程序的要求而导致的笨拙的工作流，同时我们还关注移动边界问题上每次重新映射的计算开销。最后但并非最不重要的是，OMNIS是来自NUMECA的一个令人兴奋的新项目，它承诺将其各种软件套件的优秀物理建模功能合并到集成的工作流环境中。虽然这个原始版本在细节方面有点粗糙，缺乏任何多物理功能，但是它的工作流程很平滑，预处理和后处理都很充分。我们一定会关注它的未来发展。

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道