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| 計算流體動力學(computational fluid dynamics, CFD)為數值模擬方法的重要分支，由於電腦軟硬體的快速進展，使得CFD理論得以發揚光大，發展成為今日各式各樣的CFD軟體，且對於流場分析、散熱分析、航太工業、汽車工業、電子工業的研究與發展，提供了極大的幫助。 |
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| ANSYS公司的CFD主力產品：ANSYS CFX軟體，是您最佳的CFD解決方案。ANSYS CFX在全球工業界應用的歷史已超過20年(ANSYS CFX的前身稱為CFX，後來併入ANSYS公司產品)，其精確的計算核心與容易操作的軟體界面，使得ANSYS CFX成為眾多CFD軟體中的優質產品。 |
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| ANSYS CFX可與CAD系統互相結合，將已完成的CAD模型匯入ANSYS CFX進行網格化與流場分析，以節省時間與成本。此外，新一代的ANSYS Workbench界面，也將ANSYS CFX的功能整合，提供使用者另一套分析環境。 |
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| ANSYS CFX與Workbench環境之整合 (ANSYS, Inc.) |
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| ANSYS CFX 的軟體架構 |
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| ANSYS CFX內定的前處理器為ANSYS CFX-Mesh和ANSYS CFX-Pre，前者用來建立CFD網格，後者用來設定各種分析條件。此外尚可採用ANSYS ICEM CFD或ANSYS Workbench來搭配ANSYS CFX。 |
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| ANSYS CFX的計算核心是耦合代數多格點求解器(coupled algebraic multigrid solver)，它提供了求解穩定且收斂快速的優點，對於大規模的CFD分析題型，它可應用平行處理的方式來縮短計算時間。ANSYS CFX的求解管理器(Solver Manager)，可即時提供求解過程的收斂狀況，在不停止求解的情況下，還可讓使用者修改計算參數以增進收斂速度。 |
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| ANSYS CFX內定的後處理器為ANSYS CFX-Post，它提供豐富的圖形輸出、動畫輸出與數據歸納等功能，特別是其強大的視覺化(visualization)能力，使得流場等分析結果可以在電腦螢幕上做最真實的呈現。ANSYS CFX-Post的圖形或動畫輸出方式包括了：等位面(isosurfaces)、切片(slices)、向量(vector)、表面繪圖(surface plot)、流線(streamlines)等。 |
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| ANSYS CFX 主要分析功能 |
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| (1) 多相 (Multiphase) |
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| ANSYS CFX 多相模擬包括：多流線 (multiple fluid streams) 、氣泡 (bubbles) 、液滴 (droplets) 、自由表面流 (free surface flows) 等 。質點傳遞模型 (Particle Transport Model) 可使用一個或多個離散質點相 (discrete particle phases) ，包含於連續相 (contibuous phase) 之內。其暫態質點軌跡追蹤功能，可用於模擬火災抑制 (fire supression) 、質點沉澱 ( particulate settling ) 和噴霧沉積 ( spray deposition ) 。質點二次破裂模型 ( particle secondary break-up models ) 可用來模擬外力作用下的液滴破裂分離。各相之間的質量傳遞也可考慮於分析之中。均質多尺寸群組模型 ( homogeneous multiple size group model ) 可用來模擬氣泡尺寸的成長與衰減。 |
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| (2) 旋轉機器 (Rotating Machinery) |
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| ANSYS CFX 可模擬的旋轉機器包括了壓縮機、汽輪機、抽水機、風扇等 。 |
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| (3) 紊流 (Turbulence) |
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| ANSYS CFX 可採用 k- e 和 SST 模型來模擬紊流。此外 ANSYS CFX 透過 Menter-Langtry g-q 模型 ，可模擬層流與紊流的過渡區 。 |
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| (4) 熱傳遞 (Heat Transfer) |
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| 電子產品的散熱問題已是今日極重要的設計課題 ， ANSYS CFX 提供了三維流場與散熱分析能力 ，針對固體與流體界面的熱傳， ANSYS CFX 之 共軛熱傳 ( conjugate heat transfer ) 功能 可同時模擬固體的熱傳導 (conduction) 與流體的熱對流 (convection) 。 |
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| (5) 多孔材料 (Porous Media) |
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| ANSYS CFX 的真實體積多孔材料模型 ( true volume porous media model ) ， 可用來模擬界面上不連續的速度與壓力。 |
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| (6) 熱輻射 (Radiation) |
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| ANSYS CFX提供更真實的熱輻射模型，可用來模擬非灰體(non-gray media)的輻射熱傳。 |
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| (7) 燃燒 (Combustion) |
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| 所有的燃燒成分均以單一耦合系統來求解，對於複雜的反應，求解均可快速收斂。ANSYS CFX提供的燃燒模型包括：Multi-step Eddy Break-up、Finite rate chemistry、NOx and soot models、Flamelet and Zimont models。 |
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| (8) 流固交互作用 (Fluid-Structure Interaction, FSI) |
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| ANSYS 公司提供最真實且最準確的流固交互作用FSI分析，ANSYS CFX可與ANSYS Multiphysics、ANSYS Mechanical或ANAYS Structural做FSI耦合分析，將流場和結構應力與變形同時求出。 |
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| (9) 可移動網格 (Moving Mesh) |
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| 對於外形與位置不斷變化的流場問題，如螺旋壓縮機、內燃機、水泵、血管、心臟等，可移動網格是必要的。 |
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| ANSYS CFX 分析列表 |
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| ANSYS Workbench 作業環境 |
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•ANSYS CFX能於系統中單獨運行或與ANSYS Workbench 工程模擬環境整合
•ANSYS Workbench 提供 ANSYS 產品間統合性的資料共享與專案管理
•ANSYS Workbench v11版提供了參數化功能能夠針對設定一系列的模擬來研究不同設計對產品的影響，可進行幾何與物理參數上的變化，快速設計出符合效能的產品
•整合DesignXplorer 進行CFD最佳化模擬 |
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| 通用功能及模組： |
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•求解四面體、六面體、稜柱、稜錐及任何混合性網格
•不可壓縮／可壓縮流 — 亞音速、穿音速及超音速流
•高速流動的數值處理來擷取震波
•穩態／暫態
•層流／紊流 |
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| 針對物理模組定義的前處理器（Pre-process） |
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•可匯入廣泛的網格格式
•於不同的物理定義域之間可自動產生interface
•可手動標示網格面區域
•可利用generalized grid interface轉換或連結不同網格
•直覺式的物理定義
•專用型設定精靈（Quick set-up與TurboPre）
•靈活的流體性質編輯器，內建常用流體資料庫
•提供表示式語言，方便定義常用的user-defined functions Ⅰ. 流體性質 Ⅱ. 方程式源項 Ⅲ. 邊界條件 Ⅳ. 初始條件 • 可於前處理器顯示邊界的物理量分佈
•可於批次模式執行，並且提供CFX Command Language CCL power syntax |
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| 邊界條件（Boundary Conditions） |
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•入口邊界：質量流率入口、速度、靜壓、總壓、超音速、次音速/超音速混合
•出口邊界：質量流率出口、速度、均勻壓力、平均壓力、超音速、排氣條件、經向壓力輪廓、零梯度條件
•開放邊界（混合流動）：速度、靜壓、總/靜壓
•壁面邊界：無滑移、滑移、粗糙、移動、絕熱、溫度、熱通量、熱傳係數義
•輻射邊界：不透明面、黑體、輻射強度條件
•對稱邊界
•週期性邊界
•薄面邊界
•任何物理量的1-D或2-D 輪廓定義 |
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| 多定義域與定義域之間界面（ Multi-domain and Domain Interface Models ） |
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•旋轉流體 （ Rotate fluid domains ）
•多孔介質 （ Porous domains ）
•額外旋轉模組將旋轉物件中不真實的旋流情形降低
•多重參考座標 （Multiple reference frame）
•靜轉子界面模型（Frozen rotor interface model）
•多級界面模型 （Stage interface model）
•暫態轉定子界面模型（Transient rotor/stator interface model）
•固定靜止座標壓力多級界面模型
•變距模型 （Pitch change model）
•平移/旋轉週期性連結
•含有壓力或質量流率的平移週期性連結
•守恆代數流體多孔界面 |
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| 紊流模組（Turbulence Model） |
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•零方程紊流模型（Zero equation）
•k-e，RNG k-e模型
•剪應力傳輸（Shear Stress Transport）
•k-Omega模型
•雷諾應力傳輸模型（二階封閉模型）
•K- Omega 雷諾應力
•分離渦流模擬紊流模型（DES）
•大渦流模擬紊流模型（LES）
•SST 適應尺度模擬紊流模型（SAS）
•可依比例縮放的壁面函數（Scalable wall function）
•自動化近壁處理，包含壁面積分
•使用者定義紊流壁面函數及熱傳
•預測Menter-Langtry γ-θ層流-紊流過渡模型 |
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| 熱傳（Heat transfer） |
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•無熱傳、等溫、熱能或總能量
•黏滯熱傳
•共軛熱傳
•自然對流
•熱輻射
•P1 （Diffuse）輻射模型
•Rosseland 輻射模型
•參與輻射介質與surface-to-surface discrete transfer輻射模型
•參與輻射介質與surface-to-surface 輻射模型 |
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| 通用網格界面（Generalized Grid Interface） |
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•匯入並且連結不同來源的網格
•Non-overlap條件的詳細控制
•刪格化或直接網格交叉演算法 |
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| 燃燒（Combustion） |
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•單階與多階 EDM 反應模型：
•反應動力學（Chemical Kinetic）
•點火及熄滅模型（Ignition and extinction models）
•高度收斂性及功能強大的多階反應耦合求解
•EDM最高火焰溫度模型
•預定義反應及材料庫（使用者可修改）
•提高收斂性的多階反應耦合求解
•詳細定義化學機制的PDF-type燃燒模型
•針對擴散火焰的小火焰模型（Flamelet model）
•針對預混／部分預混燃燒的Zimont模型
•Nox模型
•Magnusson煙灰模型
•單相及多相流燃燒反應
•紊流與層流燃燒速度修正
•火花點火模型
•化學反應後處理模式（例如：NOx後處理） |
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| 使用者定義方程及化學物質傳輸 （User-Defined Equations and Species Transport） |
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•對流／擴散傳輸
•擴散傳輸
•泊松方程
•標量及向量代數附加變數 |
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| 材料性質（Material Properties） |
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•理想氣體方程式
•NASA格式二階多項式溫度相關Cp
•Redlich Kwong氣體狀態方程
•IAPWS IF-97 水的狀態方程式
•針對純物質蒸汽壓的Antione方程式
•溫度相關的黏滯係數與熱傳導係數模型，包含Sutherland law，修改Eucken與non-interacting sphere 模型
•牛頓及非牛頓流體
•透過CEL表示式或user Fortran定義熱力學性質
•透過CEL表示式或user Fortran定義傳輸、性質
•透過CEL表示式或user Fortran定義輻射與電磁性質
•多成份流體 |
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| 尤拉多相流模型（Eulerian Multiphase Model） |
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•代數滑移多相模型
•均相或與流體相關的質量與動量方程式
•均相或與流體相關的紊流方程式
•未限制相的數目
•曳力模型
•Grace氣泡曳力係數
•Schiller-Naumann 顆粒曳力模型
•Ishii-Zubber模型
•Wen Yu 模型
•通用user-defined曳力係數
•使用者定義曳力係數
•非曳力
•濃稠顆粒效應及固體壓力
•對於濃稠顆粒效應的動力理論
•紊流擴散力
•升力
•虛質量力
•壁面潤滑
•界面熱傳
•定義
•定義界面通量、傳輸係數、Nusselt數、Hughmark或Ranz-Marshall修正
•界面變化熱傳
•界面質傳
•平衡相變化模型（Equilibrium phase change）
•非平衡液滴成核與相變化（evaporation、condensation）
•定義界面通量、傳輸係數、Sherwood數、Hughmark或Ranz-Marshall修正
•熱相變化模組（evaporation、condensation、bulk boiling）
•空蝕模型（Rayleigh- Plesset）
•多尺寸群組氣泡模型（Multiple Size Group bubble model, MUSIG） |
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| 耦合拉格朗日追蹤模型（Coupled Lagrangian Particle Tracking Model） |
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•無質量、單向或完全雙向動量傳輸
•穩態或暫態
•支援移動網格
•顆粒曳力模型
•注放位置的詳細控制，顆粒大小的分佈（6+ 分佈函數）
•壁面裂模型（Wall breakup model）
•初步裂模型（Primary breakup model）：BLOB，EBLOB與液膜霧化
•顆粒腐蝕模型（Particle erosion model）
•噴霧穿透診斷 （Particle penetration diagnostic）
•第二迸裂模型（Secondary breakup model）：Reitz and Diwakar，TAB，ETAB， Schmehl，CAB
•虛擬質量、壓力梯度力與紊流耗散力
•蒸發液滴
•油燃燒模型
•預混或基本碳氫化合物燃料的煤燃燒模型
•局部的顆粒或點平均結果
•User Fortran控制顆粒注放與顆粒模型
•完全平行處理 |
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| 自由液面模擬（Free Surface Modeling） |
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•壓縮離散
•均質或界面傳輸模型
•表面張力 |
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| 噪音模擬（Noise Modeling） |
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•匯出Lighthill stress
•單極、偶極與旋轉偶極聲源匯出給噪音求解器 |
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| 源項模型（Source Modeling） |
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•線性與二次阻抗模型
•滲透性與損失係數模型
•使用者定義體積質量、動量、能量與化學物質源項
•使用者定義邊界質量、動量、能量與化學物質源項 |
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| 移動與變形網格（Moving and Deforming Mesh） |
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•穩態及暫態分析
•自動網格剛度計算
•支援general grid interface
•已定義好的表面或體積移動方式的網格變形技術（Mesh morphing）
•藉由User Fortran 控制的體網格移動
•以結果為基礎的網格自適應 |
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| 流固耦合（Fluid Structure Interaction） |
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•ANSYS與ANSYS CFX單方向的耦合，適用於穩態分析
•對於穩態及暫態分析中的變形移動可進行幾何雙向FSI分析
•針對流體運動力與熱流動進行Consertive profile-preserving 插值 |
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| 數值方法（Numerics） |
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•基於有限元的有限體積法
•隱式，壓力基礎法可適用於全速度，不可壓縮至可壓縮
•水平對流模擬（Advection modeling）
•上風差分法
•一階至二階混合因子（1st-2nd blend factor）
•高階離散方法（High resoulution）
•高精度擴散方程格式
•依暫態時間步長調整的一階與二階暫態離散方法 |
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| 線性求解器（Linear Solver） |
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•質量與動量耦合求解，包含多相流
•能量耦合求解，包含多相流
•額外變數耦合求解，包含多相流
•代數多重網格法（Algebraic multigrid）
•不完全上下三角形矩陣因子平滑法（ILU）
•對於大數量的節點數具有線性化的效能 |
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| 平行處理（Parallel Computing） |
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•UNIX與/或Windows系統中的同構與異構網路（Homogeneous or hetergeneous network）
•PVM或MPI平行通訊資料庫
•Vendor specific MPI support
•自動區域分割（Automated domain partition）
•對於大數目的處理器調整執行時間，對於較複雜的問題效率可超過90%
•可調整記憶體使用分配
•MPI支援Linux 高速傳輸器（Myrinet，Infiniband，Quadrics） |
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| 模擬及求解控制（User Modeling and Solution Control） |
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•監測點動態追蹤與邊界流動值
•重新讀入動態命令檔
•於求解過程中修改求解器參數與邊界條件的值
•使用者定義函數利用算術表示式定義流體性質、源項、邊界輪廓與初始條件
•對於邊界與流動值動態計算
•1-D或3-D 點雲資料
•使用者程式界面 |
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| 後處理（ ANSYS CFX Post-Processing ） |
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| CFX-Post 後處理器對於 ANSYS CFX 結果提供功能強大分析系統，它的功能如下述： |
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•自動報告的產生
•報告產生（附註、圖片、圖表）
•可建立報告樣版，可包含所有的圖表、圖片與可於每一個新的分析案中重新使用， 方便比較不同的設計方案
•HTML 報告產生
•通用後處理功能
•同步檢視多個結果檔
•與內容相關的線上說明
•無限制的undo與redo
•可定義的滑鼠功能鍵
•可修改的單位定義
•可進行顯示與視覺的調整
•物件點擊、拖曳、強調
•與物件相關的右鍵控制功能
•操作過程的記錄與讀取
•後處理定義的存檔與讀取
•批次後處理
•完全可程式化後處理（包含迴圈、邏輯、巨集定義）
•資料匯入/匯出
•讀入ANSYS CFX、CFX-4、CFX-TASCflow、ANSYS shell或CGN格式的結果
•外部資料匯入（surface、line、chart）
•圖檔可匯出為postscript、jpeg、png、bmp與ppm
•三維背景匯出CVF（ANSYS CFX Viewer格式）與VRML
•內嵌式三維背景輸出並且可透過HTML於PowerPoint檢視
•圖形化功能
•多重視窗顯示
•預先定義與使用者定義視窗
•背景切割
•點與點雲資料
•切平面
•等值面
•圓形或矩形樣本平面
•表面或旋轉面
•由等值資料、球、交叉面建立的體積
•線與多段線（兩點，外部資料，邊界/剖面）
•表面群組
•平移面
•於表面、線或點進行物理變數的顯示
•XY圖
•表面與線的描繪功能，光源的設定，透明度與質感的呈現
•二維及三維的文字標記
•動畫
•主要圖形物件快速動畫
•關鍵影格動畫細節控制
•自動產生MPEG 格式檔案
•物理量計算
•即時物理量擷取
•節點數、質量流率、長度、面積與體積計算
•以平均或積分方式計算長度、面積、體積與質量流率
•力量與扭力計算
•算術表示式中可支援上述函數
•使用者定義變數
•網格品質分析
•可修改單位的定義
•可使用試算表對物理量列表
•旋轉機械後處理模組
•Turbo slices（m’、theta、span）
•三維或Turbo視圖（b2b，meridional）
•圓柱向量
•旋轉機械專用的xy圖，性能巨集與報告 |
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| 測試功能 |
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| ANSYS CFX 11版，包含了已發表（顯示）數個未發表（隱藏）的測試功能，展示了ANSYS CFX目前正進行開發的功能，這些功能大部分未經過測試，無技術支援，在未來的版本中會作修正。然而，目前使用者若有需要且已瞭解這些功能的類別依然可以選用，以下為ANSYS CFX11未發表且可使用的功能： |
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| 已發表的測試功能（顯示） |
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•非反射噪音邊界（支援inlet、outlet、opening）
•未相連的兩個區域可定義獨立的物理模型
•使用者定義體積質量、動量、能量與化學物質源項
•其他紊流模型，包含Spalart-Allmaras、與explicit algebraic Reynolds stress模型、dynamic 與WALE large eddy simulation
•針對RANS模型進行重新附著與旋流流動修正
•針對過渡流模型可進行粗糙度修正
•高斜度形狀變化的流固界面
•額外變數共軛求解與可於固體域中定義額外變數
•旋轉共軛熱傳固體
•旋轉固體中定義旋轉對流項（允許於能量方程式與額外變數方程式）
•可針對體積分率定義零梯度邊界條件，對於次臨界流動允許自動高度計算
•客制化漂移質量流率
•剛性化學求解器
•內建蒸汽資料庫
•於不連續定義域之間可定義不同的物理模組
•磁性流體力學模組可支援的功能如下：
•流固之間電磁場的勢位能方程
•動量方程中的勞倫斯力（Lorentz force）
•能量方程中的焦耳熱傳（Joule heating）
•受電磁力影響的顆粒運動 |
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| 未發表的測試功能（隱藏） |
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•非均相MUSIG尤拉多相流
•針對ASM客制化drift mass flows
•Stiff chemistry 求解器
•針對k-omega紊流模型的壁面粗糙度處理
•額外變數可於固體域中穿過固流界面傳輸
•改善尤拉多相流暫態求解模式
•針對氣體與次冷液體的Peng-Robinson 狀態方程式
•真實液體性質支援飽和度裁切
•非牛頓流體動黏滯模型
•正交性熱傳導係數與新增變數的擴散係數 |
