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1、ANSYS FLUENT 培训教材 第一节：CFD简介,什么是 CFD?,A Pera Global Company PERA China,CFD是计算流体动力学（Computational fluid dynamics）的缩写，是预测流体流动、传热传 质、化学反应及其他相关物理现象的一门学科。CFD一般要通过数值方法求解以下的控制方 程组 质量守恒方程 动量守恒方程 能量守恒方程 组分守恒方程 体积力 等等 CFD 分析一般应用在以下阶段: 概念设计 产品的详细设计 发现问题 改进设计 CFD分析是物理试验的补充，但更节省费用和人力。,CFD如何工作?,ANSYS CFD 求解器是基于有限体
2、积法的 计算域离散化为一系列控制体积,EquationVariable Continuity1 X momentumu Y momentumv Z momentumw Energyh,Control, 在这些控制体上求解质量、动量、能量、Volume* 组分等的通用守恒方程 Fluid region of pipe flow is discretized into a finite set of control volumes.,偏微分方程组离散化为代数方程组 用数值方法求解代数方程组以获取流场 解 * FLUENT control volumes are cell-centered (i.e
3、. they correspond directly with the mesh) while CFX control volumes are node-centered,Unsteady,Convection,Diffusion,Generation,A Pera Global Company PERA China,CFD 模拟概览,问题定义 确定模拟的目的 确定计算域,前处理和求解过程 创建代表计算域的几何实体 设计并划分网格 设置物理问题（物理模型、材料属性、 域属性、边界条件 ） 定义求解器 （数值格式、收敛控 制 ） 求解并监控,后处理过程 查看计算结果 修订模型,Problem I
4、dentification,Define goals Identify domain,Pre-Processing Geometry Mesh Physics Solver Settings,Solve 7.Compute solution,Post Processing 8.Examine results,9.,Update Model,A Pera Global Company PERA China,1. 定义模拟目的,你希望得到什么样的结果（例如，压降，流量），你如何使用这些结果？ 你的模拟有哪些选择？ 你的分析应该包括哪些物理模型（例如，湍流，压缩性，辐射）？ 你需要做哪些假设和简化？
5、 你能做哪些假设和简化（如对称、周期性）？ 你需要自己定义模型吗？ FLUENT使用UDF，CFX使用 User FORTRAN 计算精度要求到什么级别？ 你希望多久能拿到结果？ CFD是否是合适的工具？,Problem Identification Define goals Identify domain,A Pera Global Company PERA China,2. 确定计算域,这些边界条件类型合适吗？ 你能把边界延伸到有合适数据的位 置吗？,能简化为二维或者轴对称问题吗？,Problem Identification Define goals Identify domain,如何
6、把一个完成的物理系统分割出来？ 计算域的起始和结束位置 在这些位置你能获得边界条件吗？ Domain of Interest,as Part of a Larger System (not modeled),Domain of interest isolated and meshed for CFD simulation.,A Pera Global Company PERA China,3. 创建几何模型,你如何得到流体域的几何模型？ 使用现有的CAD模型 从固体域中抽取出流体域？ 直接创建流体几何模型 你能简化几何吗？ 去除可能引起复杂网格的不必要特征（倒 角、焊点等） 使用对称或周期性？
7、 流场和边界条件是否都是对称或周期性 的？ 你需要切分模型以获得边界条件或者创建域吗？ Solid model of a Headlight Assembly,3. 4. 5. 6.,A Pera Global Company PERA China,Pre-Processing Geometry Mesh Physics Solver Settings,4. 设计和划分网格,计算域的各个部分都需要哪种程度的网格 密度？ 网格必须能捕捉感兴趣的几何特征，以及 关心变量的梯度，如速度梯度、压力梯度、 温度梯度等。 你能估计出大梯度的位置吗？ 你需要使用自适应网格来捕捉大梯度吗？ 哪种类型的网格是最
8、合适的？ 几何的复杂度如何？ 你能使用四边形/六面体网格，或者三角 形/四面体网格是否足够合适？ 需要使用非一致边界条件吗？ 你有足够的计算机资源吗？ 需要多少个单元/节点？ 需要使用多少个物理模型？,Pyramid,Prism/Wedge,Hexahedron,3. 4. 5. 6.,A Pera Global Company PERA China,Pre-Processing Geometry Meshing Physics Solver Settings,Triangle,Quadrilateral,Tetrahedron,四边形/六面体还是三角形/四面体网格,对沿着结构方向的流动，四
9、边形/六面体网格和三角形/ 四面体网格相比，能用更少 的单元/节点获得高精度的结 果 当网格和流动方向一致， 四边形/六面体网格能减 少数值扩散 在创建网格阶段，四边形 /六面体网格需要花费更 多人力,A Pera Global Company PERA China,四边形/六面体还是三角形/四面体网格,对复杂几何，四边形/六面体网格没有 数值优势，你可以使用三角形/四面体 网格或混合网格来节省划分网格的工 作量 生成网格快速 流动一般不沿着网格方向 混合网格一般使用三角形/四面体网格， 并在特定的域里使用其他类型的单元 例如，用棱柱型网格捕捉边界层 比单独使用三角形/四面体网格更 有效 We
10、dge (prism) mesh Tetrahedral mesh,A Pera Global Company PERA China,多域（或混合）网格,多域或混合网格在不同的域使用不同 的网格类型，例如 在风扇和热源处使用六面体网格 在其他地方使用四面体/棱柱体网格 多域网格是求解精度、计算效率和生 成网格工作量之间的很好的平衡手段 当不同域直接的网格节点不一致时， 需要使用非一致网格技术。,Model courtesy of ROI Engineering,A Pera Global Company PERA China,非一致网格,对复杂几何体，非一致网格很有用 分别划分每一个域，然后粘
11、接 在其他情况下，也使用非一致网格界面技 术 不同坐标系之间 移动网格,Non-conformal interface,3D Film Cooling Coolant is injected into a duct from a plenum. The plenum is meshed with tetrahedral cells while the duct is meshed with hexahedral cells Compressor and Scroll The compressor and scroll are joined through a non conformal int
12、erface. This serves to connect the hex and tet meshes and also allows a change in reference frame,A Pera Global Company PERA China,设置物理问题和求解器,对给定的问题，你需要 定义材料属性 流体 固体 混合物 选择合适的物理模型 湍流，燃烧，多相流等。 指定操作条件 指定边界条件 提供初始值 设置求解器控制参数 设置监测收敛参数,For complex problems solving a simplified or 2D problem will provide
13、valuable experience with the models and solver settings for your problem in a short amount of time.,3. 4. 5. 6.,A Pera Global Company PERA China,Pre-Processing Geometry Mesh Physics Solver Settings,求解,通过迭代求解这些离散的守恒方程直至收敛,以下情况达到收敛： 两次迭代的流场结果差异小到可以忽略 监测残差趋势能帮助理解这个差异 达到全局守恒 全局量的平衡 感兴趣的量（如阻力、压降）达到稳定值 监测
14、感兴趣量的变化.,收敛解的精度和以下因素有关： 合适的物理模型，模型的精度 网格密度，网格无关性 数值误差,A converged and mesh- independent solution on a well- posed problem will provide useful engineering results!,Solve 7.Compute solution,A Pera Global Company PERA China,查看结果,查看结果，抽取有用的数据 使用可视化的工具能回答以下问题: 什么是全局的流动类型？ 是否有分离？ 激波、剪切层等在哪儿出现？ 关键的流动特征是否捕捉
15、住了？,数值报告工具能给出以下量化结果： 力、动量 平均换热系数 面积分、体积分量 通量平衡,Examine results to ensure property conservation and correct physical behavior. High residuals may be caused by just a few poor quality cells.,Post Processing 8.Examine results,9. Update Model,A Pera Global Company PERA China,修订模型,这些物理模型是否合适？ 流动是湍流的吗？ 流动
16、是非稳态的吗？ 是否有压缩性效应？ 是否有三维效应？ 这些边界条件是否合适？ 计算域是否足够大？ 边界条件是否合适？ 边界值是否是合理的？ 网格是否是足够的？ 加密网格能否提高精度？ 网格是否有无关性？ 是否需要提高网格捕捉几何的细节,Post Processing 8.Examine results,9. Update Model,A Pera Global Company PERA China,FLUENT 中的物理模型,流动和传热 动量、质量、能量方程 辐射 湍流 雷诺平均模型 (Spalart-Allmaras, k, k , 雷诺应力模型) 大涡模拟 (LES) 和分离涡模拟 (DES) 组分输运 体积反应 Arrhenius 有限速率化学反应 湍流快速化学反应 涡耗散, 非预混, 预混，局部预混 湍流有限速率反
