CFD 基础简介,概要,什么是 CFD? CFD的历史 CFD 基本概念 CFX-5.7功能简介 CFX-5 主要应用 CFX-5 求解问题的主要过程 CFX-5 求解器的能力 CFX -5 用户界面,什么是 CFD?,CFD 是计算流体动力学的缩写，即Computational Fluid Dynamics CFD是模拟包含流体流动、传热以及其它附加的物理化学现象的工具Coal combustion in a multi-burner furnace. Courtesy of International Combustion Limited,CFD的历史,1970’s 中期– 开始理解CFD的本构方程，发展通用计算程序. 1980’s 早期- 第一代通用的 CFD 程序诞生了, 需要在大型计算机上运行，使用者需要具有专业的计算流体动力学知识仅在研究领域使用 目前- 计算机性能的极大提高，计算图形学的广泛使用以及稳健的CFD求解器的开发使得CFD成为大多数工程师喜爱的分析工具CFD基本概念,质量守衡定律 控制体 牛顿运动定律 能量守衡 线性和非线形的偏微分方程 离散原理 非线性方程 边界条件,守衡,所有设备中的流体流动都可以用质量,动量和能量守衡方程描述 质量守衡指物质既不会产生也不会灭亡, 只会保持一致 动量守衡方程是牛顿运动定律的表述 能量守衡方程是热力学第一定律的表述 这三个守衡方程是CFD的理论基石！,控制体指空间的一个区域 该区域被控制面所包围 其大小和形状是任意的,可以是管, 设备, 旋转叶片等 适用于有限的和极小尺寸的区域 基本的守衡定律适用于这种定义的区域,控制体,,,,,质量流入,质量流出,质量 总量,控制体质量增加率,=,流入的质量 - 流出的质量,表述,积分方程,,控制体,,控制面,例:,均布, 1D, 稳态流动,,,质量守衡,,,,,,动量流入,动量流出,动量总量,动量增加率,=,+ 流出的动量 - 流入的动量,表述,积分方程,,净力,净力,例: 均布, 1D, 稳态流动,,,,动量守恒,,,,,流入的总焓,流出的总焓,能量总量,内部能量变化率,流入热量 - 输出功 =,表述,积分方程,,,流入热量,输出功,+ 流出的焓 - 流入的焓,例子:,1D 稳态流动,,,,能量守衡,偏微分方程,守衡的表达式, 以不同阶次偏微分方程形式描述 以微分形式的方程而不是以积分方程开始, 是因为微分方程用起来更方便 理论解通常只有对一些简单情况, 具有简单的边界条件时才能获得 例如: 具有温度边界条件的矩形空间的线性导热方程,方程特性,流动方程通常是复杂和非线性的 求解的是一组耦合(或相关)的方程而不仅仅是一个方程 方程具有强非线性 无法获得简单的理论结果 必须借助于近似的离散方法,如有限元, 有限体或有限插分原理 CFX5采用基于有限元的有限体积法,,Example: 2D Heat Conduction,T=50,T=100,T=0,q=0,,线性和非线性方程,线性方程容易求解 解有保证 例如: 简单的导热(导热系数为常数), 势流方程, 和弹性应力分析,离散原理,步骤: 确定分析区域 将控制区划分为离散区域 (网格) 对每一个网格应用守衡准则: 对每个网格上的微分方程积分 应用Gauss 原理将体积分转换为面积分 插值所有网格和网格表面的热流相 如需要, 线性化 应用边界条件 求解一组代数方程的结果 如果是非线性的, 迭代直至收敛,非线性方程,非线性意味着: 系数取决于结果, 因此: 需要迭代, 来更新非线性 无法用代数法直接求解离散方程 求解非线方程的步骤 线性化方程 已假定的初场开始 求解代数方程 更新非线性系数 迭代至收敛,边界条件,完全确定问题必须有边界条件 边界条件必须可靠且连续 例如包括: 在壁面, 流体速度相对于壁面为零 进口总压或速度 出口静压或质量流量,CFX-5.7功能简介,稳态/瞬态流动 层流/湍流流动 单相/多相流动 (欧拉多相流，拉格朗日多相流) 不可压流动/可压缩流动 传热/流固共扼传热 浮力驱动流 非牛顿流 多组分流动 燃烧和辐射 标量传输方程 旋转坐标系多重 并行计算 通用网格界面（GGI) 二次开发工具,CFX 5 应用举例,CFX-5 在以下领域被广泛应用 化学过程工业 旋转机械工业 汽车工业 航空航天工业 国防工业 能源工业 环境工业 .,混合器,混合器中的等值面和流线.,静态混合器,静态混合器中的流线. 采用CFX Expression Language (CEL)定义非牛顿流.,旋风分离器,采用雷诺应力湍流模型的结果. 从流线的曲率上可以看出雷诺应力模型的计算结果更精确,采用 k-e湍流模型的结果。
催化净化器,压力和速度矢量分布. 采用了多孔介质模型. 多孔介质引起了很大的压差，并使进口突扩段的回流区光滑空冷换热器,空冷换热器中的速度矢量和空气温度分布,径流泵,径流泵叶片表面的压力分布 CFX-5的多重参考坐标系功能在许多种的旋转机械上都有应用 F22 飞机,飞机表面的压力分布. 采用了 CFX-5强大的并行功能 来流马赫数为0.9，攻角为5º.Geometry and grid provided by DaimlerChrysler Aerospace AG,楼道内的烟雾流动,详细的几何特征 （例如楼梯扶手) 求解结果可以输给其它后处理软件如EnsightCFX5.7分析问题的主要过程,Step I: 几何模型和网格划分 定义几何 定义关心的区域（2D或3D) 创建网格 Step II: 设置物理问题和条件 - CFX-Pre 定义域 定义边界条件和初场 定义求解参数 Step III: 求解 - CFX-Solve 求解控制方程组 Step IV: 后处理 - CFX-Post 分析结果,定义流体域. 创建流体域 (流体,固体,导热固体,多孔介质) 设置流体属性 (粘性, 导热系数,比热,等…) 选择物理模型 (湍流模型, 可压缩流, 浮力流, 多相流, 等…) 定义边界条件 几何体的所有外部表面都要定义。
定义求解参数和输出选项,II.设置物理问题和条件,CFX-Pre,III. 求解过程,CFX-5 求解器 求解控制方程组 监视收敛过程,IV: 后处理,在后处理模块 CFX-Post中分析计算的结果 数值的结果 图形的结果 批处理 交互式,CFX-Pre GUI,Tools Menu Bar,,Define Menu Bar,,,,Object Selector,,Physics Error Summary,,Viewer,,CFX-5.7文件结构,,CFX-Post ---.res ---.def ---.gtm,,,,CFX-Pre name.cfx Cfx.##.pre,,Third Party Meshes --- CFX-4 --- TASCflow --- ICEM --- …….,,,CFX 5.7文件类型,.cfx –CFX-Pre产生的case文件 .pre – CFX-Pre session 文件 .def – CFX-Pre产生的包括物理问题及网格的定义文件，对求解器来讲是输入文件可以用 CFX-Post打开来检查网格 .res – 求解器产生的结果文件，包括网格、计算结果和 .def 文件中的其它信息 .out – 求解器产生的文本文件，记录了求解过程。
压力 p、温度 T、比容 v 一、压力(pressure) p 物理中压强，单位: Pa , N/m2,流体分析基本状态参数,常用单位： 1 bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 Pa 1 mmHg =133.3 Pa,(1)p pb p = pb+ pe ; (2) p pb p = pb- pv pe :表压力 pv: 真空度,表压、真空度、绝对压力的关系,,,,,,,,,,p,p,pe,,,,,,,pb,p,pb,pv,p,(1),(2),关于压力的几点说明,液柱高度表示的压力单位与压力的关系： p=ρgh； 真空状态下计算绝对压力时，大气压的取值对计算结果影响较大，不能简单取pb=0.1 MPa; 表压力不是状态参数定义： v ＝V/m ［m3/kg] 物理意义： 工质聚集的疏密程度 物理上常用 密度 ＝m/V ［kg/m3] v = 1,二、比体积(specific volume)v,定义 传统：冷热程度的度量感觉，导热，热容量 微观：分子平均动能的量度 T 0.5 m w 2 1) 气体分子运动论结论 2) 0.5mw 20, T 0, 1951年核磁共振法对氟 化锂晶体的实验发现负的开尔文温度。
3) T=0 0.5mw 2=0 分子一切运动停止， 零点能三、温度(temperature) T,T/K= 273.15 + t/℃ t/℃=5(t/℉- 32)/9 T/0R=t/℉+459.67 T/0R=9/5 T/K,4. 常用温标,℃ —— 摄氏度 K —— 开尔文度 ℉ —— 华氏度 0R —— 兰金温标度,出口质量 m2、 流 速 cf2、 标 高 z2,开口系统的稳定流动能量方程,在 时间内,,进口质量 m1、 流 速 cf1、 标 高 z1,稳定流动：,在 时间内进入系统的能量,在 时间内离开系统的能量,根据热力学第一定律可得,令,，h 称为比焓比焓的物理意义：,比焓是状态参数；对于流动工质，比焓表示每千克工质沿流动方向向前传递的总能量中取决于热力状态的部分上式可整理成,令,，上式改成,以上两式称为开口系统的稳定流动能量方程对于单位质量工质，,对于微元过程 ，稳定流动能量方程写成,注意：,（1）无论对于流动工质还是不流动工质，比焓都是状态参数；,（2）对于流动工质，流动功等于pv，比焓表示单位质量工质沿流动方向向前传递的总能量中取决于热力状态的部分 ；,（3）对于不流动工质，不存在流动功，比焓也不表示能量，仅是状态参数。
4）工程上一般只需要计算工质经历某一过程后焓的变化量，而不是其绝对值，所以焓值的零点可人为地规定绝热节流,ws = 0 c2 = 0 z = 0 q = 0 h = 0 h1=h2,节流前后h不变，不是等h过程喷管与扩压管,喷管：获得动能 扩压管：获得压力能,动能参与转换，不能忽略, z= 0 ws = 0 q = 0, h= - c2/2,动能与焓变相互转换伯努利方程,对于不可压缩均质流体，即ρ=常数； 如z1=z2，则：,,即：,,湿饱和蒸气 v’vv” h’hh” s’ss”,未饱和水 (过冷水) hh’ ss’,饱和水 v=v’ h=h’ s=s’,干饱和蒸气 v=v” h=h” s=s”,过热蒸气 vv” hh” ss”,水蒸气的定压发生过程,,,,水蒸气定压加热过程在常用的p-v图，T-s图上的表示,饱和水和饱和水蒸气图（按温度排列）,饱和水和饱和水蒸气图（按压力排列）,,,,,,,通过平壁的稳态传热过程,假设：,tf1、tf2、h1、h2不随时间变化；为常数1）左侧的对流换热,（2）平壁的导热,（3）右侧的对流换热,在稳态情况下，以上三式的热流量相同，可得,Rk称为传热热阻。
传热系数,称为传热系数(overall heat transfer coefficient), W/m2.K,通过平壁的热流密度,。