计算流体动力学 Computational Fluid DynamicsFluent 在燃烧模拟方面的应用主要内容第一章 Fluent简介第二章 边界条件第三章 Gambit建模及网格第四章 燃烧相关设置第五章 后处理§ 1.1 计算流体力学概述 1.什么是CFD？ •CFD即计算流体力学 –流体力学分支， Computational Fluid Dynamics， CFD –理论分析流体力学（Analytical Fluid Dynamics ， AFD） –实验流体力学（ Experimental Fluid Dynamics ， EFD） –CFD已随计算机技术的发展而变得越来越重要 •CFD是利用计算机模拟真实流动现象 –流体在一定的空间区域连续流动 –将该区域离散为细小的网格单元 –在这些单元内求解描述流动规律的数学方程 –采用可视化技术等分析计算得到的流场目录本讲第一章 Fluent简介§1.1 计算流体力学概述 2.为什么需要CFD？ •理论分析（AFD）可解决的问题非常有限制–描述流体运动的偏微分方程数学特性非常复杂，迄 今为止只有很少数很简单的流动用AFD获得了结果 •CFD与实验研究（EFD）相比有独特的优势–不需要实验模型、风洞等，可节省大量的时间和经 费 –可以获得远比实验数据丰富、直观的三维流场结果 –可以模拟许多难以进行实验的流动问题 –能实现计算机的“虚拟”设计/分析，一定程度代替 制造和测试 –能认识和探索许多新的流动问题 –CFD技术已有较高的水平，并在发展；同时计算机 运算能力每3年提高一倍，两者结合使CFD的作用越来越强。
目录本讲第一章 Fluent简介§1.2 计算流体力学的发展 CFD技术产生晚，发展快，地位越来越重要 •20世纪初开始的理论基础研究–松弛迭代、CFL条件、Lax定理等 •60~70年代初步形成数值计算能力，无粘线性问题计算–面元法，用于飞机和汽车工业 •70~80年代实现了无粘非线性问题的计算–全速势方程计算，激波装配法，不可压N-S方程计 算 •80~90年代取得了Euler/N-S方程计算突破–TVD、MUSCL等高分辨率格式，时间推进的有限 体积法 •90年代至今，CFD技术继续发展–ENO格式、大涡模拟、直接数值模拟目录本讲第一章 Fluent简介§1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域 •航空航天 •天气预测 •舰船设计 •汽车工业 •能源工程 •化学工业 •生物工程 •体育竞赛F-18战斗机X-43高超音速飞机目录本讲第一章 Fluent简介§1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域 •航空航天 •天气预测 •舰船设计 •汽车工业 •能源工程 •化学工业 •生物工程 •体育竞赛23/1/ 1999 美国风暴的卫星照片和预测图象目录本讲第一章 Fluent简介§1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域 •航空航天 •天气预测 •舰船设计 •汽车工业 •能源工程 •化学工业 •生物工程 •体育竞赛舰船绕流的CFD模拟目录本讲第一章 Fluent简介§1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域 •航空航天 •天气预测 •舰船设计 •汽车工业 •能源工程 •化学工业 •生物工程 •体育竞赛CFD得到的汽车车身 压力分布和气流流线目录本讲第一章 Fluent简介§1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域 •航空航天 •天气预测 •舰船设计 •汽车工业 •能源工程 •化学工业 •生物工程 •体育竞赛水力发电和火电站的 流动问题CFD模拟目录本讲第一章 Fluent简介§1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域 •航空航天 •天气预测 •舰船设计 •汽车工业 •能源工程 •其他工业 •生物工程 •体育竞赛化工容器及管道流动问题 室内通风等目录本讲第一章 Fluent简介§1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域 •航空航天 •天气预测 •舰船设计 •汽车工业 •能源工程 •其他工业 •生物工程 •体育竞赛激光手术时眼球内液体流动目录本讲游泳、自行车等竞赛第一章 Fluent简介§1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域 •航空航天 •天气预测 •舰船设计 •汽车工业 •能源工程 •其他工业 •生物工程 •体育竞赛目录本讲第一章 Fluent简介MeshWall Shear Stress罗茨泵§1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域 •航空航天 •天气预测 •舰船设计 •汽车工业 •能源工程 •其他工业 •生物工程 •体育竞赛目录本讲第一章 Fluent简介煤粉炉§1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域 •航空航天 •天气预测 •舰船设计 •汽车工业 •能源工程 •其他工业 •生物工程 •体育竞赛目录本讲第一章 Fluent简介燃烧模拟§1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域 •航空航天 •天气预测 •舰船设计 •汽车工业 •能源工程 •其他工业 •生物工程 •体育竞赛目录本讲第一章 Fluent简介燃烧器模拟§ 1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 CFD计算的物理对象:目录本讲流动的分类框架图 不可压流动 (water)可压流动 (air, acoustic)外部绕流 (airfoil, ship)湍流Continuum Fluid Mechanics层流内部流动 (pipe,valve)粘性非粘性第一章 Fluent简介§1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题数学模型 1, 数学模型本身 •部分流动的数学模型是准确的（如：无粘流、层流） •部分流动的数学模型本身就是近似的（如：湍流 RANS，LES） 2, 数学模型的求解计算 •只有少数非常简单的问题有准确的理论分析解（如： 平面势流中的点源、点汇等） •绝大多数问题需要采用近似的数值解法，即以离散的 解来逼近原来的连续流动。
目录本讲第一章 Fluent简介§ 1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 数值解法 1, 计算域的离散 •将流动空间区域离散为细小的网格单元2, 控制方程的离散 •控制流动的方程反应了流体流量、动量、能量的守恒•在控制体内用差分逼近微分，将连续场内微分方程转 变为分布在一系列网格单元上的代数方程 •使用迭代等方法求解这些代数方程目录本讲控制体非稳态项对流项扩散项源项第一章 Fluent简介§ 1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题目录本讲质量守恒方程动量守恒方程能量守恒方程PDF燃烧模型辐射方程第一章 Fluent简介§ 1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 CFD主要工作流程 •几何描述 •说明流动条件 •选择计算的数学模型 •说明初始条件、边界条件 •网格生成 •选择数值计算参数 •CFD程序计算 •流场结果的可视化分析处理 •准确度估计描述计算空间域的几何形状， 重点是流体机械的造型：可以采用Gambit、Ug、Pro-E、 AutoCad等造型；也可以自行编程给出造型目录本讲第一章 Fluent简介§ 1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 CFD主要工作流程 •几何描述 •说明流动条件 •选择计算的数学模型 •说明初始条件、边界条件 •网格生成 •选择数值计算参数 •CFD程序计算 •流场结果的可视化分析处理 •准确度估计目录本讲说明流动条件：–流动类型（如：层流或湍流）–来流条件（如：速度、压力）选择计算的数学模型辐射方程、能量方程、湍流模型等第一章 Fluent简介§ 1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 CFD主要工作流程 •几何描述 •说明流动条件 •选择计算的数学模型 •说明初始条件、边界条件 •网格生成 •选择数值计算参数 •CFD程序计算 •流场结果的可视化分析处理 •准确度估计流场初始条件：1，不影响定常结果2，猜得好的初场可加快计算收敛流场边界条件：1，决定流场结果（定常、非定常）2，包括固壁、入流、出流、远场等目录本讲第一章 Fluent简介§1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 CFD主要工作流程 •几何描述 •说明流动条件 •选择计算的数学模型 •说明初始条件、边界条件 •网格生成 •选择数值计算参数 •CFD程序计算 •流场结果的可视化分析处理 •准确度估计网格分区和生成（Gridgen ）目录本讲第一章 Fluent简介§1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 CFD主要工作流程 •几何描述 •说明流动条件 •选择计算的数学模型 •说明初始条件、边界条件 •网格生成 •选择数值计算参数 •CFD程序计算 •流场结果的可视化分析处理 •准确度估计选择设置计算的参数和选项：如：计算格式、CFL数、迭代步数等CFD程序计算（NAPA）：多层加密计算、判断收敛目录本讲第一章 Fluent简介§1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 CFD主要工作流程 •几何描述 •说明流动条件 •选择计算的数学模型 •说明初始条件、边界条件 •网格生成 •选择数值计算参数 •CFD程序计算 •流场结果的可视化分析处理 •准确度估计流场结果后处理：通过等值图、流线图、XY函数曲线图等手 段对流场密度、压力、马赫数等参数和流速 、流向等进行分析目录本讲第一章 Fluent简介§1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 CFD主要工作流程 •几何描述 •说明流动条件 •选择计算的数学模型 •说明初始条件、边界条件 •网格生成 •选择数值计算参数 •CFD程序计算 •流场结果的可视化分析处理 •准确度估计准确度估计：1，监测迭代收敛精度、参考点参数波动2，网格对计算的影响分析3，与标准实验数据的对比目录本讲第一章 Fluent简介★ 网上 CFD资源 – ameon –http://www.cfd- –http://ercoftac.mech.surrey.ac.uk –http://www.nas.nasa.gov/Research/Datasets/datasets. html –http://www.grc.nasa.gov/WWW/wind/valid –http://www.engapplets.vt.edu –http://www.andrew.cmu.edu/user/sowen/mesh.html目录本讲第一章 Fluent简介§为了获得物理问题（各种微分方程）的唯一解，必 须对计算域边界设定各种参数值. –如各种通量（热通量、质量通量）、运动状况等. §边界条件内容: –定义边界条件的位置信息 (如进口、固体壁面、对称 位置面)–确定边界上的各种参数信息 §边界条件的具体内容和计算中采用的物理模型、边 界条件的类型密切相关. §必须仔细确定边界条件的参数 –直接影响了求解过程和所得到的结果.第二章 边界条件FuelAir Combustor WallManifold box112 3Nozzle分析流程–1. 来流条件 •均匀性 •非预混模型 •考虑混合效果–2. 喷嘴进口 •非预混模型 •参数要求高–3. 喷嘴出口 •预混模型 •参数要求高第二章 边界条件基本原则–设定在流体的进 、出口 •可以有利 于收敛.–在垂直于边界上 不应该存在很大的参 数梯度. •导致不同 的结果.–减小边界附近的 网格扭曲度. •导致计算 早期误差过大.21第二章 边界条件基本的边界类型§外部面 –一般: Pressure inlet, Pressure outlet –不可压: Velocity inlet, Outflow –可压: Mass flow inlet, Pressure far- field –特殊: Inlet vent, 。