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1、计算流体力学简介ComputationalFluidDynamics，CFDCFD的概念o计算流体力学(CFD)是流体力学的新兴分支，是一个采用适当的数值方法求解流体流动的控制方程组，并通过得到的流场和其它物理场研究流动现象以及物理/化学过程的学科。n预测流体流动、热传导、化学反应以及相关现象的学科n控制方程组：包含质量、动量、能量、元素守恒方程等控制方程组o质量守恒方程(连续性方程) o动量守恒方程(运动方程) o能量守恒方程主要内容o流体的几个基本概念o什么是CFDoFLUENT-通用CFD软件oCFD算例流体的几个基本概念o压缩性：可压缩流体，不可压缩流体n压缩率o粘性：粘性流体，非粘性
2、流体；牛顿流体，非牛顿流体n切向力o表面力：大小与表面面积有关而且分布作用在流体表面上的力n正压力：理想流体，静止流体只有正压力n切向力：粘性流体才有切向力流体的几个基本概念o绝对压强、相对压强、真空度n标准大气压patm=101325Pa（760mmHg）n绝对压强ps：以0Pa为基准得到的压强n相对压强（表压强）pr：n真空度pv：n约定：对于液体，压强用相对压强；对于气体，特别是马赫数大于0.1的流动，应视为可压缩流，压强用绝对压强o静压、动压、总压n由伯努利方程得静压静压 动压动压总压总压流体的几个基本概念o定常流动、非定常流动n定常流动：流动过程中各物理量均与时间无关n非定常流动：某
3、一或多个物理量与时间有关o层流、湍流 n层流：流体层与层之间没有物质和能量的交换n湍流：流动中层与层之间相互有干扰什么是CFD？流体力学流体力学研究方法研究方法数值分析数值分析实验研究实验研究理论分析理论分析计算流体力学计算流体力学计算机技术计算机技术飞速发展飞速发展动力动力条件条件什么是CFD？oCFD的作用像在计算机上做实验，故也称数值实验,它不但能取代很多实验工作，而且能做实验室无法进行的研究。oCFD数值模拟的精度依赖于离散格式、计算网格、计算人员的经验于技巧oCFD的发展依赖于计算机技术什么是CFD？oCFD分析与下列情况相关：n新设计方案的研究n产品开发细节n故障解决方案n重新设计
4、oCFD分析补充了测试和实验功能n简化了实验设计和数据分析中所要求的工作量什么是CFD？美国海空军美国海空军F-35战斗机所使用的无附面层隔道超音速进战斗机所使用的无附面层隔道超音速进气道就是气道就是CFD的成果之一的成果之一.CFD的进展o计算流体力学的基本理论与算法已日趋成熟，能处理的物理问题也日渐复杂，并涌现了许多CFD通用软件包：Phoenics，Fluent，CFX，Star-CD，Ansys，oCFD技术、CAD技术与先进测试技术是构成现代设计-研发体系的三要素，涵盖了绝大部分工业与工程领域。在先进工业国家，CFD数值模拟早己是许多新产品研发中不可缺少的环节FLUENT-通用CFD
5、软件o主要功能n可压缩与不可压缩流动问题；n稳态和瞬态流动问题；n无粘流、层流及湍流问题；n牛顿流体及非牛顿流体；n对流换热问题（包括自然对流和混合对流）；n辐射换热；n惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟；n化学组分混合与反应；n用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相（颗粒，水滴，气泡等）；n多孔介质流动；n两相流问题；n复杂表面形状下的自由面流动FLUENT-通用CFD软件oFluent软件结构nFLUENT解法器nprePDF，用于模拟PDF燃烧过程nGAMBIT，网格生成nTGrid，额外的处理器，用于从现有的边界网格生成体网格。nFilters(Translators)，转换其
6、它程序生成的网格，用于FLUENT计算。可以接口的程序包括：ANSYS,I-DEAS,NASTRAN,PATRAN等。FLUENT-通用CFD软件GAMBIT设置几何形状生成2D或3D网格其它软件包，如CAD，CAE等FLUENT网格输入及调整物理模型边界条件流体物性确定计算结果后处理TGrid2D三角网格3D四面体网格2D和3D混合网格prePDFPDF查表2D或3D网格几何形状或网格PDF程序网格边界和（或）体网格边界网格基本程序结构示意图FLUENT-通用CFD软件oFluent如何工作？oFLUENT求解器是基于有限体积法建立的n旨在使控制体或控制单元区域离散化n在控制体的区域内求解质
7、量、动量、能量、元素等守恒方程n偏微分方程通过离散处理成一系列的代数方程n所有的代数方程根据计算域求解管流动区域被离散为有限的控制单管流动区域被离散为有限的控制单元（网格）元（网格）ControlVolumeFLUENT-通用CFD软件oFLUENT求解模型u生成网格前处理前处理u实体模型Solveru流动方程l质量nSpeciesmassfractionnPhasevolumefractionl动量l能量u状态方程u所支持的计算模型u计算模型l紊流l燃烧l辐射l多相流l相转换l动区域l动网格u选择材料u边界条件u初始条件求解器设置后处理后处理FLUENT-通用CFD软件oFluent基本步骤
8、n问题的鉴定及预处理o定义你所需要的模型o确定即将模拟的区域o设计并创建网格n求解o建立数学模型o计算并监控n后处理o检查结果o考虑是否需要修改模型FLUENT-通用CFD软件o问题的鉴定及预处理n确定即将模拟的区域例如例如: 除尘器除尘器GasRiserCycloneL-valveGas所考虑的区域所考虑的区域FLUENT-通用CFD软件o问题的鉴定及预处理n设计并创建网格TrianglePyramidPrism/WedgeTetrahedronQuadrilateralFLUENT-通用CFD软件o求解nFLUENT求解器：oFLUENT2d二维单精度求解器；oFLUENT3d三维单精度求
9、解器：oFLUENT2ddp二维双精度求解器；oFLUENT3ddp三维双精度求解器FLUENT-通用CFD软件o求解nFLUENT中有两种求解器压力基和密度基。n压力基求解器以动量和压力为基本变量o通过连续性方程导出压力和速度的耦合算法o只采用隐式方式对控制方程进行线性化n压力基求解器有两种算法o分离求解器压力修正和动量方程顺序求解。o耦合求解器(PBCS)压力和动量方程同时求解用哪种压力梯度来计算控制方程中的导数项。FLUENT-通用CFD软件o求解n选择合适的计算模型o湍流、燃烧、多相流等n定义材料o液体 o固体o混合体n指定操作条件n在所有边界区域指定边界条件n提供初始条件n设置求解控
10、制器n设置残差（收敛性）监控器FLUENT-通用CFD软件o后处理n可视工具可以用于回答如下问题：o整体的流动形式？o是否有分流？o震动、剪切层等来自于哪？o流动的主要特征是否已解决？n数据显示工具可以用于计算定量解：o力和力矩o平均传热系数o面积分量和体积分量FLUENT-通用CFD软件o后处理软件-TecplotnTecplot是Amtec公司推出的绘图和数据分析的通用软件，用于数值模拟、数据分析和测试。n作为功能强大的数据显示工具，Tecplot通过绘制XY，2-D和3-D数据图以显示工程和科学数据。FLUENT-通用CFD软件o线值图：在二维或三维空间上，将横坐标取为空间长度或时间历程
11、，将纵坐标取为某一物理量，然后用光滑曲线或曲面在坐标系内绘制出某一物理量沿空间或时间的变化情况。Ma=0.8的均匀场内静止点声源的声辐射,观察者位置(100m,0m,0m) FLUENT-通用CFD软件o矢量图：直接给出二维或三维空间里矢量（如速度）的方向及大小，一般用不同颜色和长度的箭头表示速度矢量。矢量图能形象地显示流动特征某离心叶轮近轮盖处的速度分布FLUENT-通用CFD软件o流线旋转钻头头部的流线示意FLUENT-通用CFD软件o等值线图(contour)：同一线上的物理量(如压强)相等。o云图：使用渲染的方式，将流场某个截面上的物理量(如压力或温度)用连续变化的颜色块表示其分布。振
12、荡机翼附近的压力等值分布振荡机翼附近的压力云图CFD算例o阀门内部流动数值模拟CFD算例开度开度100开度开度50开度开度10速度分布CFD算例压力分布开度开度100开度开度50开度开度10CFD算例开度开度100开度开度50压力分布开度开度10CFD算例o导弹飞行器CFD算例大攻角下的分离流线大攻角下的分离流线CFD算例马赫数马赫数攻角攻角升力系数升力系数（EXPEXP）升力系数升力系数（CFDCFD）误差误差0.40.42 20.9280.9280.8630.8637.47%7.47%0.40.46 62.6202.6202.6262.6262.36%2.36%0.40.410104.2474.2474.3404.3402.20%2.20%0.90.92 21.0131.0131.0891.0897.48%7.48%0.90.96 63.0733.0733.2423.2425.41%5.41%0.90.910104.5284.5284.8244.8246.54%6.54%CFD算例o离心叶轮轮盘型线轮盘型线轮盖型线轮盖型线z z127.5mm127.5mm15mm15mm70mm70mm63.5mm63.5mm48mm48mm叶叶片片CFD算例叶轮通道内的压力分布叶轮通道内的压力分布通道内的相对速度分布通道内的相对速度分布93叶高处相对速度矢量线叶高处相对速度矢量线
