机电一体化系统设计第三章计算流体力学(CFD)简介.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,计算流体力学简介Computational Fluid Dynamics，CFD,CFD的概念,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/化学过程的学科预测流体流动、热传导、化学反应以及相关现象的学科,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,质量守恒方程(连续性方程),动量守恒方程(运动方程),能量守恒方程,主要内容,流体的几个基本概念,什么是CFD,FLUENT-通用CFD软件,CFD算例,流体的几个基本概念,压缩性：可压缩流体，不可压缩流体,压缩率,粘性：粘性流体，非粘性流体；牛顿流体，非牛顿流体,切向力,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,正压力：理想流体，静止流体只有正压力,切向力：粘性流体才有切向力,流体的几个基本概念,绝对压强、相对压强、真空度,标准大气压,p,atm,=101325Pa（760mmHg）,绝对压强,p,s,：以0Pa为基准得到的压强,相对压强（表压强）,p,r,：,真空度,p,v,：,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,静压、动压、总压,由伯努利方程得,静压,动压,总压,流体的几个基本概念,定常流动、非定常流动,定常流动：,流动过程中各物理量均与时间无关,非定常流动：某一或多个物理量与时间有关,层流、湍流,层流：流体层与层之间没有物质和能量的交换,湍流：,流动中层与层之间相互有干扰,什么是CFD？,流体力学,研究方法,数值分析,实验研究,理论分析,计算流体力学,计算机技术飞速发展,动力,条件,什么是CFD？,CFD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。

CFD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,CFD的发展依赖于计算机技术,什么是CFD？,CFD分析与下列情况相关：,新设计方案的研究,产品开发细节,故障解决方案,重新设计,CFD 分析补充了测试和实验功能,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F-35战斗机所使用的无附面层隔道超音速进气道就是CFD的成果之一.,CFD的进展,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，,CFD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软件,主要功能,可压缩与不可压缩流动问题；,稳态和瞬态流动问题；,无粘流、层流及湍流问题；,牛顿流体及非牛顿流体；,对流换热问题（包括自然对流和混合对流）；,辐射换热；,惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟；,化学组分混合与反应；,用Lagrangian 轨道模型模拟稀疏相（颗粒，水滴，气泡等）；,多孔介质流动；,两相流问题；,复杂表面形状下的自由面流动,FLUENT-通用CFD软件,Fluent软件结构,FLUENT解法器,prePDF，用于模拟PDF燃烧过程,GAMBIT，网格生成,TGrid，额外的处理器，用于从现有的边界网格生成体网格。

Filters(Translators)，转换其它程序生成的网格，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,TGrid,2D三角网格,3D四面体网格,2D和3D混合网格,prePDF,PDF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,Fluent如何工作？,FLUENT 求解器是基于,有限体积法,建立的,旨在使控制体或控制单元区域离散化,在控制体的区域内求解质量、动量、能量、元素等守恒方程,偏微分方程通过离散处理成一系列的代数方程,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元（网格）,Control,Volume,FLUENT-通用CFD软件,FLUENT求解模型,生成网格,前处理,实体模型,Solver,流动方程,质量,Species mass fraction,Phase volume fraction,动量,能量,状态方程,所支持的计算模型,计算模型,紊流,燃烧,辐射,多相流,相转换,动区域,动网格,选择材料,边界条件,初始条件,求解器设置,后处理,FLUENT-通用CFD软件,Fluent基本步骤,问题的鉴定及预处理,定义你所需要的模型,确定即将模拟的区域,设计并创建网格,求解,建立数学模型,计算并监控,后处理,检查结果,考虑是否需要修改模型,FLUENT-通用CFD软件,问题的鉴定及预处理,确定即将模拟的区域,例如:除尘器,Gas,Riser,Cyclone,L-valve,Gas,所考虑的区域,FLUENT-通用CFD软件,问题的鉴定及预处理,设计并创建网格,Tri,angle,Pyramid,Prism/Wedge,Tet,rahedron,Quad,rilateral,FLUENT-通用CFD软件,求解,FLUENT求解器：,FLUENT 2d二维单精度求解器；,FLUENT 3d三维单精度求解器：,FLUENT 2ddp二维双精度求解器；,FLUENT 3ddp三维双精度求解器,FLUENT-通用CFD软件,求解,FLUENT中有两种求解器 压力基和密度基。

压力基求解器以动量和压力为基本变量,通过连续性方程导出压力和速度的耦合算法,只采用隐式方式对控制方程进行线性化,压力基求解器有两种算法,分离求解器 压力修正和动量方程顺序求解耦合求解器(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,求解,选择合适的计算模型,湍流、燃烧、多相流等,定义材料,液体,固体,混合体,指定操作条件,在所有边界区域指定边界条件,提供初始条件,设置求解控制器,设置残差（收敛性）监控器,FLUENT-通用CFD软件,后处理,可视工具可以用于回答如下问题：,整体的流动形式？,是否有分流？,震动、剪切层等来自于哪？,流动的主要特征是否已解决？,数据显示工具可以用于计算定量解：,力和力矩,平均传热系数,面积分量和体积分量,FLUENT-通用CFD软件,后处理软件-Tecplot,Tecplot,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,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，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,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,流线,旋转钻头头部的流线示意,FLUENT-通用CFD软件,等值线图(contour)：同一线上的物理量(如压强)相等云图：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,阀门内部流动数值模拟,CFD算例,开度,100,开度,50,开度,10,速度分布,CFD算例,压力分布,开度,100,开度,50,开度,10,CFD算例,开度,100,开度,50,压力分布,开度,10,CFD算例,导弹飞行器,CFD算例,大攻角下的分离流线,CFD算例,马赫数,攻角,升力系数（EXP）,升力系数（CFD）,误差,0.4,2,0.928,0.863,7.47%,0.4,6,2.620,2.626,2.36%,0.4,10,4.247,4.340,2.20%,0.9,2,1.013,1.089,7.48%,0.9,6,3.073,3.242,5.41%,0.9,10,4.528,4.824,6.54%,CFD算例,离心叶轮,轮盘型线,轮盖型线,z,127.5mm,15mm,70mm,63.5mm,48mm,叶片,CFD算例,叶轮通道内的压力分布,通道内的相对速度分布,93叶高处相对速度矢量线,。