機電一體化系統(tǒng)設計第三章計算流體力學(CFD)簡介.ppt

計算流體力學簡介 Computational Fluid Dynamics，CFD,CFD的概念,計算流體力學(CFD)是流體力學的新興分支，是一個采用適當?shù)臄?shù)值方法求解流體流動的控制方程組，并通過得到的流場和其它物理場研究流動現(xiàn)象以及物理/化學過程的學科。 預測流體流動、熱傳導、化學反應以及相關現(xiàn)象的學科 控制方程組：包含質(zhì)量、動量、能量、元素守恒方程等,控制方程組,質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程) 動量守恒方程(運動方程) 能量守恒方程,主要內(nèi)容,流體的幾個基本概念 什么是CFD FLUENT-通用CFD軟件 CFD算例,流體的幾個基本概念,壓縮性：可壓縮流體，不可壓縮流體 壓縮率 粘性：粘性流體，非粘性流體；牛頓流體，非牛頓流體 切向力 表面力：大小與表面面積有關而且分布作用在流體表面上的力 正壓力：理想流體，靜止流體只有正壓力 切向力：粘性流體才有切向力,流體的幾個基本概念,絕對壓強、相對壓強、真空度 標準大氣壓patm =101325Pa（760mmHg） 絕對壓強ps ：以0Pa為基準得到的壓強 相對壓強（表壓強）pr ： 真空度pv： 約定：對于液體，壓強用相對壓強；對于氣體，特別是馬赫數(shù)大于0.1的流動，應視為可壓縮流，壓強用絕對壓強 靜壓、動壓、總壓 由伯努利方程得,靜壓,動壓,總壓,流體的幾個基本概念,定常流動、非定常流動 定常流動：流動過程中各物理量均與時間無關 非定常流動：某一或多個物理量與時間有關 層流、湍流 層流：流體層與層之間沒有物質(zhì)和能量的交換 湍流：流動中層與層之間相互有干擾,什么是CFD？,計算流體力學,計算機技術飛速發(fā)展,動力,條件,什么是CFD？,CFD的作用像在計算機上做實驗，故也稱數(shù)值實驗,它不但能取代很多實驗工作，而且能做實驗室無法進行的研究。 CFD數(shù)值模擬的精度依賴于離散格式、計算網(wǎng)格、計算人員的經(jīng)驗于技巧 CFD的發(fā)展依賴于計算機技術,什么是CFD？,CFD分析與下列情況相關： 新設計方案的研究 產(chǎn)品開發(fā)細節(jié) 故障解決方案 重新設計 CFD 分析補充了測試和實驗功能 簡化了實驗設計和數(shù)據(jù)分析中所要求的工作量,什么是CFD？,美國?？哲奆-35戰(zhàn)斗機所使用的無附面層隔道超音速進氣道就是CFD的成果之一.,CFD的進展,計算流體力學的基本理論與算法已日趨成熟，能處理的物理問題也日漸復雜，并涌現(xiàn)了許多CFD通用軟件包：Phoenics，F(xiàn)luent，CFX，Star-CD，Ansys， CFD技術、CAD技術與先進測試技術是構(gòu)成現(xiàn)代設計-研發(fā)體系的三要素，涵蓋了絕大部分工業(yè)與工程領域。在先進工業(yè)國家，CFD數(shù)值模擬早己是許多新產(chǎn)品研發(fā)中不可缺少的環(huán)節(jié),FLUENT-通用CFD軟件,主要功能 可壓縮與不可壓縮流動問題； 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動問題； 無粘流、層流及湍流問題； 牛頓流體及非牛頓流體； 對流換熱問題（包括自然對流和混合對流）； 輻射換熱； 慣性坐標系和非慣性坐標系下的流動問題模擬； 化學組分混合與反應； 用Lagrangian 軌道模型模擬稀疏相（顆粒，水滴，氣泡等）； 多孔介質(zhì)流動； 兩相流問題； 復雜表面形狀下的自由面流動,FLUENT-通用CFD軟件,Fluent軟件結(jié)構(gòu) FLUENT解法器 prePDF，用于模擬PDF燃燒過程 GAMBIT，網(wǎng)格生成 TGrid，額外的處理器，用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。 Filters(Translators)，轉(zhuǎn)換其它程序生成的網(wǎng)格，用于FLUENT計算?？梢越涌诘某绦虬ǎ篈NSYS, I-DEAS, NASTRAN, PATRAN等。,FLUENT-通用CFD軟件,基本程序結(jié)構(gòu)示意圖,FLUENT-通用CFD軟件,Fluent如何工作？,FLUENT 求解器是基于有限體積法建立的 旨在使控制體或控制單元區(qū)域離散化 在控制體的區(qū)域內(nèi)求解質(zhì)量、動量、能量、元素等守恒方程 偏微分方程通過離散處理成一系列的代數(shù)方程 所有的代數(shù)方程根據(jù)計算域求解,管流動區(qū)域被離散為有限的控制單元（網(wǎng)格）,FLUENT-通用CFD軟件,FLUENT求解模型,生成網(wǎng)格,前處理,實體模型,Solver,求解器設置,后處理,FLUENT-通用CFD軟件,Fluent基本步驟 問題的鑒定及預處理 定義你所需要的模型 確定即將模擬的區(qū)域 設計并創(chuàng)建網(wǎng)格 求解 建立數(shù)學模型 計算并監(jiān)控 后處理 檢查結(jié)果 考慮是否需要修改模型,FLUENT-通用CFD軟件,問題的鑒定及預處理 確定即將模擬的區(qū)域,例如: 除塵器,FLUENT-通用CFD軟件,問題的鑒定及預處理 設計并創(chuàng)建網(wǎng)格,Quadrilateral,FLUENT-通用CFD軟件,求解 FLUENT求解器： FLUENT 2d 二維單精度求解器； FLUENT 3d 三維單精度求解器： FLUENT 2ddp 二維雙精度求解器； FLUENT 3ddp 三維雙精度求解器,FLUENT-通用CFD軟件,求解 FLUENT中有兩種求解器 壓力基和密度基。 壓力基求解器以動量和壓力為基本變量 通過連續(xù)性方程導出壓力和速度的耦合算法 只采用隱式方式對控制方程進行線性化 壓力基求解器有兩種算法 分離求解器 壓力修正和動量方程順序求解。 耦合求解器(PBCS)壓力和動量方程同時求解,用哪種壓力梯度來計算控制方程中的導數(shù)項。,FLUENT-通用CFD軟件,求解 選擇合適的計算模型 湍流、燃燒、多相流等 定義材料 液體 固體 混合體 指定操作條件 在所有邊界區(qū)域指定邊界條件 提供初始條件 設置求解控制器 設置殘差（收斂性）監(jiān)控器,FLUENT-通用CFD軟件,后處理 可視工具可以用于回答如下問題： 整體的流動形式？ 是否有分流？ 震動、剪切層等來自于哪？ 流動的主要特征是否已解決？ 數(shù)據(jù)顯示工具可以用于計算定量解： 力和力矩 平均傳熱系數(shù) 面積分量和體積分量,FLUENT-通用CFD軟件,后處理軟件-Tecplot Tecplot 是Amtec公司推出的繪圖和數(shù)據(jù)分析的通用軟件，用于數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)分析和測試。 作為功能強大的數(shù)據(jù)顯示工具，Tecplot通過繪制XY，2-D和3-D數(shù)據(jù)圖以顯示工程和科學數(shù)據(jù)。,FLUENT-通用CFD軟件,線值圖：在二維或三維空間上，將橫坐標取為空間長度或時間歷程，將縱坐標取為某一物理量，然后用光滑曲線或曲面在坐標系內(nèi)繪制出某一物理量沿空間或時間的變化情況。,Ma=0.8的均勻場內(nèi)靜止點聲源的聲輻射,觀察者位置(100m,0m,0m),FLUENT-通用CFD軟件,矢量圖：直接給出二維或三維空間里矢量（如速度）的方向及大小，一般用不同顏色和長度的箭頭表示速度矢量。矢量圖能形象地顯示流動特征,某離心葉輪近輪蓋處的速度分布,FLUENT-通用CFD軟件,流線,FLUENT-通用CFD軟件,等值線圖(contour)：同一線上的物理量(如壓強)相等。 云圖：使用渲染的方式，將流場某個截面上的物理量(如壓力或溫度)用連續(xù)變化的顏色塊表示其分布。,振蕩機翼附近的壓力等值分布,振蕩機翼附近的壓力云圖,CFD算例,閥門內(nèi)部流動數(shù)值模擬,CF