計(jì)算流體力學(xué)課件

1、計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)Computational fluid DynamicsComputational fluid Dynamics2022-2-72第一章第一章 引引 言言 、1.1 緒論緒論2022-2-73n重要性：重要性：CFD提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力和設(shè)計(jì)水平；提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力和設(shè)計(jì)水平；企業(yè)數(shù)值化的重要部分；帶來(lái)了嶄新的設(shè)計(jì)理念企業(yè)數(shù)值化的重要部分；帶來(lái)了嶄新的設(shè)計(jì)理念和提供了新的途徑。和提供了新的途徑。n流體問(wèn)題流體問(wèn)題 廣泛性、復(fù)雜性、重要性廣泛性、復(fù)雜性、重要性n廣泛性廣泛性：大氣、海洋；能源動(dòng)力、石油化工、大氣、海洋；能源動(dòng)力、石油化工、鋼鐵冶金、國(guó)防、環(huán)保；鋼鐵冶

2、金、國(guó)防、環(huán)保；n 復(fù)雜性：復(fù)雜性：數(shù)學(xué)描述；幾何域；多種現(xiàn)象；數(shù)學(xué)描述；幾何域；多種現(xiàn)象； 理論、實(shí)驗(yàn)、計(jì)算流體力學(xué)2022-2-741. 條件：條件： 硬件：發(fā)展迅速硬件：發(fā)展迅速 軟件：軟件： CFD比較成熟，比較成熟，F(xiàn)LOWLAB 效果：例子，飛機(jī)阻力效果：例子，飛機(jī)阻力2. 工程應(yīng)用：廣泛，普及工程應(yīng)用：廣泛，普及 航天：運(yùn)載工具（武器），航天：運(yùn)載工具（武器）， 能源：電廠、制冷的仿真，換熱器能源：電廠、制冷的仿真，換熱器 電子：設(shè)備的熱問(wèn)題分析電子：設(shè)備的熱問(wèn)題分析108w/m2 高新技術(shù)：微機(jī)械，高新技術(shù)：微機(jī)械，n現(xiàn)狀：現(xiàn)狀：2022-2-75Coputational fl

3、uid dynamicsn CFD與與CAD n CFD 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)是集流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)是集流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)于一體的模擬技術(shù)，已方法及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)于一體的模擬技術(shù)，已經(jīng)在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)經(jīng)在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，CFDCFD技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)取得重大的進(jìn)技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)取得重大的進(jìn)步。尤其是國(guó)外，步。尤其是國(guó)外，CFDCFD技術(shù)的應(yīng)用研究開(kāi)展技術(shù)的應(yīng)用研究開(kāi)展得如火如荼。但是，在我國(guó)，得如火如荼。但是，在我國(guó)，CFDCFD技術(shù)仍不技術(shù)仍不為廣大工程師熟悉，仍是為廣大工程師熟悉，仍是“陽(yáng)春白雪陽(yáng)春白雪”。2022-2-

4、78In short, todays CFD software provides power industry users with a comprehensive virtual modeling tool for predicting many types of fluid f low and heat transfer phenomena. Today, many of our customers are benefiting from this important technology. （CFD） 電力工業(yè)受益于CFD For nearly two decades, engineer

5、s have been using CFD to address complex fluid flow and heat transfer problems 2022-2-79CFDCFD擁有包括流體流動(dòng)、傳熱、輻射、多相流擁有包括流體流動(dòng)、傳熱、輻射、多相流、化學(xué)反應(yīng)、燃燒等問(wèn)題豐富的通用物理模、化學(xué)反應(yīng)、燃燒等問(wèn)題豐富的通用物理模型；還擁有諸如氣蝕、凝固、沸騰、多孔介型；還擁有諸如氣蝕、凝固、沸騰、多孔介質(zhì)、相間傳質(zhì)、非牛頓流、噴霧干燥、動(dòng)靜質(zhì)、相間傳質(zhì)、非牛頓流、噴霧干燥、動(dòng)靜干涉、真實(shí)氣體等大批復(fù)雜干涉、真實(shí)氣體等大批復(fù)雜現(xiàn)象的實(shí)用模型?，F(xiàn)象的實(shí)用模型。 2022-2-710航空航天：

6、航空航天：圖圖a a為模擬美國(guó)為模擬美國(guó)F22F22戰(zhàn)斗機(jī)的結(jié)果，圖中戰(zhàn)斗機(jī)的結(jié)果，圖中顯示的是對(duì)稱(chēng)面上的馬赫數(shù)分布。計(jì)算共采用了顯示的是對(duì)稱(chēng)面上的馬赫數(shù)分布。計(jì)算共采用了260260萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元。模擬的升力、阻力及力矩系數(shù)萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元。模擬的升力、阻力及力矩系數(shù)都與實(shí)驗(yàn)值吻合的很好。都與實(shí)驗(yàn)值吻合的很好。圖圖b b是某飛機(jī)多段翼周?chē)膲毫Ψ植际悄筹w機(jī)多段翼周?chē)膲毫Ψ植紙D圖c c是美國(guó)是美國(guó)J-31J-31型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)模擬。包型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)模擬。包括進(jìn)氣道、壓縮機(jī)、燃燒室、尾噴管四個(gè)部分。括進(jìn)氣道、壓縮機(jī)、燃燒室、尾噴管四個(gè)部分。2022-2-711汽車(chē)領(lǐng)域：汽車(chē)領(lǐng)域：圖圖

7、a a日本汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)模擬的某汽車(chē)外日本汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)模擬的某汽車(chē)外流場(chǎng)，圖中顯示了對(duì)稱(chēng)面、地面和車(chē)身表面的壓力流場(chǎng)，圖中顯示了對(duì)稱(chēng)面、地面和車(chē)身表面的壓力分布。分布。圖圖b b 模擬模擬F1F1方程式賽車(chē)的外流場(chǎng)，圖中顯示的是對(duì)方程式賽車(chē)的外流場(chǎng)，圖中顯示的是對(duì)稱(chēng)面和地面的壓力分布。稱(chēng)面和地面的壓力分布。 2022-2-712建筑工業(yè)：建筑工業(yè)：圖圖a a 模擬倫敦街區(qū)一角的外部風(fēng)場(chǎng)，圖中顯示模擬倫敦街區(qū)一角的外部風(fēng)場(chǎng)，圖中顯示了建筑物表面的壓力分布。采用建筑物的風(fēng)載模擬，為建筑了建筑物表面的壓力分布。采用建筑物的風(fēng)載模擬，為建筑的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供有效的壓力數(shù)據(jù)，同時(shí)針對(duì)建筑物的具體特的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提

8、供有效的壓力數(shù)據(jù)，同時(shí)針對(duì)建筑物的具體特點(diǎn)，設(shè)計(jì)更靈活的通風(fēng)系統(tǒng)。點(diǎn)，設(shè)計(jì)更靈活的通風(fēng)系統(tǒng)。圖圖b b 某帳篷式大型體育場(chǎng)的內(nèi)部通風(fēng)問(wèn)題。圖中顯示的是體某帳篷式大型體育場(chǎng)的內(nèi)部通風(fēng)問(wèn)題。圖中顯示的是體育場(chǎng)表面的網(wǎng)格劃分。在設(shè)計(jì)初期就得到體育場(chǎng)內(nèi)的詳細(xì)流育場(chǎng)表面的網(wǎng)格劃分。在設(shè)計(jì)初期就得到體育場(chǎng)內(nèi)的詳細(xì)流場(chǎng)信息，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的通風(fēng)隱患，修改通風(fēng)設(shè)計(jì)場(chǎng)信息，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的通風(fēng)隱患，修改通風(fēng)設(shè)計(jì)方案，加快設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。方案，加快設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。2022-2-713船舶工業(yè)：船舶工業(yè)：圖圖a a 計(jì)算船舶問(wèn)題。船行速度為計(jì)算船舶問(wèn)題。船行速度為2.064 m/s 2.

9、064 m/s 整船的計(jì)算阻力為整船的計(jì)算阻力為43.9 N43.9 N，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果為，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果為44.3N44.3N。誤差。誤差幾乎為幾乎為1%1%。圖圖b b 德國(guó)模擬的船后螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)船體的影響。德國(guó)模擬的船后螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)船體的影響。圖圖c c 是美國(guó)海軍模擬的某型號(hào)潛艇在水下的運(yùn)動(dòng)。圖中顯示是美國(guó)海軍模擬的某型號(hào)潛艇在水下的運(yùn)動(dòng)。圖中顯示的是潛艇轉(zhuǎn)彎時(shí)周?chē)牧骶€(xiàn)。通過(guò)使用的是潛艇轉(zhuǎn)彎時(shí)周?chē)牧骶€(xiàn)。通過(guò)使用CFDCFD，能更快地設(shè)計(jì)，能更快地設(shè)計(jì)出在阻力、機(jī)動(dòng)性等方面都有很大提高的潛艇。出在阻力、機(jī)動(dòng)性等方面都有很大提高的潛艇。2022-2-714能源工業(yè)：能源工業(yè)：圖圖a a是是CF

10、DCFD模擬的模擬的500 Mwe500 Mwe電站煤粉鍋爐爐內(nèi)電站煤粉鍋爐爐內(nèi)燃燒。結(jié)果顯示了在燃燒器噴流交叉形成的高溫、高氧區(qū)，燃燒。結(jié)果顯示了在燃燒器噴流交叉形成的高溫、高氧區(qū)，NOXNOX生成速率大。生成速率大。圖圖b b顯示的是管殼換熱器的流線(xiàn)及溫度分布。同時(shí)考慮管外顯示的是管殼換熱器的流線(xiàn)及溫度分布。同時(shí)考慮管外流體、管內(nèi)流體、以及管壁部分的耦合傳熱。流體、管內(nèi)流體、以及管壁部分的耦合傳熱。圖圖c c是模擬燃料電池中氧濃度的分布。用戶(hù)開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)的電是模擬燃料電池中氧濃度的分布。用戶(hù)開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)的電化學(xué)反應(yīng)模型，通過(guò)催化層的電化學(xué)反應(yīng)速率模擬當(dāng)?shù)氐碾娀瘜W(xué)反應(yīng)模型，通過(guò)催化層的電化學(xué)反應(yīng)

11、速率模擬當(dāng)?shù)氐碾娏髅芏?。流密度?022-2-715石油化工：石油化工：圖圖a a 模擬流化床內(nèi)氣泡的形成和發(fā)展過(guò)程。多模擬流化床內(nèi)氣泡的形成和發(fā)展過(guò)程。多相流模型可以模擬任何擴(kuò)散和連續(xù)流動(dòng)的組合，包括液體、相流模型可以模擬任何擴(kuò)散和連續(xù)流動(dòng)的組合，包括液體、固體、氣體和化學(xué)物質(zhì)。固體、氣體和化學(xué)物質(zhì)。圖圖b b 是模擬廢熱回收裝置內(nèi)的溫度變化過(guò)程，并準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了是模擬廢熱回收裝置內(nèi)的溫度變化過(guò)程，并準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了管內(nèi)介質(zhì)的出口溫度。通過(guò)模擬，找出了原始設(shè)計(jì)的弊端在管內(nèi)介質(zhì)的出口溫度。通過(guò)模擬，找出了原始設(shè)計(jì)的弊端在于換熱面積過(guò)小，導(dǎo)致各管間溫度相差較大。于換熱面積過(guò)小，導(dǎo)致各管間溫度相差較大。圖圖

12、c c 模擬出添加劑的濃度分布。改變添加劑的投放位置，用模擬出添加劑的濃度分布。改變添加劑的投放位置，用CFDCFD模擬來(lái)優(yōu)化添加劑濃度分布，以達(dá)到最好的防腐效果模擬來(lái)優(yōu)化添加劑濃度分布，以達(dá)到最好的防腐效果2022-2-716冶金工業(yè)：冶金工業(yè)：圖圖a a 模擬的鋼水鑄造過(guò)程，圖中顯示的是鑄造模擬的鋼水鑄造過(guò)程，圖中顯示的是鑄造模具內(nèi)的流線(xiàn)及表面溫度分布模具內(nèi)的流線(xiàn)及表面溫度分布圖圖b b是模擬連續(xù)加熱爐，該爐采用直接加熱方式，從圖中溫度是模擬連續(xù)加熱爐，該爐采用直接加熱方式，從圖中溫度分布可以看出，鋼帶有一角的溫度過(guò)高，這會(huì)影響鋼產(chǎn)品的分布可以看出，鋼帶有一角的溫度過(guò)高，這會(huì)影響鋼產(chǎn)品的質(zhì)

13、量。質(zhì)量。圖圖c c是模擬優(yōu)化鑄造爐內(nèi)燒嘴的類(lèi)型和位置。很好地模擬出了是模擬優(yōu)化鑄造爐內(nèi)燒嘴的類(lèi)型和位置。很好地模擬出了融池內(nèi)因浮力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的二次流現(xiàn)象，及諸如回流區(qū)、渦、融池內(nèi)因浮力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的二次流現(xiàn)象，及諸如回流區(qū)、渦、表面波的發(fā)展、溫度分布的不均勻性等設(shè)計(jì)缺陷。表面波的發(fā)展、溫度分布的不均勻性等設(shè)計(jì)缺陷。 2022-2-717 不受實(shí)驗(yàn)等條件限制：不受實(shí)驗(yàn)等條件限制：有利于單獨(dú)參數(shù)影響的研究有利于單獨(dú)參數(shù)影響的研究 例如局部參數(shù)變化例如局部參數(shù)變化系統(tǒng)裝置的聯(lián)合研究系統(tǒng)裝置的聯(lián)合研究 例如配套的部件和設(shè)備例如配套的部件和設(shè)備其他條件下無(wú)法的研究其他條件下無(wú)法的研究 高溫、兩相流、超常尺寸

14、等高溫、兩相流、超常尺寸等三、三、 數(shù)值模擬（虛擬實(shí)驗(yàn)）的特點(diǎn)數(shù)值模擬（虛擬實(shí)驗(yàn)）的特點(diǎn)n可視化；微觀、局部化；數(shù)值化可視化；微觀、局部化；數(shù)值化2022-2-718壓力云圖壓力云圖速度云圖速度云圖噪聲研究噪聲研究煙囪產(chǎn)生的噪聲煙囪產(chǎn)生的噪聲內(nèi)部流動(dòng)模擬內(nèi)部流動(dòng)模擬2022-2-719壓力云圖壓力云圖擋板處的壓力不均勻和旋渦擋板處的壓力不均勻和旋渦該處壓差最大值該處壓差最大值=389.9+778.2=1168.1Pa矢量圖矢量圖2022-2-720三種煙囪三種煙囪內(nèi)壓力云圖比較內(nèi)壓力云圖比較2022-2-721產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)制造樣機(jī)測(cè)試評(píng)估；性能；質(zhì)量；可通過(guò)否？投產(chǎn)不通

15、過(guò)通過(guò)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法流程：傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法流程：現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法流程（應(yīng)用了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法流程（應(yīng)用了CFD）：）：方案設(shè)計(jì)CFD評(píng)估詳細(xì)設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證投產(chǎn)2022-2-722 出口管內(nèi)流場(chǎng)出口管內(nèi)流場(chǎng)渦旋鼓風(fēng)機(jī)的開(kāi)發(fā)渦旋鼓風(fēng)機(jī)的開(kāi)發(fā)不不同同葉葉片片形形狀狀 靜壓比靜壓比 效率效率直葉片直葉片 1.042 29.2前彎葉片前彎葉片 1.077 32.18三維葉片三維葉片 1.1 37.837374141 2022-2-723四、四、CFDCFD分析的一般過(guò)程分析的一般過(guò)程n后處理階段后處理階段 計(jì)算結(jié)果分析、數(shù)值計(jì)算不確定度的估計(jì)計(jì)算結(jié)果分析、數(shù)值計(jì)算不確定度的估計(jì)n求解過(guò)程求解過(guò)程 方程組和邊界條件確

16、定、方程方程組和邊界條件確定、方程離散離散(格式格式)、代數(shù)方程代數(shù)方程求解求解等等n前處理階段（如果用商業(yè)前處理階段（如果用商業(yè)CFD,人工干預(yù)多）人工干預(yù)多） 包括實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分包括實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分(時(shí)空間時(shí)空間離散離散)等等2022-2-725五、五、 CFD的研究?jī)?nèi)容的研究?jī)?nèi)容前提：前提：方程組和邊界條件確定 物理模型、離散：離散：方程離散(格式)、 網(wǎng)格劃分(時(shí)、空間離散)解法：解法：代數(shù)方程組求解(單獨(dú)、聯(lián)立；單獨(dú)、聯(lián)立；)（離散（離散+解法）解法）2022-2-726六、六、 CFD的發(fā)展史的發(fā)展史 在在l933l933年，英國(guó)科學(xué)家年，英國(guó)科學(xué)家ThomThom應(yīng)用手搖計(jì)

17、算機(jī)完成了對(duì)應(yīng)用手搖計(jì)算機(jī)完成了對(duì)一個(gè)外掠圓柱流動(dòng)的一個(gè)外掠圓柱流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算，數(shù)值計(jì)算，大致始于大致始于60年代年代在全世界范在全世界范圍內(nèi)逐漸形成規(guī)圍內(nèi)逐漸形成規(guī)模而且得出有益的結(jié)果模而且得出有益的結(jié)果1 1、萌芽初創(chuàng)時(shí)期、萌芽初創(chuàng)時(shí)期(19651974) (1)交錯(cuò)網(wǎng)格的提出，交錯(cuò)網(wǎng)格的提出，19651965 (2) “Journal of Computational Physics”于于1966年創(chuàng)刊。年創(chuàng)刊。(3)1969年英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院年英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院(Imperial College)創(chuàng)建了創(chuàng)建了CHAM，旨在把他們研究組的成果推廣應(yīng)用到工業(yè)界。旨在把他們研究組的成果推廣應(yīng)用

18、到工業(yè)界。 (4)l972年年SIMPLE算法問(wèn)世算法問(wèn)世 (5)1974年美國(guó)學(xué)者提出了用微分方程來(lái)生成適體坐標(biāo)的方年美國(guó)學(xué)者提出了用微分方程來(lái)生成適體坐標(biāo)的方法法(TTM方法方法) 2022-2-7272 2、開(kāi)始走向工業(yè)應(yīng)用階段、開(kāi)始走向工業(yè)應(yīng)用階段(19751984) n1977年由年由Spalding及其學(xué)生開(kāi)發(fā)的及其學(xué)生開(kāi)發(fā)的GENMIX程序公開(kāi)發(fā)行程序公開(kāi)發(fā)行 n1979大型通用軟件大型通用軟件PHOENICSPHOENICS第一版問(wèn)世第一版問(wèn)世( (意為對(duì)拋物型、雙意為對(duì)拋物型、雙曲型、橢圓型方程進(jìn)行數(shù)值積分的系列程序曲型、橢圓型方程進(jìn)行數(shù)值積分的系列程序) )。當(dāng)時(shí)僅限在英。當(dāng)時(shí)僅限在英國(guó)帝國(guó)理工國(guó)帝國(guó)理工CFDCFD研究組內(nèi)使用，為工業(yè)界計(jì)算一些應(yīng)用問(wèn)題。研究組內(nèi)使用，為工業(yè)界計(jì)算一些應(yīng)用問(wèn)題。LeonardLeonard在在19791979年發(fā)表了著名的年發(fā)表了著名的QUICKQUICK格式格式-具有三階精度具有三階精度( (從界函面數(shù)插值而言從界函面數(shù)插值而言) )的對(duì)流項(xiàng)離散格式，其穩(wěn)