-CFD-ace理论手册

流体力学基础流体力学研究流体（气体与液体）的宏观运动与平衡，它以流体宏观模型作为基本假说。

显然，流体的运动取决于每个粒子的运动，但若求解每个粒子的运动即不可能也无必要。

对于宏观问题，必须在微观与宏观之间建立一座桥梁。

流体宏观模型认为流体是由无数流体元（或称流体微团）连续地组成的（即连续介质）。

所谓流体元指的是这样的小块流体：它的大小与放置在流体中的实物比较是微不足道的，但比分子的平均自由程却要大得多，它包含足够多的分子，能施行统计平均求出宏观参量，少数分子出入于流体元不会影响稳定的平均值。

另一方面，对于进行统计平均的时间也应选得足够大，使得在这段时间内，微观的性质，例如分子间的碰撞等已进行了许多次，在这段时间内进行统计平均能够得到稳定的数值。

于是，从统计物理中得知，分子的物理量（质量、速度、动量和能量）经过统计平均后变成了流体元的质量，速度，压力和温度等宏观物理量，分子质量、动量和能量等输运过程，经过统计平均后表现为扩散，粘性，热传导等宏观性质。

上述微观上充分大、宏观上充分小的流体元称为流体质点，将流体运动的空间看作是由流体质点连续地无空隙地充满着的假设称为连续介质假设。

应该指出，有了此假设才能把一个微观问题化成宏观问题，且数学上容易处理。

实验和经验也表明在一般情况下这个假设总是成立的。

但是。

在某些特殊问题中，连续介质的假设也可以不成立。

例如在稀薄气体力学中，分子间的距离很大，它能和物体的特征尺度比拟，这样虽然获得稳定平均值的流体元还是存在的，但是不能将它看成一个质点。

又如考虑激波内的气体运动，激波的尺寸与分子平均自由程同阶，激波内的流体只能看成分子而不能当作连续介质来处理了。

CFD的求解过程CFD的求解过程为了进行CFD计算，用户可借助商用软件来完成所需要的任务，也可自己直接编写计算程序。

两种方法的基本工作过程是相同的，无论是流动问题、传热问题，还是污染物的运移问题，无论是稳态问题，还是瞬态问题，其求解过程都可用图1表示。

1.3 圆锥平板粘度计计算公式：M a ωπαμ323=4αa其中：为楔角为液体接触部分平板半径其他参数定义如前1.4 流动杯粘度计工作原理：根据液体从底部带孔的杯中的流空时间确定液体粘度。

图示为常用的恩格尔（Engler）粘度计。

部件：1.储液杯，2.保温桶，3.出流小孔，4.接受瓶当流入4的液体达到200ml的刻度线时停止计时，得到流空时间T，事先测得20o C时蒸馏水的流空时间T’,于是恩氏粘度oE＝T/T’52.2 倾斜式微压计图（a）是工作原理，由于U型管的一个分支倾斜放置，液面读数得到放大。

计算公式为l K A A l g P m Δ=+Δ=Δ)(sin 12αρ图（b）表示可以同时测量多点微压的倾斜式多管测压计7 2.3 波顿压力表（弹簧管压力表）管内压力使弹簧管（Bourdon管）变形，从而带动指针偏转，在表盘上指示读数。

缺点是精度不高，需经常校准。

83.1 普通测速方法螺旋桨测速仪0(2[ρp v −=方向探头（两种特殊的Pitot管）五孔球型探头12七孔锥形探头热线探头热膜探头一维前向散射激光多普勒测速原理图所测速度场判读系统特点：可同时成片测量非定常速度场，是研究湍流的有力工具。

频响还不够高，也需要散射粒子。

) (pp−)p−251HKQ=4.3 线性效应流量计转子流量计：Q＝kH涡轮流量计：Q＝kf19转子流量计：V＝kE全息干涉法)(1122θθρV r V r Q T s −=ωT W =2.2叶轮机械的特性s s泵的特性曲线4.动力机械－涡轮机简介冲击式水轮机反作用式水轮机（混流式）径流式弗朗西斯水轮机轴流式凯普伦水轮机风力涡轮机（风车）。

第二章计算流体力学基础◆计算流体力学概述◆有限差分法◆有限元法◆有限体积法◆离散方法分类◆常用CFD软件计算流体力学概述计算流体动力学(computational Fluid Dynamics,简称CFD)是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。

CFD的基本思想：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。

CFD可以看做是在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流动的数值模拟。

通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。

还可据此算出相关的其他物理量，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。

此外，与CAD联合，还可进行结构优化设计等。

研究流体流动问题的体系单纯实验测试单纯理论分析计算流体力学实验测量方法所得到的实验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础。

Important!局限性：(1)实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过试验方法得到结果。

(2)实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。

理论分析方法优点:所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。

局限性：它往往要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。

对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结果。

CFD方法克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现—个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理实验。

例如，机翼的绕流，通过计算并将其结果在屏幕上显示，就可以看到流场的各种细节：激波的运动、强度，涡的生成与传播，流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时间的变化等。

CFD基础教程第1章 CFD 基础计算流体动⼒学(computational fluid dynamics ，CFD)是流体⼒学的⼀个分⽀，它通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关信息，实现了⽤计算机代替试验装置完成“计算试验”，为⼯程技术⼈员提供了实际⼯况模拟仿真的操作平台，已⼴泛应⽤于航空航天、热能动⼒、⼟⽊⽔利、汽车⼯程、铁道、船舶⼯业、化学⼯程、流体机械、环境⼯程等领域。

本章介绍CFD ⼀些重要的基础知识，帮助读者熟悉CFD 的基本理论和基本概念，为计算时设置边界条件、对计算结果进⾏分析与整理提供参考。

1.1 流体⼒学的基本概念1.1.1 流体的连续介质模型流体质点(fluid particle)：⼏何尺⼨同流动空间相⽐是极⼩量，⼜含有⼤量分⼦的微元体。

连续介质(continuum/continuous medium)：质点连续地充满所占空间的流体或固体。

连续介质模型(continuum/continuous medium model)：把流体视为没有间隙地充满它所占据的整个空间的⼀种连续介质，且其所有的物理量都是空间坐标和时间的连续函数的⼀种假设模型：u =u (t ,x ,y ,z )。

1.1.2 流体的性质1. 惯性惯性(fluid inertia)指流体不受外⼒作⽤时，保持其原有运动状态的属性。

惯性与质量有关，质量越⼤，惯性就越⼤。

单位体积流体的质量称为密度(density)，以r 表⽰，单位为kg/m 3。

对于均质流体，设其体积为V ，质量为m ，则其密度为mV(1-1)对于⾮均质流体，密度随点⽽异。

若取包含某点在内的体积V ，其中质量m ，则该点密度需要⽤极限⽅式表⽰，即0lim V mV(1-2)2. 压缩性作⽤在流体上的压⼒变化可引起流体的体积变化或密度变化，这⼀现象称为流体的可压缩性。

压缩性(compressibility)可⽤体积压缩率k 来量度Fluent ⾼级应⽤与实例分析2d /d /d d V V k p p(1-3) 式中：p 为外部压强。

CFD课程设计翼身组合体流场分析院系：航空航天工程学部专业：飞行器设计与工程班级： 24030301学号： 2012040303023姓名：摘要此次课程设计是利用ANSYS软件中的ICEM和Fluent求解器计算不同迎角下，翼身组合体的升力系数，阻力系数，力矩系数以及各个状态下的流场分布情况，机身为方截面机身，机翼为三角上单翼，翼型选择NACA4412，计算结束后，利用tecplot软件绘制Cy-α，Cy-Cx，Mz-Cy曲线，得出Cy0，最大升阻比等气动力特征参数。

关键词ICEM Fluent 翼身组合体tecplot目录第一章绪论 (1)1.1 ANSYS软件介绍 (1)1.2主要内容 (1)第二章模型的建立 (2)2.1 CATIA建立模型及导出 (8)第三章ANSYS.ICEM处理 (4)3.1 导入模型 (4)3.2 网格划分 (4)3.3 导出网格 (8)第四章Fluent计算 (9)4.1 设置参数计算 (9)4.2 计算结果 (12)第五章数据处理分析 (18)4.1气动参数曲线 (18)参考文献 (21)第一章绪论1.1 ANSYS软件介绍ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer，NASTRAN，Alogor，I－DEAS， AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。

在此次的课题中，主要用到其中的ICEM及Fluent部分。

1.2 主要内容本次课程设计的主要内容就是通过CATIA建立机身和机翼的组合体模型，通过fluent解算器进行有限元分析，从而得到该组合体的一些相关的气动数据。

此次课程设计的重点在于模型的建立，通过CATIA建立基础的模型，然后导入到ANSYS.ICEM中进行模型的处理以及网格包括壳网格、体网格及附面层网格的划分。

CFD仿真验证及有效性指南CFD仿真验证及有效性指南摘要本文提出评估CFD建模和仿真可信性的指导方法。

评估可信度的两个主要原则是：验证和有效。

验证，即确定计算模拟是否准确表现概念模型的过程，但不要求仿真和现实世界相关联。

有效，即确定计算模拟是否表现真实世界的过程。

本文定义一些重要术语，讨论基本概念，并指定进行CFD仿真验证和有效的一般程序。

本文目的在于提供验证和有效的重要问题和概念的基础，因为一些尚未解决的重要问题，本文不建议作为该领域的标准。

希望该指南通过建立验证和有效的共同术语和方法，以助于CFD仿真的研究、发展和使用。

这些术语和方法也可用于其他工程和科学学科。

前言现在，使用计算机模拟流体的流动过程，用于设计，研究和工程系统的运行，并确定这些系统在不同工况下的性能。

CFD模拟也用于提高对流体物理和化学性质的理解，如湍流和燃烧，有助于天气预报和海洋。

虽然CFD模拟广泛用于工业、政府和学术界，但目前评估其可信度的方法还很少。

这些指导原则基于以下概念，没有适用于所有CFD模拟的固定的可信度和精确度。

模拟所需的精确度取决于模拟的目的。

建立可信度的两个主要原则是验证和有效（V&V）。

这里定义，验证即确定模型能准确表现设计者概念模型的描述和模型解决方案的过程，有效即确定预期模型对现实世界表现的准确度的过程。

该定义表明，V&V的定义还在变动，还没有一个明确的最终定义。

通常完成或充分由实际问题决定，如预算限制和模型的预期用途。

复合建模和计算模拟没有任何包括准确性的证明，如在数学分析方面的发展。

V&V的定义也强调准确度的评价，一般在验证过程中，准确度以对简化模型问题的基准解决方法符合性确定；有效性时，准确度以对实验数据即现实的符合性确定。

通常，不确定性和误差可视为与建模和仿真准确度相关的正常损失。

不确定性，即在任一建模过程中由于缺乏知识导致的潜在缺陷。

知识缺乏通常是由对物理特性或参数的不完全了解造成的，如对涡轮叶片表面粗糙度分布的不充分描述。

1）C FD-ACE＋的介绍CFD-ACE+是最先进的多物理场的CFD软件，他可以将流体流动模拟和热，化学反应，生物学，电子学和机械运动耦合，解决泛工业设计中遇到的各种问题。

全世界有超过400家公司应用CFD-ACE+，来解决所遇到的各种难题。

为了满足不同用户的需要，CFD-ACE+设计了不同的模块，可以单独使用，也可以在原来基础上增加模块进行扩展。

CFD-ACE+支持所有的网格类型，包括结构网格，四面体（六面体非结构）网格，笛卡儿网格，动网格及变形（拉伸压缩）网格。

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CFD-ACE+包括一个基本的模块：这个模块包括模拟流动，传热和湍流。

其他的模块需要在这个基本模块的基础上进行扩展，包括生物工艺学，等离子体，半导体，微电子，航天和燃烧室。

2）CFD-CAE+在电磁学方面的应用CFD-ACE+ Electromagnetics Module模块主要负责电磁学模拟功能，CFD-ACE+用有限体积法解算Maxwell方程，准确的预测和电磁现象有关的场和波。

电磁模块突出的特点包括：z时间域和频率域的表示法z物质属性的详细定义z模拟Maxwell应力张量这个模块主要应用在：z某些金属/绝缘材料结构体的电容z机械结构的静电载荷z Joule热z带电运动物体周围的电场分布，电流系统周围的电场分布z变化磁场周围产生的电场z Eddy电流z Lorentz力z感应热z建立感应耦合的等离子区模型CFD-ACE+ Electromagnetics module（电子模块）可以同CFD-ACE+其他的模块相互耦合，真正提供了对于复杂问题的多物理场的解决方案3）CFD-ACE+ Electromagnetics Module模块的应用实例光子学/光学问题的模拟CFDRC公司在光子学/光学领域提供广泛的支持，包括对研究发展项目的支持，和为用户提供解决方案。