20_CFD理论基础

CFD基础教程
第一课时
1 什么是CFD？
CFD：即计算流体力学（Computational Fluid Dynamics），是近代流 体力学，数值计算和计算机等结合产物。它以计算机为工具，应用各 种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机 模拟和分析研究，以解决各种实际问题。
后处理
Tecplot、Origin、CFD-Post、ParaView、OpenDX…用
（3）海洋工程
2 CFD应用
（4）汽车工业
2 CFD应用
（4）能源工程
2 CFD应用
（5）化学工程
2 CFD应用
（5）生物工程
3 为什么需要CFD？
CFD优势： （1）不需要实验模型、风洞、仪器仪表等，周期短，可节省 大量成本， （2）计算结果丰富，可提供详细流场结构。 （3）可模拟难以进行实验的流动问题：超音速、高温高压 （4）能实现虚拟设计与制造
CFD可以做什么？ （1）复杂复杂流动问题：泵、风机、阀门等 （2）化学组分混合、燃烧、反应过程：反应器、燃烧器、锅炉 （3）传热、传质、相变过程：换热器、省煤器、过滤器、热水器 （4）多相流动问题：气液、气固、气液固、油气水 （5）流固耦合：应力分析
2 CFD应用
（1）航空航天
2 CFD应用
4 CFD发展
5 CFD模拟概述
6 CFD常用软件
前处理
CAD、Pro-E、SolidWorks、ICEM、Gambit、Delaundo、 Engrid、GMSH、gridgen、IA-FEMesh……
仿真计算
CFX、Fluent、CFX、Openfoam、COMSOL Multiphysics、FloEFD、PHOENICS、STAR-CD、STARCCM+、Polyflow、 Icepak、CFX-TASCflow……

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mVρ= (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0limV mVρ∆→∆=∆ (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d /d /d d V V k p p ρρ=-=(1-3) 式中：p 为外部压强。

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。

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。