CFD数值模拟过程

流体流动数值模拟流体流动现象普遍存在于⾃然界及多种⼯程领域中。

所有这些流动过程都遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒和组分守恒等基本物理定律；⽽且流动若处于湍流状态，则该流动系统还要遵守附加的湍流输运⽅程。

本讲座将依据流体运动的特性阐述计算流体动⼒学的相关基础知识及任务；在流体运动所遵循的守恒定律及其数学描述的基础上，介绍数值求解这些基本⽅程的思想及其求解过程。

第⼀节计算流体动⼒学概述计算流体动⼒学（CFD）技术⽤于流体机械部流动分析及其性能预测，具有成本低，效率⾼，⽅便、快捷⽤时少等优点。

近年来随着计算流体⼒学和计算流体动⼒学及计算机技术的发展, CFD技术已成为解决各种流体运动和传热，以及场问题的强有⼒、有效的⼯具，⼴泛应⽤于⽔利、⽔电，航运，海洋，冶⾦，化⼯，建筑，环境，航空航天及流体机械与流体⼯程等科学领域。

利⽤数值计算模拟的⽅法对流体机械的部流动进⾏全三维整机流场模拟，进⽽进⾏性能预测的⽅法越来越⼴泛地被从事流体机械及产品性能取决于各种场特性的设计、科研等科技⼈员所使⽤；过去只有通过实验才能获得的某些结果或结论，现在完全可借助CFD模拟的⼿段来准确地获取。

这不仅既可以节省实验资源,还可以显⽰从实验中不能得到的许多场特性的细节信息。

⼀、什么是计算流体动⼒学计算流体动⼒学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是通过计算机数值计算和图像显⽰，对包含流体流动和有热传导等相关物理现象的系统所做的分析。

CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理场（如速度场和压⼒场，以及热⼒场等），⽤⼀系列有限个离散点上变量值的集合来代替；并通过⼀定的原则和规律建⽴起关于这些离散点上的场变量之间关系，从⽽组成这些场变量之间关系的代数⽅程组；然后求解这种代数⽅程组，来获得这些场变量的近似值[1-3]；这就是流动的数值计算。

或者直观地说，通过数值计算中的各种离散⽅法，把描述连续流体运动的控制偏微分⽅程离散成代数⽅程组，由此建⽴该流动的数值模型；再根据问题的具体情况，设定边界条件和初始条件封闭⽅程组；然后通过计算机数值计算求解这种代数⽅程组，从⽽获得描述该流场场变量的某些运动参数的数值解。

cfd数值方法CFD(Computational Fluid Dynamics)数值方法，即计算流体力学数值方法，是通过利用数值计算方法对流体运动进行数值模拟，从而求解流体力学方程的一种方法。

CFD数值方法已经成为了流体力学分析中的重要分支，并且在航空、汽车、船舶、电子、建筑等领域得到了广泛的应用。

CFD数值方法的基本原理是将流体动力学方程组离散化，采用数值方法求解得到流场、温度场、压力场等物理量。

在CFD数值方法中，我们需要对流体运动的连续性、动量和能量守恒等方程进行求解。

这些方程是流体力学方程的基础，在CFD数值方法中有多种不同的求解方法。

其中，最常用的方法是有限体积法(Finite Volume Method，简称FVM)，这种方法将求解区域划分成若干个小体积，对每一小体积应用质量守恒、动量守恒和能量守恒方程进行求解。

在FVM方法中，需要对流体运动中的速度、压力、浓度等物理量进行离散化处理，并通过代数方程求解得到数值解。

除了FVM方法外，还有有限元法(Finite Element Method，简称FEM)、差分法(Finite Difference Method，简称FDM)等数值方法。

这些方法中，FEM方法的应用场景较广，可以对非结构化网格进行求解，其优点体现在对高级复杂结构的求解和可视化方面，但应用在液体/气体流体求解时，计算速度相对慢。

而FDM方法因为其求解速度快、实现简单等特点，在实际工程计算中应用较多。

总的来说，CFD数值方法在流体力学方面的应用发挥了重要作用，为工业生产与科学研究提供了有力支持。

但是，由于计算机性能限制，CFD在求解实际问题时也面临着许多挑战，尤其在复杂流动物理行为的求解中，还需要进一步发展数值技术，提高计算精度和效率。

基于CFD-PBE耦合的连续结晶过程数值模拟
潘立杰;刘伯潭;赵文立;盖晓龙
【期刊名称】《化学工程》
【年(卷),期】2024(52)1
【摘要】通过CFD(计算流体力学)与PBE(粒数衡算方程)耦合对连续结晶过程进行数值模拟。

采用QMOM(积分矩方法)求解PBE。

在考虑成核、生长、聚并和破碎的情况下,通过网格独立性验证确定计算网格数量。

在此基础上研究挡板设置、停留时间、搅拌转速以及搅拌桨类型等因素对CSD(晶体粒径分布)演变的影响,结果表明:挡板的设置增强了结晶器内湍流程度;高转速和低停留时间会获得平均粒径较小的颗粒。

对比3种搅拌桨对CSD演变的影响,轴流式的螺旋桨功耗小,适用于大颗粒晶体结晶过程,而径流式的圆盘涡轮桨适用于微粒结晶过程。

【总页数】7页(P41-47)
【作者】潘立杰;刘伯潭;赵文立;盖晓龙
【作者单位】天津科技大学化学工程与材料科学学院;天津大学化学工程联合国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TQ026.5
【相关文献】
1.异型坯结晶器内钢水流动和凝固过程的耦合数值模拟
2.连铸结晶器内铸坯温度场和应力场耦合过程数值模拟
3.基于多相流耦合过程数值模拟的茶鲜叶离心式连续
脱水设备参数模拟与优化4.基于连续-非连续耦合方法的降雨滑坡数值模拟研究5.漏斗型结晶器内坯壳凝固过程热力耦合数值模拟
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万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据第９期张锴等：流化床内颗粒流体两相流的ＣＦＤ模拟时难以获得颗粒的真实堆积率，因此研究者们需要假设最大颗粒堆积率，如洪若瑜等［４９’５６巧７１采用ｏ．５５，Ｃｈｅｎ等№１４３取ｏ．６０，Ｌｅｔｔｉｅｒｉ等［４５］选Ｏ．６２。

３．１液固体系在Ｏ．５ｍ（高）×０．１ｍ（宽）的二维流化床考察了液（ＩＤｌ＝１０００ｋｇ・ｍ一，产ｌ一１．ｏ×１０－３Ｐａ・ｓ）固（佛＝３０００ｋｇ・ｍ～，或一２．５×１０－３ｍ）体系内网格尺度、时间步长和收敛判据对床层固含率分布特性的影响。

结果表明：（１）从整体来看网格数目和时间步长对床层固含率分布的影响不大，但是从局部放大图可以发现，当网格数目（１０×５０和１５×７５）较少时，平衡时垂直方向上的固含率出现振荡，且１０×５０网格的振荡幅度大于１５×７５的网格，而网格数目（２０×１００和３０×１５０）较多时，床层固含率趋于均匀分布特征；（２）通过对０．０１、Ｏ．００５、０．００１、Ｏ．Ｏ００５ｓ和Ｏ．ｏ００１ｓ时间步长的模拟表明，ｏ．００１ｓ时间步长给出了更适宜的模拟结果；（３）收敛判据取１０一、１０－６和１０＿。

，所得模拟结果几乎完全一致，详细结果见文献［５８］。

３．２气固体系首先采用摄像法考察了图２所示中心孔口为Ｏ．０１０ｍ的２．Ｏｍ（高）×Ｏ．３ｍ（宽）拟二维流化床内射流形成及发展过程、射流穿透深度和射流频率。

实验以常温和常压下的空气为流化介质，ＧｅｌｄａｒｔＢ类物料的玻璃珠（佛＝２５５０ｋｇ・ｍ一，矾一２５０～３００肛ｍ，“ｍｆ一０．０７ｍ・ｓ－１）为固体。

通过对射流气速为７．０７ｍ・ｓ。

１的１２００张图像进图２实验装置流程示意图Ｆｉｇ．２｛ｋｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｐｐａｒａｔｕｓ行逐帧分析，发现当时间为ｏ．０２５ｓ时射流已经形成并开始逐渐长大，到ｏ．１５０ｓ时，该射流在分布器上方脱落形成气泡，并有新的射流产生。

基于CFD的不同流向弯头冲蚀过程的数值模拟胡敏;陈文斌;廖飞龙;程镜洁【摘要】弯头作为改变介质流向的管件,在管路系统中承受着较大的冲击以及突变的压力,因此冲蚀成为弯头失效的主要原因.利用计算流体动力学CFD软件对四种不同流向以及水平放置弯头的冲蚀过程进行了模拟仿真,对比分析了五种情况下弯头的冲蚀率和冲蚀面积.结果表明:(1)弯头的外弧面处存在着最大压力值,含砂气携带着砂粒在该区域大量聚集,且在弯头外孤面区域极易发生冲蚀磨损;(2)当弯头中介质流向从上往下时,弯头平均冲蚀率是1.2763 kg/(m2·s),最大冲蚀率是14.69kg/(m2·s),相对介质流向从下往上的情况均是最大的;(3)当弯头是水平放置的时候,其冲蚀面积达到了0.04611 m2比其他4种情况都大.【期刊名称】《石油化工腐蚀与防护》【年(卷),期】2016(033)002【总页数】5页(P19-23)【关键词】CFD;弯头;冲蚀【作者】胡敏;陈文斌;廖飞龙;程镜洁【作者单位】川庆钻探工程公司安全环保质量监督检测研究院,四川广汉618300;川庆钻探工程公司安全环保质量监督检测研究院,四川广汉618300;川庆钻探工程公司安全环保质量监督检测研究院,四川广汉618300;中国石油西南油气田分公司川中油气矿磨溪净化厂,四川遂宁629000【正文语种】中文在管路系统中，弯头是改变介质方向的管件。

当介质经过弯头时，其速度、压力会发生非常大的变化，导致流体的流动不稳定[1]。

弯头因冲蚀磨损减薄[2]导致失效而引发的管道事故比例越来越高[3-4]。

因此如何准确地发现弯头存在的缺陷[5]是近几年来亟待解决的问题之一。

该文以新疆某含砂气井井口的弯头为例，基于ANSYS-CFX软件具有针对性地对几种不同流向弯头的冲蚀过程进行了模拟仿真。

通过分析总结仿真结果，对不同流向弯头的安装与检测工作提供一定的理论指导。

多相流分析中，各相之间在宏观尺度上混合，该混合尺度远小于网格尺度，但是远大于分子尺度[6]。

CFD模拟后处理-Tecplot最近，很多学员完成了CFD模拟的任务，进入到了论文写作阶段，也有的已经工作的学员，结束了模拟计算阶段，开始编写分析报告了。

但是他们都遇到一个棘手的问题，就是如何把模拟出了的源文件，输出为漂亮的图片、动画、数据结果。

这也是本文重点要说的CFD模拟后处理的问题。

一、什么是后处理我们通过软件计算收敛后的得到的结果，只是一个文件。

比如你用Fluent求解器，计算求解得到的只是软件的cas和dat源文件，这个人是无法直接看懂的。

那么我们就需要对这个已经收敛的文件进行可视化处理。

简单的说就是把源文件处理成图片，动画，和数据结果等可以被人看懂的过程。

那么过程就是CFD的后处理二、后处理用什么软件关于CFD后处理软件其实不算太多，主流的有Tecplot、CFD-post、Matlab等，当然有些模拟软件是自带后处理功能的，比如Airpak 是建模、计算、后处理一体的软件（关于ai r p a k学习，你可以去某易云课堂或者某宝上搜索店铺:第七代师兄），本身后处功能还是很强大的。

当然还有像Fluent也可以进行后处理的，不过这类软件一般只能进行简单处理，并不是专业软件，有些功能是受到限制，无法做出漂亮的结果的，所以一般还是建议用下面的软件。

1.Tecplot软件是比较推荐大家去用的，也是大多数人用的主流软件。

可以兼容绝大多数模拟软件接口类型，比如fluent、ANSYS、openfoam等，通用性还是不错的。

目前新版本比如2019，是自带2个软件的，一个是工程绘图软件Tecplot Focus，另外一个是油藏数值模拟可视化分析软件Tecplot RS。

根据自己的需要使用吧。

当然了这个软件，有很多学员发现，是不支持插入中文文字的，比较头疼，来咨询我怎么处理。

因为这软件是米国开发的，所以不支持中文。

其实这个问题很好解决，你把图片处理好了之后，可以直接PS 中文上去说明好了，简单粗暴。

另外一个解决办法，是需要一点技能的，你需要会语言库的编入，当然大多数人不会做，不建议。

2.2.4能量利用系数在对气流进行综合评价的时候需要用到能量利用系数，利用该系数可以解决很多在能耗方面的问题。

在空调系统中存在室内气流的影响，在这种影响下可以进行气流研究。

在对气流进行研究的时候需要对空调的工作区等部分进行调查，需要使得空调进行合理的送风而不是将空调预热带向错误的位置，通过这种方式可以提高空调排热效率，进而减少总系统的功耗，使得空调更具有节能减排的经济性。

在对其进行研究的过程中用到了能量利用系数，将其用η代表，那么其定义式如下[8]；p o n o t t t t η-=-式（2-10）式中 o t ：送风温度，℃，p t ：排风温度，℃，n t ：室内工作区的平均温度，℃， 能量利用系数在一般情况下是由默认值的，在混合通风系统中一般默认为1.0，但是在有些情况下如下送风将会大于1.0。

事实上，能量利用系数显示的是室内的热力分层特性，即室内温度的梯度变化。

对于通风系统或者全新风系统，节能潜力随着能量利用系数的增大而升高。

有时，能量利用系数越高，表明室内温度的梯度越大，所以不能够太过分地强调能量利用系数，可能会影响到舒适性。

3 CFD软件及数值模拟湍流理论气流组织的模拟运用数值计算的方法对大空间速度场、温度场的分布规律进行研究,数值方法是模拟的基础,它对实现气流组织的模拟有着重要的意义。

因此下面对数值模拟的相关理论作以详细介绍[27,28]。

3.1 CFD软件简介CFD是英文Computational Fluid Dynamics（计算流体力学）的简称[29]，其伴随数值计算及计算机技术的发展而发展。

通俗地讲，CFD是一种虚拟的实验，他通过使用计算机科技技术来虚拟实验数据，通过这些数据来模拟我们所需要的流动状况，从而进行研究。

这样的话可以利用网络技术减少很多不必要的繁琐工作，他利用了相关的数学微分公式，通过这种方程式的技术来进行近似模拟。

其基本结构包括三大模块，即前处理、求解器和后处理，每个模块都有其独特的作用。

CFD数值模拟—某厂房车间案例——索斯系统送风设计的经典案例以往对中央空调系统内气流组织的理解和室内空间速度场、温度场的设计，只停留在经验值和独立单元射流计算的高度，而现在有了CFD（Computational fluid Dynamics）－计算流体力学软件的简称，是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。

杜肯索斯与知名高校合作，建立了大空间气流组织实验室，并使用当前流行的CFD计算程序（GAMBIT EXCEED FLUENT），将先前的经验与现代计算机强大的迭代能力相结合（采用1.83GHZ双核处理器的计算机进行模拟，迭代次数3000－5000次，数据收敛一般需要数十小时）。

通过此软件的应用，可以显示并分析封闭空间中的流场；在较短的时间内能预测效果，并通过改变各种参数，使送风效果设计达到最佳。

同时将此设计在大空间气流组织实验室中模拟验证。

CFD的数值模拟能使我们更加深刻地理解问题产生的机理，为实验提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用。

在此，我们对某车间厂房内空气流场的CFD数值模拟应用作一案例介绍，具体如下：●案例环境该工程车间厂房生产精密器件，对工作区域的风速、温度有相当高的要求，同时还要求工作区外测能形成风幕，有效隔离工作台面两侧设备产生的气味和油污。

●CFD技术应用:传统的点式送风模式是根本不能实现这种在整个长达几十米的矩形工作台面上形成均匀的速度、温度场，并形成如此大的风幕。

这时，我们选择采用具有线式及立体面送风特点的纤维织物空气分布系统，同时采用CFD技术对该设计进行指导。

该设计关键在于：一、纤维材料渗透率的设计二、空气分布系统射流孔孔径和孔间距的设计三、整个系统风量、压力的匹配性设计对该厂房采用CFD模拟主要目的是验证在初步设计的基础上，密闭空间的气流组织情况，速度场、温度场、密度场、压力场的分布情况。

该项目设计由durkeesox技术中心完成，分别在5：30、6：30、8：30、3：30四个方向开0.5”孔（详细参照CAD图纸和计算书）。

CFD计算过程和算法各位同学，⼤家好，我是七师兄，今天我们来学习Airpak⾼级班的第四节课的内容。

《计算流体⼒学的计算过程和算法》CFD数值模拟⼀般遵循以下⼏个步骤:(1)建⽴所研究问题的物理模型,再将其抽象成为数学、⼒学模型。

然后确定要分析的⼏何体的空间影响区域。

(2)建⽴整个⼏何形体与其空间影响区域,即计算区域的CAD模型,将⼏何体的外表⾯和整个计算区域进⾏空间⽹格划分。

⽹格的稀疏以及⽹格单元的形状都会对的计算产⽣很⼤的影响。

不同的算法格式为保证计算的稳定性和计算效率,⼀般对⽹格的要求也不同。

(3)加⼊求解所需要的初始条件,⼊⼝与出⼝处的边界条件⼀般为速度、压⼒条件。

(4)选择适当的算法,设定具体的控制求解过程和精度的⼀些条件,对所需分析的问题进⾏求解,并保存数据⽂件结果。

(5)选择合适的后处理器(Post Processor)读取计算结果⽂件,分析并显⽰出来。

以上这些步骤构成了CFD数值模拟的全过程。

其中数学模型的建⽴我们会在后⾯的课程中讲到。

2.在运⽤CFD⽅法对⼀些实际问题进⾏模拟时,常常需要设置⼯作环境、边界条件和动量守恒和选择算法等,特别是算法的选择对模拟的效率及其正确性有很⼤影响,需要特别重视。

区域离散化是利⽤⼀组有限个离散的点来代替原来连续的空间。

实施过程是把所计算的区域划分成许多互不重叠的⼦区域,确定每个⼦区域的节点位置和该节点所代表的控制体积。

节点是需要求解未知物理量的⼏何位置、控制体积、应⽤控制⽅程或守恒定律区域,的最⼩⼏何单位。

我们来看下，这个图⽚，左边是⼀个房间，⼀个三维模型，他是⼀个连续空间，我们知道连续空间，它⾥⾯⽆数个节点，为了⽅便研究这个三维空间，我们将它⽹格划分成有限个细⼩的单元，这样的话，就⽅便计算机进⾏迭代计算了。

常⽤的离散化⽅法：有限差分法、有限单元法和有限体积法1）有限差分法：是数值解法中最经典的⽅法,它是将求解区域划分为差分⽹格,⽤有限个⽹格节点代替连续的求解域,然后将偏微分⽅程(控制⽅程)的导数⽤差商代替,推导出含有离散点上有限个未知数的差分⽅程组。

计算物理学中的数值模拟算法计算物理学是研究物理现象的理论和实验方法，特别是数值方法，它通过计算机模拟力学、热学、光学、电磁学等现象。

数值模拟算法是计算物理学的基础，被广泛应用于各个领域，如气象学、流体力学、材料学、生物医学等。

本文将着重介绍数值模拟算法的原理和应用。

一、数值模拟算法的基本原理数值模拟算法的基本思路是将物理问题转化为数学模型，利用计算机进行数值求解，得到物理量的定量计算结果。

数值模拟算法的主要过程包括建立模型、数值离散化、计算迭代和结果分析几个步骤。

（一）建立模型建立模型是数值模拟的第一步，它将物理问题转化为方程组。

在建立模型时需要考虑问题的几何形状、边界条件和物理学规律。

以流体力学为例，假设我们要计算一个粘性流体的流动行为，建立模型就需要考虑问题的几何形状和边界条件，并将流场的动量和连续性方程用数学公式表示出来。

（二）数值离散化数值离散化是将数学模型离散化成有限的网格或节点集合，然后用数值方法进行求解。

以计算流体力学为例，数值离散化是将流场划分成有限数量的控制体积或单元，每一个控制体积或单元内的流体属性（如压力、速度等）被视为常数，而控制体积之间的变化被插值表示为一个函数。

（三）计算迭代计算迭代是将数值模型转换为计算机可执行的算法，利用计算机进行计算。

以求解流体力学为例，计算迭代是通过迭代算法求解离散化方程组的过程。

（四）结果分析结果分析是数值模拟的一个重要环节，通过分析计算结果的精度和可靠性，评估和改进数值算法。

通常需要进行误差分析、网格收敛测试和后处理分析等。

二、数值模拟算法的应用数值模拟算法在各个领域中有着广泛的应用。

例如，在气象学中，数值天气预报程序是应用数值模拟算法的典型例子；在流体力学中，计算流体力学方法被广泛应用于水力学、燃烧学、气体动力学等领域；在材料学中，数值模拟方法可以用于研究材料的物理性质、结构和行为。

（一）流体力学模拟数值模拟算法在流体力学模拟中有着广泛的应用。