计算流体力学(CFD)概论
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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。
计算流体动力学概述1 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的基本思想可以归结为: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(质量守恒方程飞动量守恒方程、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。
CFD方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体系,图1给出了表征三者之间关系的“三维”流体力学示意图理论分析方法的优点在于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。
但是,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。
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,其重要性不容低估。
然而,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力一法得到结果。
此外,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。
而CFD方法恰好克服了前面两种方法的弱点,在计算机上实现一个特定的计算。
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:如激波的运动、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。
流体力学的数值模拟计算流体力学(CFD)的基础和局限性流体力学(Fluid Mechanics)是研究流体(包括气体和液体)运动和力学性质的学科。
数值模拟计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)是利用计算机和数值计算方法对流体力学问题进行模拟和求解的一种方法。
CFD已经成为研究流体力学问题、设计和优化工程流体系统的重要工具。
本文将探讨CFD的基础原理和其在实践中的局限性。
一、CFD的基础原理1. 连续性方程和Navier-Stokes方程CFD的基础原理建立在连续性方程和Navier-Stokes方程的基础上。
连续性方程描述了流体的质量守恒,即流入和流出某一区域的质量流量必须相等。
Navier-Stokes方程则描述了流体的运动和力学性质。
它包含了质量守恒、动量守恒和能量守恒三个方程。
2. 网格划分在进行CFD计算之前,需要将流体区域划分为离散的小单元,即网格。
网格的形状和大小对数值模拟的精度和计算量有着重要的影响。
常见的网格划分方法包括结构化网格和非结构化网格。
3. 控制方程的离散化将连续性方程和Navier-Stokes方程进行离散化处理,将其转化为代数方程组,是CFD模拟的关键步骤。
常用的离散化方法包括有限差分法、有限元法和有限体积法等。
4. 数值求解方法求解离散化后的方程组是CFD计算的核心内容。
数值求解方法可以分为显式方法和隐式方法。
显式方法将未知变量推导到当前时间级,然后通过已知的变量进行计算,计算速度快但对时间步长有限制;隐式方法则将未知变量推导到下一个时间级,需要迭代求解,计算速度较慢但更稳定。
二、CFD的局限性1. 网格依赖性CFD模拟的结果在很大程度上受到网格划分的影响。
过大或过小的网格单元都会导致计算结果的不准确性。
此外,网格的形状对流场的模拟结果也有很大的影响。
如果网格不够细致,细小的涡旋等流动细节可能无法被捕捉到。
2. 数值扩散和耗散数值模拟中的离散化和近似计算会引入数值扩散和耗散。
cfd计算流体力学CFD计算流体力学————————计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)是一门研究和分析流体运动特性的计算方法。
它利用数学模型和计算机技术来模拟流体运动的物理过程,以获取流体运动的温度、压力、流速和其他变量的解决方案。
CFD技术在航空、航天、电力、水处理、食品加工、冶金、石油化工、医学、化学和机械制造等领域有广泛应用。
## 什么是CFDCFD是一个复杂的计算技术,它可以帮助我们理解流体运动的物理原理,以及它们在一定环境中的行为。
它是通过建立数学模型,利用计算机技术,根据流体的物理运动原理,对其运动过程进行模拟,以获得其运动特性及其影响的变量。
## CFD的工作原理CFD的工作原理是利用数学方法和计算机技术,对流体在某一特定时间内的行为进行数学模拟。
CFD根据流体的物理运动原理,建立数学模型,通过计算机程序对其运动过程进行模拟,以获得其运动特性及其影响的变量。
CFD的工作方式一般分为三个步骤:1. 首先,需要对流体流动的物理场进行划分,将其分成一些小部分,即将流体场分割成一些小的方格子,称为“单元格”。
2. 然后,根据流体物理学原理,建立数学模型,对各个单元格的变量进行计算,得出不同时间步骤的变量数值。
3. 最后,将各个单元格的变量数值合成一个整体,并通过图形可视化来显示出来,从而得出整个流体场的行为特征。
## CFD的应用CFD在航空、航天、电力、水处理、食品加工、冶金、石油化工、医学、化学和机械制造等领域有广泛应用。
例如:- 航空航天领域:可以用CFD来预测飞行器的性能,如飞行速度、飞行高度、飞行载荷等;- 电力领域:可以用CFD来优化发电厂的效率;- 水处理领域:可以用CFD来优化水处理厂的设计布局;- 食品加工领域:可以用CFD来优化食品加工厂的流程设计和布局;- 冶金领域:可以用CFD来优化冶金厂的冶炼工艺;- 其他工业领域也有广泛应用。