5. 计算流体力学基础(一)

第1章 流体力学与计算流体力学基础机进行数值计算，模拟流体流动时的各种相关物理现象，包括流动、热传导、声场等。

计算流体动力学分析广泛应用于航空航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、1.1 流体力学基础本节将介绍流体力学一些重要的基础知识，包括流体力学的基本概念和基本方程。

流体力学是进行流体力学工程计算的基础，如果想对计算的结果进行分析与整理，在设置边界条件时有所依据，那么学习流体力学的相关知识是必要的。

1.1.1 一些基本概念（1）流体的密度流体密度的定义是单位体积内所含物质的多少。

若密度是均匀的，则有：VM=ρ (1-1) 式中：ρ为流体的密度；M 是体积为V 的流体内所含物质的质量。

由上式可知，密度的单位是kg/m 3。

对于密度不均匀的流体，其某一点处密度的定义为：VMV ΔΔ=→Δ0limρ (1-2)2 Fluent 17.0流体仿真从入门到精通例如，4℃时水的密度为10003kg /m ，常温20℃时空气的密度为1.243kg /m 。

各种流体的具体密度值可查阅相关文献。

流体的密度是流体本身固有的物理量，随着温度和压强的变化而变化。

（2）流体的重度流体的重度与流体密度有一个简单的关系式，即：g ργ= (1-3)式中：g 为重力加速度，值为9.812m /s 。

流体的重度单位为3N /m 。

（3）流体的比重流体的比重定义为该流体的密度与4℃时水的密度之比。

（4）流体的粘性在研究流体流动时，若考虑流体的粘性，则称为粘性流动，相应地称流体为粘性流体；若不考虑流体的粘性，则称为理想流体的流动，相应地称流体为理想流体。

流体的粘性可由牛顿内摩擦定律表示：dyduμτ= (1-4)牛顿内摩擦定律适用于空气、水、石油等大多数机械工业中的常用流体。

凡是符合切应力与速度梯度成正比的流体叫做牛顿流体，即严格满足牛顿内摩擦定律且µ保持为常数的流体，否则就称其为非牛顿流体。

例如，溶化的沥青、糖浆等流体均属于非牛顿流体。

第二章计算流体力学的基本知识流体流动现象大量存在于自然界及多种工程领域中，所有这些工程都受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律的支配。

这章将首先介绍流体动力学的发展和流体力学中几个重要守恒定律及其数学表达式，最后介绍几种常用的商业软件。

2.1计算流体力学简介2.1.1计算流体力学的发展流体力学的基本方程组非常复杂，在考虑粘性作用时更是如此，如果不靠计算机，就只能对比较简单的情形或简化后的欧拉方程或N-S方程进行计算。

20世纪30～40年代，对于复杂而又特别重要的流体力学问题，曾组织过人力用几个月甚至几年的时间做数值计算，比如圆锥做超声速飞行时周围的无粘流场就从1943年一直算到1947年。

数学的发展，计算机的不断进步，以及流体力学各种计算方法的发明，使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性，这又促进了流体力学计算方法的发展，并形成了"计算流体力学"。

从20世纪60年代起，在飞行器和其他涉及流体运动的课题中，经常采用电子计算机做数值模拟，这可以和物理实验相辅相成。

数值模拟和实验模拟相互配合，使科学技术的研究和工程设计的速度加快，并节省开支。

数值计算方法最近发展很快，其重要性与日俱增。

自然界存在着大量复杂的流动现象，随着人类认识的深入，人们开始利用流动规律来改造自然界。

最典型的例子是人类利用空气对运动中的机翼产生升力的机理发明了飞机。

航空技术的发展强烈推动了流体力学的迅速发展。

流体运动的规律由一组控制方程描述。

计算机没有发明前，流体力学家们在对方程经过大量简化后能够得到一些线形问题解读解。

但实际的流动问题大都是复杂的强非线形问题，无法求得精确的解读解。

计算机的出现以及计算技术的迅速发展使人们直接求解控制方程组的梦想逐步得到实现，从而催生了计算流体力学这门交叉学科。

计算流体力学是一门用数值计算方法直接求解流动主控方程(Euler或Navier-Stokes方程)以发现各种流动现象规律的学科。

计算流体力学基础及其应用计算流体力学（CFD）是计算机运用精确的数学模型和算法来研究流体力学物理过程的一种技术。

它利用计算机模拟方法处理流体流动和相互作用的过程，以更准确、更快捷的方式研究热流体流动、传热、传质和湍流等物理过程的问题。

CFD的基础是数学方面的流体力学，应用计算机模拟的基本方法是数值方法，用于分析各种流体流动问题以及相关热传导、传质等热力学现象。

此外，计算流体力学还集成有计算机动力学，流体动力学，热力学，结构力学，能量方法，计算工程和多物理场的数值模拟技术，可以更加精准地研究流体动力学，热传递，流体机械，复杂流动等问题。

CFD在工程实践中具有重要作用，其应用领域非常广泛，包括空气、液体、气体和粘性流动等各种固体表面及流体体系的运动和相互作用。

例如，可以用来分析大气环境中污染物的扩散，水力学中河流水流的流动性能和可能形成的机械，风能资源的开发利用，以及气体控制元件的设计等。

CFD技术的研究和应用对改善工业和生活的质量起着重要作用，具有重大的经济效益。

它可以帮助工程师进行快速和准确的表征及设计，从而大大缩短研发和评估的周期，并节省大量的研发费用，从而提高产品的质量和可靠性。

例如，可以用CFD模拟来分析火力发电厂泄漏物介质的运动和湍流，从而确定阀门及其参数，进行管道设计，抑制烟气污染，提高系统效率，实现节能减排等。

此外，CFD还可以用于水工工程，海洋工程，气候变化，大气和海洋环境监测，飞机设计，汽车行业和其他工程方面的问题，有助于数字信息的可视化，预测及避免工程问题，提高效率。

因此，CFD既可以用于重要的实际问题的研究，也可以用于开发新产品，从而为工程实践提供可靠的计算技术，有效地改善系统质量和可靠性，提高经济效益。

综上所述，CFD的研究和应用具有重要的实际意义，可以显着提高工程的质量和可靠性，并带来可观的经济收益。

未来，CFD技术将逐步发展壮大，有效地改善人们的生活和工作环境。

流体力学基础第一节空气在管道中流动的基本规律一、流体力学基础第一节空气在管道中流动的基本规律第一章流体力学基础第一节空气在管道中流动的基本规律工程流体力学以流体为对象，主要研究流体机械运动的规律，并把这些规律应用到有关实际工程中去。

涉及流体的工程技术很多，如水力电力，船舶航运，流体输送，粮食通风除尘与气力输送等，这些部门不仅流体种类各异，而且外界条件也有差异。

通风除尘与气力输送属于流体输送，它是以空气作为工作介质，通过空气的流动将粉尘或粒状物料输送到指定地点。

由于通风除尘与气力输送是借助空气的运动来实现的，因此，掌握必要的工程流体力学基本知识，是我们研究通风除尘与气力输送原理和设计、计算通风除尘与气力输送系统的基础。

本章中心内容是叙述工程流体力学基本知识，主要是空气的物理性质及运动规律。

一、流体及其空气的物理性质(一) 流体通风除尘与气力输送涉及的流体主要是空气。

流体是液体和气体的统称，由液体分子和气体分子组成，分子之间有一定距离。

但在流体力学中，一般不考虑流体的微观结构而把它看成是连续的。

这是因为流体力学主要研究流体的宏观运动规律它把流体分成许多许多的分子集团，称每个分子集团为质点，而质点在流体的内部一个紧靠一个，它们之间没有间隙，成为连续体。

实际上质点包含着大量分子，例如在体积为10-15厘米的水滴中包含着3×107个水分子，在体积为1毫米3的空气中有2.7×1016个各种气体的分子。

质点的宏观运动被看作是全部分子运动的平均效果，忽略单个分子的个别性，按连续质点的概念所得出的结论与试验结果是很符合的。

然而，也不是在所有情况下都可以把流体看成是连续的。

高空中空气分子间的平均距离达几十厘米，这时空气就不能再看成是连续体了。

而我们在通风除尘与气力输送中所接触到的流体均可视为连续体。

所谓连续性的假设，首先意味着流体在宏观上质点是连续的，其次还意味着质点的运动过程也是连续的。

有了这个假设就可以用连续函数来进行流体及运动的研究，并使问题大为简化。

一、计算流体力学简介1.1 计算流体力学的定义1.2 计算流体力学的研究对象1.3 计算流体力学的发展历史二、有限体积法基础2.1 有限体积法的理论基础2.1.1 有限体积法的基本原理2.1.2 有限体积法的数学模型2.2 有限体积法的数值求解2.2.1 离散化2.2.2 迭代求解三、有限体积法在计算流体力学中的应用3.1 有限体积法在流体流动模拟中的应用 3.1.1 管道流动模拟3.1.2 自由表面流动模拟3.2 有限体积法在传热问题中的应用3.2.1 对流传热3.2.2 辐射传热四、有限体积法在工程领域中的应用4.1 有限体积法在航空航天领域中的应用 4.2 有限体积法在汽车工程中的应用4.3 有限体积法在建筑工程中的应用五、有限体积法的发展趋势5.1 高性能计算技术对有限体积法的影响5.2 多物理场耦合对有限体积法的挑战5.3 人工智能在有限体积法中的应用六、结论一、计算流体力学简介1.1 计算流体力学的定义计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）是利用计算机模拟流体力学问题的一门学科。

它通过对流动流体的数值解，来研究流体在各种情况下的运动规律和性质。

1.2 计算流体力学的研究对象计算流体力学的研究对象包括流体的流动、传热、传质、振动等现象，以及与流体相关的各种工程问题，如飞机、汽车、建筑等的气动特性分析与设计。

1.3 计算流体力学的发展历史计算流体力学的发展可以追溯到20世纪50年代，当时计算机技术的进步为流体力学问题的数值模拟提供了可能。

随着计算机硬件和软件的不断发展，CFD的应用领域不断扩大，成为现代工程领域不可或缺的工具之一。

二、有限体积法基础2.1 有限体积法的理论基础2.1.1 有限体积法的基本原理有限体积法是求解流体动力学问题的数值方法之一，它基于质量、动量和能量守恒的控制方程，将求解域离散化为有限数量的体积单元，通过对控制方程进行积分，将方程转化为代数方程组。

计算流体力学
流体力学是研究流体的运动规律，求解其中所含作用力及其相互关系的学科。

随着空间技术和航天事业的发展，大量复杂的实际工程问题，需要借助于流体力学知识来解决。

这就促进了流体力学的发展。

因此，流体力学不仅是许多学科的基础，而且在工农业生产和国防建设中起着重要作用。

计算流体力学主要内容包括：流体的静力学、运动学和动力学。

流体的静力学分析主要研究流体受力情况、作用力和反作用力之间的关系、力与变形的关系、质点运动和平衡条件、平衡状态等问题。

流体的运动学分析主要研究流体受力情况、变形情况、相对位置及运动方向等问题。

流体的动力学分析主要研究流体内部的各种物理现象，如速度、加速度、压强、密度、质量、温度、浓度等变化规律以及粘性现象等。

本课程应该掌握流体静力学的基本概念和基本分析方法;
掌握连续介质力学的基本原理、基本方程、基本定理;掌握流体平衡
微分方程及边界层理论;掌握理想流体稳定流动、不可压缩流体恒定
平衡流动和牛顿流体动力学的基本方程及其适用范围;掌握流体的总
体性质、状态变量、热性质、流动类型、流动控制方程、伯努利方程及其应用、连续性方程和能量方程及其应用等。

(一)流体静力学分析; 1.1流体静力学基本方程;1.1.1连续性方程;1.1.2能量方程;1.2力系的简化;1.3流体静力学基本方程的应用。

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流体动力学书籍流体动力学是研究流体运动规律及其相关现象的科学领域。

在学习和研究流体动力学时，我们需要依靠相关的参考书籍来获取准确的理论知识和实践经验。

本文将介绍几本值得推荐的流体动力学书籍，帮助读者选择适合自己的学习和研究材料。

1. 《流体力学与传热学导论》(作者：Cengel，著；沈树忠，译)这本书是一本经典的流体力学和传热学导论教材，适合作为工科类专业本科生或研究生的教材使用。

本书覆盖了流体静力学、流体动力学、流体传热以及流体边界层等内容，并以简明易懂的方式呈现给读者。

书中还包含了丰富的例题和习题，可以帮助读者更好地理解和巩固所学的知识。

2. 《流体力学及其应用》(作者：Daugherty，C.A.等；郑德一等，译)这本书是流体力学领域的经典之作，内容丰富、全面而深入。

书中介绍了流体静力学、流体动力学、流体传热和流体机械等方面的内容，并结合大量实际应用案例进行讲解。

该书采用了简洁清晰的语言和大量的插图，有助于读者对流体力学概念和原理的理解和掌握。

3. 《流体力学基础》(作者：程其飞，冯广中等，编著)这本书是一本较为系统全面的流体力学教材，适合作为工科类专业本科生或研究生的教材使用。

书中内容涵盖了流体力学的基本概念、基本方程、流动形态和流动特性等方面，对各种流动现象进行了深入的分析和讨论。

该书知识点讲解逻辑清晰，配有大量的示例和习题，便于读者理解和巩固所学知识。

4. 《流体力学导论》(作者：Munson, B.R.等；姜景海等，译)这本书是一本经典的流体力学导论教材，内容简洁明了，适合初学者入门。

书中介绍了流体静力学、流体动力学、流体传热和流体机械等内容，并通过大量实际应用案例进行讲解和分析。

该书在讲解流体力学理论的同时，强调了实际应用的重要性，有助于读者将理论知识与实际问题相结合。

5. 《计算流体力学基础》(作者：李洪涛，编著)这本书是一本较为专业的计算流体力学教材，适合研究生或工程技术人员学习和研究使用。

ansys cfd入门指南计算流体力学基础与应用1. 引言计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是一种利用数值方法解决流动问题的工程学科。

它通过数值模拟和计算来研究流体在各种条件下的运动和相互作用。

而ANSYS CFD则是CFD领域中一种常用的软件工具，它提供了广泛的功能和强大的计算能力，使工程师能够更好地理解和优化流体问题。

2. 概述ANSYS CFDANSYS CFD是由ANSYS公司开发的一套用于CFD分析的软件。

它采用了计算网格和数值方法，通过将流体领域离散为有限数量的小块，利用数值求解方法来模拟流体的运动。

ANSYS CFD具有较高的准确性和可靠性，可以用于解决各种复杂的流体力学问题。

3. CFD基础知识为了更好地理解ANSYS CFD的工作原理，我们需要了解一些CFD的基础知识。

我们需要了解流体力学的基本方程：质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。

这些方程描述了流体在不同条件下的运动和相互作用。

4. ANSYS CFD的功能ANSYS CFD提供了丰富的功能，可以满足不同应用场景的需求。

它支持不同类型的流体，包括压缩性流体和非压缩性流体。

它支持不同的边界条件和初始条件，以模拟各种实际情况。

ANSYS CFD还提供了不同的数值方法和求解器，以提高计算效率和准确性。

5. ANSYS CFD的应用领域ANSYS CFD可以应用于各种领域的流体问题研究和优化。

它可以用于飞行器的气动设计和优化，以提高飞行性能和燃油效率。

它也可以用于汽车工程中的空气动力学分析，以改善汽车的操控性和燃油经济性。

ANSYS CFD还可以应用于能源领域的风力发电和涡轮机械的设计与分析。

6. ANSYS CFD的优势和局限性虽然ANSYS CFD具有强大的功能和广泛的应用领域，但它也存在一些局限性。

ANSYS CFD需要较高的计算资源和时间，对计算机的性能要求较高。

ANSYS CFD在某些复杂流动问题中可能存在数值稳定性和收敛性的挑战。

ANSYS CFD 入门指南计算流体力学基础及应用简介计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）是一种应用数值方法来求解流体动力学方程的方法，通过数值模拟流体运动、热传导和传质过程，可以获取流场各个位置的速度、压力、温度等物理量的数值解，从而分析和预测流体中的流动行为。

ANSYS CFD 是一套强大的计算流体力学软件，它提供了丰富的分析工具和解算器，用于模拟各种复杂流动和换热问题。

本文档将介绍 ANSYS CFD 的基础知识和应用实例，帮助读者掌握使用 ANSYS CFD 进行计算流体力学分析的方法。

第一章 ANSYS CFD 概述1.1 ANSYS CFD 软件简介ANSYS CFD 是美国 ANSYS 公司开发的一款流体力学分析软件。

它基于有限体积法和有限元法，能够求解各种流动和传热问题。

1.2 ANSYS CFD 的功能特点•提供多种模型和物理现象的建模与仿真功能；•支持多种求解器和网格生成工具；•提供丰富的后处理功能，可用于流场可视化和数据分析；•具备良好的可扩展性和并行计算能力。

第二章计算流体力学基础2.1 流体力学基本方程CFD 的基础是流体力学的方程组，包括质量守恒方程、动量方程和能量方程。

本节将介绍这些方程的推导和应用。

2.2 数值离散化方法为了求解流体力学方程组，需要将其离散化为代数方程组。

本节将介绍常用的离散化方法，如有限体积法和有限元法。

2.3 网格生成网格是进行 CFD 计算的基础，合适的网格能够提高计算效果。

本节将介绍常见的网格生成方法和工具。

第三章 ANSYS CFD 基本操作3.1 ANSYS CFD 的界面介绍本节将介绍ANSYS CFD 的主要界面，包括菜单栏、工具栏、工作区等，帮助读者熟悉软件的操作界面。

3.2 模型建立与几何处理在进行 CFD 分析之前，需要建立相应的几何模型，并进行几何处理，例如加工、修复和简化模型。

ansys cfd 入门指南计算流体力学基础及应用【ansys cfd 入门指南计算流体力学基础及应用】1. 介绍计算流体力学（CFD）是一种利用计算机对流体流动和传热过程进行数值模拟和分析的技术。

在工程、航空航天、汽车、船舶、能源等领域中有着广泛的应用。

本文将详细介绍ansys cfd入门指南，帮助大家了解流体力学的基础知识和ansys cfd的应用。

2. 流体力学基础流体力学是研究流体运动的科学，它包括流体的基本性质、流体运动的基本规律和流体力学方程等内容。

在ansys cfd入门指南中，我们首先要了解流体的基本性质，如密度、粘度和压力等概念；其次是流体流动的基本规律，如连续性方程、动量方程和能量方程；最后是流体力学方程，如纳维-斯托克斯方程和能量方程的数学形式。

3. ansys cfd简介ansys cfd是一款强大的计算流体力学软件，它能够对流体流动、传热和传质等问题进行数值模拟和分析。

ansys cfd具有友好的用户界面和丰富的后处理功能，可以满足工程实际应用的需求。

在ansys cfd入门指南中，我们将学习如何使用ansys cfd进行流体力学仿真分析，包括建模、网格划分、求解和后处理等步骤。

4. ansys cfd的应用ansys cfd在工程领域有着广泛的应用，如风力发电机组的气动设计、汽车发动机的冷却系统优化、船舶的流体力学性能分析等。

在ansys cfd入门指南中，我们将结合实际案例，介绍如何使用ansys cfd解决实际工程问题，包括模型建立、边界条件设置、求解过程和结果分析等内容。

5. 个人观点和总结我认为ansys cfd入门指南对于学习流体力学和应用ansys cfd的人来说是非常有价值的。

通过系统学习流体力学的基础知识和ansys cfd 的使用方法，可以更好地理解流体力学的原理和应用。

ansys cfd作为一款先进的计算流体力学软件，可以为工程领域的问题提供可靠的数值模拟和分析方法，为工程设计和优化提供有力的支持。

For personal use only in study and research; not for commercial use一、计算流体力学的基本介绍一、什么是计算流体力学(CFD)?计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)是流体力学的一个新兴的分支，是一个采用数值方法利用计算机来求解流体流动的控制偏微分方程组，并通过得到的流场和其它物理场来研究流体流动现象以及相关的物理或化学过程的学科。

事实上，研究流动现象就是研究流动参数如速度、压力、温度等的空间分布和时间变化，而流动现象是由一些基本的守恒方程（质量、动量、能量等）控制的，因此，通过求解这些流动控制方程，我们就可以得到流动参数在流场中的分布以及随时间的变化，这听起来似乎十分简单。

但遗憾的是，常见的流动控制方程如纳维一斯托克斯(Navier-Stokes)方程或欧拉(Euler)方程都是复杂的非线性的偏微分方程组，以解析方法求解在大多数情况下是不可能的。

实际上，对于绝大多数有实际意义的流动，其控制方程的求解通常都只能采用数值方法的求解。

因此，采用CFD方法在计算机上模拟流体流动现象本质上是流动控制方程（多数情况下是纳维一斯托克斯方程或欧拉方程）的数值求解，而CFD软件本质上就是一些求解流动控制方程的计算机程序。

二、计算流体力学的控制方程计算流体力学的控剖方程就是流体流动的质量、动量和能量守恒方程。

守恒方程的常见的推导方法是基于流体微元的质量、动量和能量衡算。

通过质量衡算可以得到连续性方程，通过动量守恒可以得到动量方程，通过能量衡算可以得到能量方程。

式(1)一(3)是未经任何简化的流动守恒微分方程，即纳维一斯托克斯方程( N-S方程)。

N-S方程可以表示成许多不同形式，上面的N-S方程是所谓的守恒形式，之所以称为守恒形式，是因为这种形式的N-S方程求解的变量p、pu、pv、pw、pE是守恒型的，是质量、动量和能量的守恒变量。