CFD的参数化和优化仿真过程
CFD软件的开发与优化
CFD软件的开发与优化在现代科学和工程领域中，计算流体力学（CFD）软件已经成为不可或缺的工具。
它们被用于众多领域，如飞行器、汽车、建筑、机械、船舶等。
CFD软件的发展使得研究人员和工程师能够更好地理解流体力学现象，同时得到更准确的数值模拟结果，从而提高设计效率和性能优化。
本文将探讨CFD软件的开发和优化，以及如何利用先进技术来解决在实际应用中所面临的问题。
CFD软件是在计算流体力学基础上开发出来的。
在这个过程中，许多专业领域的知识，如数值方法、计算机科学和工程等，都被整合到CFD软件的开发中。
其中，数值方法是CFD软件的核心部分，也是优化软件的关键。
CFD软件使用的数值方法通常是基于Navier-Stokes方程的有限体积或有限元方法。
数值方法的主要目的是将Navier-Stokes方程离散化，从而获得流动的数值解。
CFD软件的开发过程可以分成四个主要阶段：首先，需求分析。
在这个阶段，软件开发团队与客户进行合作，确定软件的特定需求。
其次，设计和实现。
在这个阶段，软件开发团队开始实施需求并设计软件的架构。
然后是测试和修复阶段，这个阶段主要是为了测试软件的功能是否完全符合客户的需求，并修复错误。
最后是验证和优化。
在这个阶段，软件将被验证是否能够正确处理流体的行为，同时团队也会尝试优化性能以提高软件的效率。
虽然CFD软件的开发过程相对标准化，但是在实际应用过程中，软件的性能和可靠性常常面临挑战。
让我们看一下CFD技术所面临的几个主要问题，并讨论如何优化解决这些问题。
1.网格划分CFD软件使用网格来表示流体域，问题在于如何在这个域上划分出较少、但又足够准确的网格。
网格的分辨率对解决流体力学问题很重要，因为它直接影响数值解的准确性。
然而，高分辨率的网格需要更多的计算资源，造成较长的计算时间。
为解决该问题，可以使用适应性网格技术。
采用适应性网格技术，可以在需要求解高分辨率区域时增加网格分辨率，并在低分辨率区域保持网格分辨率，从而提高计算效率。
cfd方法
cfd方法CFD方法。
CFD（Computational Fluid Dynamics）方法是一种利用计算机对流体流动进行数值模拟和分析的方法。
它可以模拟和预测流体在各种复杂条件下的运动规律，广泛应用于航空航天、汽车工程、能源领域、环境工程等各个领域。
本文将介绍CFD方法的基本原理、应用领域以及发展趋势。
CFD方法的基本原理是基于流体力学和数值计算方法，通过对流体运动的基本方程进行离散化和数值求解，得到流场的数值解。
在CFD模拟中，流体被划分为无数个小单元，通过对每个单元的运动状态进行计算，最终得到整个流场的运动规律。
通过CFD方法，可以模拟出流体的速度场、压力场、温度场等重要参数，为工程设计和优化提供重要参考。
CFD方法在航空航天领域有着广泛的应用。
在飞机设计中，通过CFD方法可以模拟飞机的气动性能，优化机翼、机身等部件的设计，提高飞行效率和安全性。
在火箭发动机设计中，CFD方法可以模拟燃烧室内的流动情况，优化燃烧过程，提高发动机的推进效率。
同时，CFD方法也可以模拟飞行器在大气层内的飞行过程，为飞行器的控制和稳定提供重要参考。
汽车工程是CFD方法的另一个重要应用领域。
通过CFD方法，可以模拟汽车在高速行驶时的空气动力学特性，优化车身外形和气动套件设计，降低空气阻力，提高燃油经济性。
此外，CFD方法还可以模拟汽车发动机内部的燃烧过程和冷却系统的热管理，为发动机的性能和可靠性提供支持。
能源领域也是CFD方法的重要应用领域之一。
通过CFD方法，可以模拟火电厂和核电厂的燃烧过程和热力循环过程，优化锅炉和汽轮机的设计，提高能源转化效率。
同时，CFD方法还可以模拟风力发电机的叶片气动特性，优化叶片设计，提高风能利用率。
环境工程是CFD方法的另一个重要应用领域。
通过CFD方法，可以模拟大气和水体的流动、传热和污染扩散过程，为环境污染防治和环境风险评估提供重要支持。
此外，CFD方法还可以模拟城市建筑和交通系统的热环境和空气质量，为城市规划和设计提供科学依据。
CFD仿真模拟技术和模型介绍flunet模拟仿真计算流体力学
CFD仿真模拟技术在流体动力学研究中的应用
随着计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）的不断发展，仿真模拟技术在流体动力学研究中的应用越来越广泛。
CFD是一种使用数值方法对流体流动进行模拟的计算技术，它可以预测流体动力学行为，为工程设计和优化提供重要依据。
本文将介绍CFD仿真模拟的基本原理、方法和应用实例。
一、CFD仿真模拟的基本原理
CFD仿真是通过计算机模拟流体流动的过程，它基于流体力学基本控制方程，如Navier-Stokes方程、传热方程等，通过数值计算得到流场的分布、变化和相互作用等细节。
CFD仿真是一种基于计算机的技术，因此它具有高效、灵活、可重复性高等优点。
二、CFD仿真模拟的方法
CFD仿真模拟的方法可以分为直接数值模拟（DNS）和基于模型的模拟（MBM）两种。
1.直接数值模拟（DNS）
DNS是通过直接求解流体控制方程的方法进行模拟。
它能够准确地模拟流体的运动规律，但计算量大，需要高性能计算机支持，且对计算资源和时间的要求较高。
通常，DNS用于研究简单流动现象或作为参考模型。
2.基于模型的模拟（MBM）。
cfd仿真过程的主要步骤
cfd仿真过程的主要步骤CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真是一种通过计算流体的数值模拟方法来研究流体力学问题的技术。
它能够精确地预测流体的物理行为，并在实际应用中发挥重要作用。
本文将介绍CFD仿真过程的主要步骤，以帮助读者了解该技术的基本原理和应用。
第一步：建立几何模型CFD仿真的第一步是建立几何模型。
在进行仿真前，需要收集实际问题的相关数据，并据此创建一个三维几何模型。
这可以通过计算机辅助设计（CAD）软件或其他三维建模软件完成。
建立几何模型时需要考虑问题的尺寸、形状和边界条件等因素。
第二步：离散网格生成离散化是CFD仿真的关键步骤之一。
在此步骤中，需要将连续流体域分割成离散网格。
这些网格通常是由简单的几何形状（如立方体或六面体）构成的。
离散网格的精度和分辨率将直接影响到仿真结果的准确性。
第三步：物理建模与边界条件设定在进行CFD仿真之前，需要选择适当的物理模型和设定边界条件。
物理模型可以是基于连续介质力学的Navier-Stokes方程，也可以是基于稀薄气体动力学的Boltzmann方程等。
边界条件包括入口和出口条件、壁面条件、对称条件等。
物理建模和边界条件的选择将决定仿真的结果和准确性。
第四步：数值求解在CFD仿真中，需要使用数值方法对所选的物理模型进行求解。
常用的数值方法包括有限差分法、有限元法和有限体积法等。
这些方法将选择的物理模型转化为离散形式的数值模型，并使用迭代算法来求解流体问题。
第五步：边界条件调整和预处理在进行数值求解之前，通常需要对网格进行预处理，以提高计算效率和准确性。
此外，边界条件和物理模型也需要进行调整和验证，以确保仿真结果的合理性。
第六步：数值模拟和结果分析在对CFD仿真进行数值求解之后，可以开始进行数值模拟和结果分析。
通过对仿真结果的可视化和定量分析，可以了解流体的流动特性、压力分布、速度场等信息。
这对于解决实际问题、优化设计和改进工艺具有重要意义。
CFD优化分析(模型参数化、设计参数参数化)
后处理——云图
压力云图剖面（动画）
© 2011 PERA Global
后处理——矢量图
速度矢量图剖面（动画）
© 2011 PERA Global
后处理——流线图
流线图（动画）
© 2011 PERA Global
后处理——云图
压力云图
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© 2011 PERA Global
网格
非结构化 网格 网格总数 29万 带边界层 网格
© 2011 PERA Global
求解设置
边界条件：
– 入口：速度＝5m/s – 出口：压力出口 – 固壁：无滑移的边界条件 介质： – 常温液体水 湍流模型及壁面函数： – 理想的k－e模型 – 标准的壁面函数 求解设置： – 压力速度离散格式：SIMPLEC – 其它离散格式：三阶离散
入口： 半径＝20mm 长度＝70mm 中间： 半径＝50mm
长度＝150mm
出口： 出口1：半径＝10mm，长度＝100mm，距圆心距离＝25mm 出口2：半径＝12mm，长度＝100mm，距圆心距离＝30mm 出口3：半径＝ 5mm， 长度＝100mm，距圆心距离＝32mm
出口4：半径＝15mm，长度＝100mm，距圆心距离＝28mm
求解设置
边界条件：
– 入口：速度＝5m/s – 出口：压力出口 – 固壁：无滑移的边界条件 介质： – 常温液体水 湍流模型及壁面函数： – 理想的k－e模型 – 标准的壁面函数 求解设置： – 压力速度离散格式：SIMPLEC – 其它离散格式：三阶离散
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cfd仿真算法编程
cfd仿真算法编程
CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真算法是一种用于模拟流体流动和传热的数值计算方法。
它通过数值求解流体动力学方程组，来预测流体的速度、压力、温度等物理量的分布情况。
CFD 仿真算法编程通常包括以下步骤：
1. 建立物理模型：根据问题的具体情况，确定流体域的几何形状、边界条件、初始条件等。
2. 选择数值方法：根据问题的复杂程度和计算资源的限制，选择合适的数值方法，如有限差分法、有限元法、谱方法等。
3. 编写数值算法：根据选定的数值方法，编写数值算法，包括离散化方程、计算网格、求解代数方程等。
4. 编写程序代码：使用编程语言（如 C、C++、Python 等）编写程序代码，实现数值算法和其他相关功能，如数据输入输出、可视化等。
5. 调试和优化：对程序进行调试和优化，以确保计算结果的准确性和计算效率。
6. 结果分析和可视化：对计算结果进行分析和可视化，以理解流体流动和传热的规律和特性。
CFD 仿真算法编程需要具备一定的数学、物理和计算机编程基础，同时需要对数值计算方法和编程语言有较深入的理解和掌握。
如果你对 CFD 仿真算法编程感兴趣，可以通过学习相关的书籍、课程和文献，逐步掌握相关的知识和技能。
离心风机CFD模拟及改进
2005 Fluent 中国用户大会论文集由于CFD计算可以相对准确地给出流体流动的细节,如速度场、压力场、温度场等特性,因而不仅可以准确预测流体产品的整体性能,而且很容易从对流场的分析中发现产品和工程设计中的问题,所以在国外已经逐步得到广泛的应用。
另外,跨学科组合优化设计方法也已经成为复杂叶轮产品的设计平台。
如今,CFD技术运用于风机的实例在我国已不少见,但由于计算机计算能力的限制,模型过于简单。
如单独一个离心叶轮的流道或单独算一个蜗壳;或运用一个流道与蜗壳迭代计算的方法研究风机内部流动,上述模型均忽略了由于蜗壳型线的非对称而导致叶轮各叶道流动呈现的非对称流动特征,而且从离心风机通道内流场分析来看,各部件间的相互影响很严重,所以,必须充分考虑它们之间的相互影响,不能孤立地分别研究[2]。
本文应用Fluent流动分析软件,计算某型号离心通风机全流场,详细得到通风机内部流场流动情况,并根据气动流场,对叶轮前盘形状和蜗壳出口部位等进行优化设计,同时,运用多学科优化平台软件OPTIMUS集成流体计算软件FLUENT,优化计算通风机进口型线,比较集成优化型线与单独用Fluent反复计算的结果,两者基本接近,说明集成优化是可信的。
将流动区域分为三部分:通风机进口部分、叶轮和蜗壳。
进口部分和蜗壳是静止元件,叶轮转动,采用gambit进行参数化建模。
整个通风机的网格数为80 万,网格采用四面体和六面体混合的非结构网格技术。
气体在通风机内流动时,它的气动性能在很大程度上由它本身的造型决定。
由于流道形状、哥氏力和粘性力的影响,通风机内的气体流动十分复杂。
一般认为气流在叶轮内的相对运动和在静止元件内的绝对运动为定常流,而且通风机内的气体压强变化不大,可忽略气体的压缩性。
因此,通风机内的流动是三维、定常、不可压缩流动。
求解相对稳定的、三维不可压缩雷诺平均N-S方程,湍流模型采用标准的εκ?两方程模型,采用一阶迎风格式离散方程,用SIMPLE方法求解控制方程。
CFD仿真验证及有效性指南
CFD仿真验证及有效性指南1.使用适当的模型和网格：模型是CFD仿真的核心，在选择模型时应考虑流动问题的特点，如湍流、边界层等。
网格的选择也是至关重要的，需要确保网格划分足够细致以捕捉流动中的细节，同时又要保持计算效率。
2.验证实验数据：要验证CFD仿真的有效性，可以使用已有的实验数据进行对比。
这些实验数据可以是来自于文献报道或自行进行的试验。
对比实验数据和CFD仿真结果可以评估仿真的准确性和可靠性。
3.系统误差分析：在仿真过程中，系统误差指代由于网格精度、求解方案或物理模型的近似导致的误差。
通过系统误差分析，可以确定系统误差的大小和对结果的影响。
减小系统误差可以提高仿真的准确性。
4.敏感性分析：敏感性分析可以评估一些关键参数（如初始条件、边界条件、物理模型等）对仿真结果的影响程度。
通过对这些参数进行敏感性分析，可以确定对结果影响较大的参数，并进一步优化仿真过程。
5.网格独立性分析：网格独立性分析用于确定所使用的网格是否足够精细。
通过在不同网格尺寸下进行多次仿真，可以比较结果的差异。
如果在不同网格下的结果趋于稳定，则认为所选择的网格尺寸是合适的。
6.验证验证案例：选择一些已知的验证案例进行仿真，比如经典的流体动力学案例，如流经圆柱体、层流流动等。
与已知的解析结果进行对比，可以验证仿真的准确性。
7.并行计算验证：CFD仿真通常需要大量的计算资源，通过并行计算可以提高仿真的效率。
进行并行计算验证可以确保并行计算的正确性，以及验证结果与串行计算的一致性。
8.实验验证：为了保证CFD仿真结果的有效性，最好还要进行实验验证。
通过在实验室或实际工程项目中进行实验，可以验证仿真结果的准确性和可靠性。
总结起来，CFD仿真的有效性验证需要综合考虑模型和网格选择、实验数据验证、系统误差分析、敏感性分析、网格独立性分析、验证验证案例、并行计算验证和实验验证等因素。
只有在这些方面充分考虑并且经过验证后，才能确保CFD仿真结果的准确性和可靠性。
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网格最小尺寸
体网格总数
体网格质量 最小值
求解器阶段的参数化
• • • 材料物性的参数化 边界条件数值的参数化 计算结果数据的参数化
– 力、力矩、通量、面积分值、体积分值等
压力出口的速度均匀性
速度入口的数值
优化
• 什么是优化？ • 在设计空间中寻找最佳的合理设计点 优化是一个双重问题
• 对“参数化”的变量进行适当的规划 •
目标是什么？ 什么可以改变？什么不能改变？如何改变？ 选择稳健的优化器
现今，即使是简单的设计，也需要优化。 • 获得具有竞争力的优势 • 降低产品的运营成本
ANSYS DesignXplorer
DesignXplorer是集成在 Workbench中的设计探索和优 化工具，它驱动Workbench自
帮助用户理解哪些 设计参数最为敏感
响应面
帮助用户理解输出 参数（结果）对输 入参数的敏感性
3D Response
2D Slices Response
目标驱动优化
帮助用户理解各参数之间的 权衡，寻找最优的设计
稳健性评估
输入参数有波动量
确保您的设计是 稳健的！
Six Sigma
输出参数也 有相应波动
•
Workbench工作流程
• Workbench包含了一些预定义的分析系统流程，此外用户也可以通过拖拽各 个软件工具，组合出自定义的分析流程。
参数化
• 参数化是将Workbench各个软件工具中的一些输入、输出数据定义为变量， Workbench会自动地驱动各个软件工具来完成这些输入数据变化后的新仿真， 并将新仿真结果中的输出数据作为目标显示。 参数化功能帮助实现了输入数据改变时的重复计算。 参数化功能在分析具有多个变量的许多设计点时，非常有用。 参数之间还可以通过表达式产生关联，例如一个参数是另一个参数的函数。 用户仅需在Workbench的参数管理界面中更改输入数据的具体数值即可，无 需打开每个软件工具单独更改。
动化地完成参数变更以及新设 计点的计算求解过程。
ANSYS Workbench Solvers
DX
试验设计（DOE）
使用DesignXplorer创建多个 变量的试验设计，仅需在单 个设计点的仿真流程基础上 稍做加工即可实现。
相关性矩阵
帮助用户理解参数之间的相关性 以及参数之间是如何互相影响的
敏感性
2] “Update Project ”功能依次执行 geometry > mesh > solver等各节点的 更新，计算新的设计点。 3] 如果想更新单独的节点（例如想预 览更新后的新几何），鼠标右键点击 单独的节点Refresh即可。
1] 点击Parameter Set对象，可以集 中地编辑所有的参数，而无需再单 独启动各软件工具的界面。
• • • •
参数化
• 在软件工具中将输入、输出数据定义为变量后，Workbench的项目窗口中出现 Parameter Set对象。 • 修改完参数化的变量后，需要更新模型，可以更新整个项目或者只更新单个节点。
• • Refresh：读取上游的数据，但不会执行求解或网格生成等耗时较长的操作。 Update：执行Refresh，并更新网格、进行求解等，得到新的计算结果。
CFD的参数化和优化仿真过程
崔亮 行业专员
北京福思营销顾问有限公司呈送
目录
• 基于Workbench的参数化仿真流程
– 几何建模阶段的参数化 – 网格剖分阶段的参数化 – 求解器阶段的参数化
• 基于ANSYS DesignXplorer (DX)的优化仿真过程 • 培训案例
Workbench
• • • ANSYS Workbenc接口。 Workbench控制着ANSYS不同工具（几何建模/网格剖分/求解器/后处理） 之间的数据传输。 Workbench为项目管理带来了极大的帮助，用户无需再担心独立的几何、网 格、求解数据等文件在硬盘上的存储位置，只需通过Workbench界面中的工 作流程图即可轻松管理整个项目。 由于Workbench能够管理每个ANSYS软件工具以及它们之前的数据传输， 因此可以很方便地实现自动化的仿真流程，从而实现参数化分析和设计优化 分析。
• B. Static Mixer边界条件和计算结果的参数化和优化仿真
Cold Inlet 300 K
Hot Inlet 400 K
Outlet
Thanks
理解产品性能如何 随着设计的容差而 发生变化
预测可能的 不合格部件
理解哪些输入需 要最严格的控制
优化仿真过程
Thermal
Stress
Pressure & Flow Velocity
Parametric Geometry Deformation
排气歧管设计 Six Sigma分析
最大变形位移不超过1.5 mm
输入参数 歧管出口直径 管壁厚度 外部温度 发动机转速 响应参数 最大流体温度 最大变形 最大Von-Mises应力
所有的样本点最大 变形都小于1.5 mm
输入参数 的不确定 性
响应面显示了发动机转速 和管壁厚度对最大变形的 影响
培训案例
• A. Mixing Tank几何建模和网格剖分参数化
几何建模阶段的参数化
• • 草图尺寸的参数化、3D操作相关数值的参数化。 通过双向CAD接口，直接在主流CAD软件中进行参数化。
Pro/E中的CAD参数
DM中的参数
双向关联
草图尺寸的参数 化改变
3D操作（阵列）数 值的参数化改变
网格剖分阶段的参数化
• • • 表面网格、体网格尺寸的参数化 边界层网格尺寸的参数化 生成的网格总数及网格质量数据的参数化