工程流体力学的计算方法CFD基础
计算流体力学方法及应用
计算流体力学方法及应用计算流体力学，简称CFD，是一种计算机仿真方法，用于研究液体和气体流动的物理现象。
随着计算机技术的发展，CFD方法在科学研究、工程设计以及产品开发等领域得到了广泛应用。
一、基础理论及方法在CFD方法的研究中，牛顿运动定律与质量守恒、动量守恒和能量守恒理论是基础。
其中最核心的数学模型是导出Navier-Stokes方程组。
通过数值计算方法对Navier-Stokes方程组求解，得到流体运动的速度、压力、温度等重要参数。
CFD方法最重要的两个分支是：有限体积法和有限元法。
有限体积法用于求解区域平均量；而有限元法则更多用于求解点值信息，如速度场。
这些方法的细节介绍超出了本文的范畴，但重要的是知道CFD方法基础理论和数值计算方法是如何结合起来的，以便更好理解CFD的应用。
二、应用领域CFD方法在许多领域的应用引起了广泛的兴趣。
其中之一是汽车工业。
CFD方法可以帮助设计人员更好地理解车辆如何与气流相互作用，选择合适的气动设计，从而提高燃油经济性、空气动力性和行驶稳定性。
另一个应用领域是建筑设计。
CFD模拟可以帮助建筑设计者评估建筑物的风和温度特征，从而改进室内环境质量和降低能耗。
类似的应用还包括通风系统优化、排气设计以及火灾防护等。
当然，CFD在航空航天工业中也有广泛应用。
人们可以通过CFD方法模拟飞机在不同飞行条件下的气动表现，并优化飞机燃油耗费的速率，提高空气动力性能和飞行质量。
CFD方法还可以用于研究火箭引擎的燃烧过程，以及对宇宙飞船的热防护系统的性能进行优化。
三、CFD方法的未来展望CFD方法作为一种高效可靠的物理仿真方法，有望在各个领域的应用中持续发挥重要作用。
随着计算机硬件的不断升级和算法的优化，CFD方法预计将变得更加精确、高效和可操作化。
其中应用于自动化设计与优化是未来重要的应用方向。
此外，随着人工智能技术的崛起，CFD方法将慢慢融入到智能化的决策制定和优化算法中。
结论：综上所述，CFD方法的应用广泛，从汽车工业到航天科技，从建筑设计到通风系统，其表现出了深远的影响。
计算流体力学CFD的基本方法与应用
CFD的作用像在计算机上做实验，故也称数值实验, 它 不但能取代很多实验工作，而且能做实验室无法进 行的研究。
作， Patankar也在美国工程师协会的协助下，举行了大范围的培训， 皆在推广应用 CFD。 1985年的第四界国际计算流体力学会议上，Spalding 作了 CFD 在工程 设计中的应用前景的专题报告。他将工程中常见的流动、传热、化学 反应等分为十大类问题，并指出CFD都有能力加以解决。
2、CFD的发展历程
性、可靠性及工业化推广应用。
1977年，Spalding等开发的用于预测二维边界层内的迁移现象的GENMIX 程序公开，其后，他们首先意识到公开计算源程序很难保护自己的知 识产权。
在1981年，组建的CHAM公司将包装后的计算软件（PHONNICS－凤凰）正 式投放市场，开创了CFD商业软件的先河。
LES——穷人的DNS
CFD的未来，近期的展望
CFD的未来，远期的展望
• 非线性计算方法的突破 • LES模型的逐步成熟 • 大规模计算、并行计算的发展可以解决DNS、LES、非定
常计算的海量计算等问题 • 先进的湍流模型，反应动力学模型，多相流模型等的逐
步ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ善
CFD的路还很长很长
• CFD是一个新兴的学科 • CFD具有重要的应用 • CFD还有很多问题
计算流体力学CFD的基本 方法与应用
CFD (Computational Fluid Dynamics) 计算流体力学——为您打开通向高科技之门
CFD-基-础(流体力学)
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。
计算流体力学基础及其应用
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。
3.CFD基本方程
x K T x q y K T y q z K T z q
4、总结
u t x
v w
y z
0
dV f p dt
流体力学控 制方程组
De ( V ) ( k T ) q Dt
二阶对称张量，第一个 下标表示切应力作用面 垂直于该轴，第二个下 标表示切应力方向。
广义牛顿内摩擦定理: 给出了三维粘性流体的切应 力与流体变形之间的关系
ui u j ij ( ) ij ( V ) x j xi
xx
u v w u 2 x x y z
dV f p dt
N-S（纳维-斯托克斯）方程表明质量力、粘性切应力 与压强共同确定了流体流动规律。
（2）粘性流体的微分运动方程－Navier-Stokes方程 切应力张量τ
xx xy xz [ ] yx yy yz zx zy zz
基本方程有5个，未知量为：p,ρ,T, e,u,v,w，需 要补充方程： e e(T , P) p RT e cvT
粘性流动方程 （N-S方程）
无黏流动方程 （欧拉方程）
初始条件与边界条件 流体力学基本方程组是自然界千千万万流动现象的控 制方程，对于某一个特定的流体力学问题，必须加上 相应的定解条件,即初始条件和边界条件。
dV (V n)dA 0 t V .Con S .Con
积分式：直观、物理意义明确，无需了解流场内部的流
动细节，只需要控制面上的流场参数
微分式：给出了密度与速度场的分布规律
计算流体力学CFD的基本方法与应用
计算流体力学CFD的基本方法与应用
一、基本介绍
流体力学计算（CFD）是使用数值模拟技术来研究物理流体（如气体
和液体）运动性质的一类技术。
它可以用于研究物理流体的流动，以及流
体的热物性和压力分布。
CFD让工程师更容易地更好地研究流体运动，以
解决实际问题。
CFD利用数学模型可以模拟各种流体及其粒子在特定条件下的运动。
它包括很多步骤，从流体参数的定义到解算器的实现以及结果的分析和可
视化，这可以帮助工程师更清楚地研究和控制流体的性质。
CFD的基本方法主要包括：建立数学模型，采用合适的差分技术以及
计算策略，构建计算带等技术。
其中最重要的是建立数学模型，数学模型
可以帮助工程师精确表示实际问题，从而得到准确的解决方案。
二、应用
CFD在工业工程与科学研究中有广泛应用，其应用领域包括飞行技术、机械设计、环境工程、交通流量分析、水资源开发、仿真与虚拟技术等。
(1)适航性设计
CFD技术可用于飞机的性能计算和适航性设计，可以准确地迅速预测
飞机的性能参数，如噪声、燃油消耗和航空安全等。
(2)机械设计
CFD在机械工程中可以用于研究机械系统的流体性能，还可以用于优
化设计。
CFD基础
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。
工程流体力学的计算方法CFD基础
E
水击波：
C2
1
ED
E因
D：管道直径
E：流体体积弹性系数
E固：管壁材料的弹性模量 ρ ：流体密度
δ ：管壁厚度
水击波的传播速度C=1200～1400m/s
退出
P 1 P
t P t C 2 t
P 1 P
x P x C 2 x
这样连续性方程可改写成: C u 1 (P u P ) 0
上面4方程可用矩阵表示：
-10 4 4 -10 10 01
10 01 -10 4 4 -10
2,2 15
2,3 3,2 3,3
17
0.5
11
退出
利用高斯法解此线性方程组得：
2,2
7 6
,
2,
3
7 3
6721d 5 7d 1.5 0 令 x 10d 则上式化为：f (x) 0.06721x5 0.7x 1.5 0 选 x0 2 作为初值 x1 x0 f (x0 ) f (x0 )
经3次迭代后得 x3 2.31707误差小于 106
因此取 d 0.214m
yi)x
1 4
yi x3
o(x4 )
可见：
yi
yi1
1 2
(
yi1
yi)x
具有三阶精度。
退出
在平面势流中，流函数和速度势 函数均满足拉普拉斯方程：
2 2 0
x2 y 2
现将计算区域分成若干网格，每个
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x 2) 由⑦式得： y
点（2，2）
1.5 10 2, 2 3, 2 4 2,3 0
2,3 3,3 14 0 点（2，3） 3 4 2, 2 10
点（3，2）
2, 2 10 3, 2 0.5 4 3,3 0
3,3 1 10 0 点（3，3） 2,3 4 3, 2 10
第13章 工程流体力学的计算方法 （CFD基础）
§13.1代数方程的牛顿迭代法 牛顿迭代法用于求解超越方程 f ( x) 0 的根，在曲线
y f ( x) 上取一点 ( x0 , y0 )
f ( x0 ) 求 x1 x0 f ( x ) 0
显然
x1
是方程 f ( x) 0 的一个比 x0
②
退出
则有 f i
f i f i 1 o(x) x
③ 一阶导数向后差分式
④ 一阶导数向前差分式
f i 1 f i f i o(x) x
可见
f 具有 x 的一阶精度
f i 1 f i 2 f o ( x ) ⑤ ①②上述两式相减则有： i x f i 1 2 f i f i 1 2 f o ( x ) 2 ①②上述两式相加则有： i x
⑦
对每个网格节点都建立形如上式的差分方程，就得到各
节点的流函数的代数方程组，给出边界条件，用迭代法可求
出其数值解。 例：水在两平板间流动，上板壁的渗透速度v0=1m/s下壁不可
渗透，入口和出口速度均匀分布，分别为 u1=3m/s 和 u2=1m/s
和，设板长h=3m 宽h=1.5m
将长和宽分成3等份：x
代入数据化简得：
6721d 5 7 d 1.5 0
令 选
5 f ( x ) 0 . 06721 x 0.7 x 1.5 0 x 10d 则上式化为：
x0 2 作为初值 x1 x0 f ( x0 ) f ( x0 )
d 0.214m
经3次迭代后得 x3 2.31707误差小于 10 6
更精确的解，
重复以上计算可以得到任意精确的解。
例：水从池中经管道流出，已知管长l
50m
沿程阻力损失系数
0.03
局部阻力损失系数 6 ,水径 H
2m
设计流量 Q 0.06 m 3 h 试求管径d 解：列水面和管道出口截面的伯努利方程：
l 1 4Q 2 H (a ) ( 2 ) d 2 g d
因此取
退出
§13.2差分法 解析函数 f ( x) 可以在点 x0 领域展开成泰勒级数
f ( x) f ( x0 ) f ( x0 )( x x0 ) 1 f ( x x0 ) 2 2!
设有 i 1, i, i 1 三个差分节点， 其坐标为
xi 1 , xi , xi 1
4 因为：yi y y x o ( x ) 1 i i
1 1 x 3 o(x 4 ) 所以： yi yi 1 ( yi1 yi)x yi 2 4
1 可见： yi yi 1 ( yi1 yi)x 具有三阶精度。 2
退出
在平面势流中，流函数和速度势 函数均满足拉普拉斯方程： 现将计算区域分成若干网格，每个 网格的边长都是 (x, y ) ，节点
2 2 2 0 2 x y
( xi , yi )
简记为
(i, j )
其二阶导数可以用式⑥近似表示，
则拉普拉斯的差分式为：
f i 1 2 f i f i 1 2 f i o ( x ) 2 x
设函数在这三个节点的值为：
f i 1 f ( xi1 ), f i f ( xi ), f i 1 f ( xi1 ) 设节点间距为 x 则有泰勒展开式
1 x 2 o(x 3 ) ① f i 1 f i f i x f i 2!
f i 1 f i f i x 1 x 2 o(x 3 ) f i 2!
1 1 ( i 1, j 2 i , j i 1, j ) 2 ( i , j y
令
x y 2 2 2 2 ( 1 ) i , j 1 i 1, j 0 则： i 1, j i, j i 1, j
1m, y 0.5m
退出
①下壁面是一条流线，取其流函数为零，即
Ψ ②左边入口处： u1 3 y 1 2 3 y y o ( y ) 0 3 0.5 0 1 1, 2 1,1 1,1 1,1 因而
2
同理
i ,1 0, i 1,2,3,4
⑥
对于形如 y f ( x, y ) 的微分方程也可以求出y的泰勒展开式
1 yi 1 yi yix yix 2 o(x 3 ) 2
yi yi 1 yi1x 1 yi1x 2 o(x 3 ) 2
退出
两式相减得：
1 1 yi yi 1 ( yi1 yi)x ( yi1 yi)x 2 o(x) 2 4
1,3 3, 1, 4 4.5
, j 1 ③右边出口处：u 2 4 y
4,2 0.5, 4,3 1.0, 4,4 1.5
④在上壁面， y
v0 1 x
h 1.5
2, 4 3.5, 3, 4 2.5
退出
( 各节点的代数方程，