CFD数值模拟过程ppt课件
技术路线
➢ 建立数学物理模型 ➢ 数值算法求解 ➢ 结果可视化
.
CFD数值模拟过程
CFD简介 数值模拟简介 CFD软件介绍 技术路线
进行流场分析、计算、预测的专业软件。通过CFD软件，可以 分析并显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内，能预测 性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。
.
CFD数值模拟过程
CFD数值模拟过程
• CFD简介 • 数值模拟简介 • CFD软件简介 • 技术路线
.
CFD数值模拟过程
CFD简介 数值模拟简介 CFD软件介绍 技术路线
Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学） 计算机技术 + 数值计算技术 流体实验 计算机虚拟实验
基本原理是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流场 在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。
果的合理解释等重要方面。
发货
.
发货
CFD数值模拟过程
CFD简介 数值模拟简介 CFD软件介绍 技术路线
几何造型 网格划分
DesignModeler CFX-Mesh
前处理
CFX-Pre
求解计算
CFX-Solver
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ后处理显示
CFX-Post .
CAD软件 ICEMCFD
tui xj uiuj x P i xijjSui
.
CFD数值模拟过程
CFD简介 数值模拟简介 CFD软件介绍 技术路线
Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学） 计算机技术 + 数值计算技术 流体实验 计算机虚拟实验
基本原理是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流场 在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。
tui xj uiuj x P i xijjSui
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CFD数值模拟过程
CFD简介 数值模拟简介 CFD软件介绍
利用计算机求解各种守恒控制偏微分方程组的技术。
涉及流体力学（湍流力学）、数值方法乃至计算机图形学等多 学科。且因问题的不同，模型方程与数值方法也会有所差别， 如可压缩气体的亚音速流动、不可压缩气体的低速流动等。
CFD简介 数值模拟简介 CFD软件介绍 技术路线
深刻地理解问题产生机理，指 导实验，节省所需人力、物力 和时间，并有助于整理实验结 果、总结规律。
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CFD数值模拟过程
CFD简介 数值模拟简介 CFD软件介绍 技术路线
商用CFD软件使许多不擅长CFD的其它专业研究人员能够轻松 地进行流动数值计算，从而使其以更多的精力投入到考虑所涉 及问题的物理本质、问题的提法、边界（初值）条件和计算结
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CFD概念及应用PPT课件
( tT)d(iv u)T d ic k v pgra T d ST
2021/3/7
CHENLI
12
CFD控制方程
▪ 组分质量守恒方程(species mass-conservation equations)：系统内某种化学组分质量对时间 的变化率，等于通过系统界面净扩散流量与通 过化学反应产生的该组分的生产率之和。
▪ 飞机和航天飞机等到飞行器的设计；
▪ 汽车流线外型对性能的影响；
▪ 洪水波及河口潮流计算；
▪ 风载荷对高层建筑物稳定性及结构性能的影响；
▪ 温室及室内的空气流动及环境分析；
▪ 电子元器件的冷却；
▪ 换热器性能分析及换热器片形状的选取；
▪ 河流中污染的扩散；
▪ 汽车尾气对街道环境的污染；
▪2021食/3/品7 中细菌的运移。
体动力学基本方程的学科，通过计算机数值计算和
图像显示，对包含有流体力学流动和热传导等到相 关物理现象的系统所做的分析。
★控制方程：质量守恒方程、动量守恒方程、能量 守恒方程、组分质量守恒方程
★CFD方法可以降低实验的时间和费用等。
2021/3/7
CHENLI
6
CFD基本概念
★ CFD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 限个点上的变量的集合来代替，能过一这的原则和 方式建立起关于这些离散点上场变量之间的代数方 程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。
▪ 物理模型 – 湍流模型 – 燃烧模型 – 辐射模型 – 多项流模型 – 相变模型 – 移动区域 – 移动网格
▪ 材料特性 ▪ 边界条件 ▪ 初始条件
2021/3/7
CHENLI
CFD数值模拟6
The pressure-correction technique
it is an iterative approach. start the iterative process by guessing the pressure field p ∗ . in the N-S, using p ∗ for the pressure gradient to obtain velocity field u ∗ , v ∗ , w ∗ . calculate a pressure correction p ′ from the continuity equation, because u ∗ , v ∗ , w ∗ may not satisfy the continuity equation. the corrected pressure is: p = p ∗ + p ′ . also, u = u ∗ + u ′ and so on. repeat with p → p ∗ .
2D steady heat conduction
For 2D cases, the coefficients as follows, aP φP = aW φW + aE φE + aS φS + aN φN + Su (2)
aW aE aS aN aP Γw Aw Γe Ae Γs As Γn An aW + aE + aS + aN - S P δxWP δxPE δySP δyPN To apply TDMA, we can only solve a one dimension(e.g. x ). Therefore, we have to treat terms of the other dimention (e.g. y as source term: −aW φW + aP φP − aE φE = aS φS + aN φN + Su (3)
数值模拟步骤.pptx
上述迭代求解后的结果是离散后的各网格节点上的数值,这样的结果不直观。因 此需要将求解结果的速度场、温度场或浓度场等用计算机表示出来，这也是 CFD 技术 应用的必要组成部分。
利用 CFD 方法进行仿真模拟可以对分离器的结构设计及参数选择作出指导，保证 设计的准确度，也可以为分离器样机的试验提供理论参考。由于 CFD 仿真模拟的广泛 使用及其重要性，国内外很多学者，如 Mark D Turrell、M.Narasimha、师奇威等都 对其进行了研究，尤其是 A.F. Nowakowski 及 Daniel J.SUASNABAR 等人]对 CFD 技术 在旋流器模拟方面的应用做了详细的介绍，这些工作对 CFD 技术的发展起到了积极的 促进作用。
气相浓度场分布如图所示：
学海无 涯 三种情况速度场分布如图所示：
学海无 涯
2）固定液相浓度为 0.003%,变入口速度分别为：1m/s、3m/s、5m/s。气相浓度场 分布如图所示：
学海无 涯 三种情况速度场分布如图所示
生项不仅与流动有关，而且在同一问题中也还是空间坐标的函数。故 RNG k-ε 模型
可以更好的处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。
3、网格划分
借助 gambit 软件对直管段划分结构网格，对非直管段划分非结构网格。四种结 构的网格划分如图所示：
结构一 结构二
结构三 结构四
5、模型的选择及边界条件的确定 应用多相流中的欧拉模型；控制方程采用 RNG k-ε 模型；入口边界条件设置为
速度入口，出口边界条件设置为自由出流；由于入口两相中含夜体积分数极小，湍动 粘度影响远大于重力，固忽略重力的影响；湍流强度设置为 10%,水力直径为圆管内流 道截面直径。
6 模拟结果分析
学海无 涯 6.1 结构一的模拟
利用 CFD 方法进行仿真模拟可以对分离器的结构设计及参数选择作出指导，保证 设计的准确度，也可以为分离器样机的试验提供理论参考。由于 CFD 仿真模拟的广泛 使用及其重要性，国内外很多学者，如 Mark D Turrell、M.Narasimha、师奇威等都 对其进行了研究，尤其是 A.F. Nowakowski 及 Daniel J.SUASNABAR 等人]对 CFD 技术 在旋流器模拟方面的应用做了详细的介绍，这些工作对 CFD 技术的发展起到了积极的 促进作用。
气相浓度场分布如图所示：
学海无 涯 三种情况速度场分布如图所示：
学海无 涯
2）固定液相浓度为 0.003%,变入口速度分别为：1m/s、3m/s、5m/s。气相浓度场 分布如图所示：
学海无 涯 三种情况速度场分布如图所示
生项不仅与流动有关，而且在同一问题中也还是空间坐标的函数。故 RNG k-ε 模型
可以更好的处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。
3、网格划分
借助 gambit 软件对直管段划分结构网格，对非直管段划分非结构网格。四种结 构的网格划分如图所示：
结构一 结构二
结构三 结构四
5、模型的选择及边界条件的确定 应用多相流中的欧拉模型；控制方程采用 RNG k-ε 模型；入口边界条件设置为
速度入口，出口边界条件设置为自由出流；由于入口两相中含夜体积分数极小，湍动 粘度影响远大于重力，固忽略重力的影响；湍流强度设置为 10%,水力直径为圆管内流 道截面直径。
6 模拟结果分析
学海无 涯 6.1 结构一的模拟
CFD第四章ppt课件
t x i u i x j t x j C 1 k G k C 2 k 2
2021/4/17
16
• 与标准 k 模型比较，RNG k 模型主要变
化是
（1）通过修正湍动黏度，考虑了平均流动中的 旋转及旋流流动情况；
（2）在 方程中增加了一项，从而反映了主流
的时均应变率 E ij ，这样，RNGk模型中
正应力进行某种数学约束。为了保证这种约束的实现，
系数不应是常数，而应与应变率联系起来。从而，提出
了Realizable k 模型。这里，Realizable有“可实现”
的意思。在Realizable k 模型中，关于 k 和 的
输运方程如下
tk x k iiu xj k t x k j G k
2021/4/17
12
4.4 k 两方程模型
4.4.1 标准 k 模型
• 在关于湍动能 k方程的基础上，再引入一个关于湍动耗 散率 的方程，便形成了两方程模型，称为标准k 模型（standard k model）。在模型中，表示湍动 耗散率（turbulent dissipation rate）的 被定义为
t
➢ 时均形式动量方程（雷诺时均方程 即Reynolds方程）
t u d u u i d v g i v r p x a u x d 2 u u y v u z w S u t v d v u i d v g i v r p y a u x d v v y v 2 v z w S v t w d w u i d v g i v r p z a u x d w w v y w w z 2 S w
tu i x j u iu j x p i x j x u i ju i u j S i
CFD技术介绍PPT课件
这样最佳地发挥了商用CFD软件开发人员和其它专业研究人员各
自的20智21/3力/7 优势，为解决实际工C程HE问NLI题开辟了道路。
2
2. CFD软件基本功能
CFD不仅可以预测流体流动性质，还可以得到传质（如分离和 溶解），传热（导热、对流和热辐射），相变（如凝固和沸腾）， 化学反映（如燃烧和污染物生成），机械运动（涡轮机），以及 相关结构的压力和变形（如风中桅杆的弯曲）等等性质。
使用CFD软件，至少基于以下三点：
❖通常很难模型化的系统，而CFD分析能够展示别的手段所不能揭 示的系统的性质和现象，因为CFD对你的设计提供很强的可视能 力；
❖一旦你给定你的问题的参量，CFD能够快速的给出你想要的结果； 这样你才有可能在很短的时间内调整你设计的问题的参数，得到 最好的优化结果；
❖采用CFD是一种十分经济的做法。由于它的开发周期短，因此能 节省大量的人力物力，使产品能更快的进入市场。
并生成结果数据；后处理过程通常是对生成的结果数据进行组织
和诠2释021/，3/7 一般以直观可视的图像CHE或NL动I 画形式给出来。
3
CFD处理工具有以下一些：
用 于 前 处 理 ： Gambit，T—grid ，GridPro，GridGen，ICEM CFD等。
用于计算分析： Fluend，FIDAP，POLYFLOW等。
随着计算机硬件和软件技术的发展和数值模拟计算方法的日趋
成熟，出现了基于现有流体力学理论的商用CFD软件。商用CFD
软件使许多不擅长CFD的其它专业研究人员能够轻松地进行流动
数值计算，从而使研究人员从编制繁杂、重复性的程序中解放出
来，以更多的精力投入到考虑所计算的流动问题的物理本质、问
工程流体力学的计算方法CFD基础课件
详细描述
云计算技术使得大规模CFD模拟成为 可能，同时提供了灵活的计算资源和 数据管理方式。未来，云计算技术将 进一步优化，以降低计算成本和提高 计算效率。
THANKS
CFX
工业标准的CFD软件
CFX是全球公认的工业标准的CFD软件之一，广泛应用于能源、化工、航空航天、汽车等领域。它具 有强大的求解器和先进的物理模型，能够模拟复杂的流体流动和传热问题，并提供丰富的后处理功能 。
OpenFOAM
开源CFD软件
OpenFOAM是一款开源的CFD软件，由C编写，具有高度的灵活性和可定制性。它提供了丰富的工具包和案例库，适用于各 种流体动力学模拟，包括复杂流动、传热、化学反应等问题。
粘性。
热传导
流体在温度梯度作用下会产生 热传导现象。
流体动力学基本方程
质量守恒方程
表示流体质量随时间的变化规律 。
动量守恒方程
表示流体动量随时间的变化规律。
能量守恒方程
表示流体能量随时间的变化规律。
流体流动的分类
层流流动
均匀流动和非均匀流动
流体质点仅沿流线方向作有规则的线 运动，互不混杂。
根据流动是否具有空间均匀性进行分 类。
06
CFD未来发展与挑战
高精度算法与求解器
总结词
随着计算能力的不断提升，高精度算法和求解器在 CFD领域的应用将更加广泛。
详细描述
高精度算法和求解器能够提供更精确的流场模拟结果 ，有助于更深入地理解流体动力学现象。未来，高精 度算法和求解器将进一步优化，以适应更复杂、更高 要求的CFD模拟。
多物理场耦合模拟
有限体积法的优点在于能够很好地处 理流体流动中的非线性特性和复杂边 界条件，因此在工程流体力学中得到 了广泛应用。
云计算技术使得大规模CFD模拟成为 可能，同时提供了灵活的计算资源和 数据管理方式。未来，云计算技术将 进一步优化，以降低计算成本和提高 计算效率。
THANKS
CFX
工业标准的CFD软件
CFX是全球公认的工业标准的CFD软件之一，广泛应用于能源、化工、航空航天、汽车等领域。它具 有强大的求解器和先进的物理模型，能够模拟复杂的流体流动和传热问题，并提供丰富的后处理功能 。
OpenFOAM
开源CFD软件
OpenFOAM是一款开源的CFD软件，由C编写，具有高度的灵活性和可定制性。它提供了丰富的工具包和案例库，适用于各 种流体动力学模拟，包括复杂流动、传热、化学反应等问题。
粘性。
热传导
流体在温度梯度作用下会产生 热传导现象。
流体动力学基本方程
质量守恒方程
表示流体质量随时间的变化规律 。
动量守恒方程
表示流体动量随时间的变化规律。
能量守恒方程
表示流体能量随时间的变化规律。
流体流动的分类
层流流动
均匀流动和非均匀流动
流体质点仅沿流线方向作有规则的线 运动，互不混杂。
根据流动是否具有空间均匀性进行分 类。
06
CFD未来发展与挑战
高精度算法与求解器
总结词
随着计算能力的不断提升，高精度算法和求解器在 CFD领域的应用将更加广泛。
详细描述
高精度算法和求解器能够提供更精确的流场模拟结果 ，有助于更深入地理解流体动力学现象。未来，高精 度算法和求解器将进一步优化，以适应更复杂、更高 要求的CFD模拟。
多物理场耦合模拟
有限体积法的优点在于能够很好地处 理流体流动中的非线性特性和复杂边 界条件，因此在工程流体力学中得到 了广泛应用。
用CFD对空调房间进行数值模拟
用CFD方法进行空调房间气流组织模拟
设计者： 易聪华 徐娓 指导教师：钱宇 陆恩锡
编辑ppt
1
前言
✓设计任务
✓设计方案
✓设计内容
模型建立
顶部送风
模拟结果与分析 底部送风
✓结论
侧面送风
✓体会
编辑ppt
2
设计任务
用CFD方法分别对采用传统送风方式和置换 通风方式的空调房间的气流组织进行模拟和 优化，得到不同情况下的温度场和速度场， 并进行比较。
编辑ppt
11
二、层高3米房间，置换通风方式（底送风）
2、温度场
Z为0.1米处温度场
Z为1.1米处温度场
Z为1.6米处温度场
编辑ppt
12
y为0.8米处温度场
二、层高3米房间，置换通风方式（底送风）
3、速度场
Y为0.8米处速度场
编辑ppt
X方向送风口处速度场
13
三、层高3米房间，置换通风方式（侧送风）
编辑ppt
4
设计内容（一） 模型建立
一、几何模型
房间尺寸：6m*3.3m*3m
编辑ppt
5
二、数学模型
在本设计中采用标准k－ε 模型，它经证明适用 于模拟室内气流流动这种高雷诺数的情况。
编辑ppt
6
三、控制方程
➢连续性方பைடு நூலகம்：
ui 0 xi
➢动量方程：
( u x iu jj) 1 x p j x j[v ( v t) ( x u i j u x ij) ]gT tze j
➢能量守恒方程：
( u xjT j ) xj[(k cpvt) x T j]q c vp
编辑ppt
7
设计者： 易聪华 徐娓 指导教师：钱宇 陆恩锡
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1
前言
✓设计任务
✓设计方案
✓设计内容
模型建立
顶部送风
模拟结果与分析 底部送风
✓结论
侧面送风
✓体会
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2
设计任务
用CFD方法分别对采用传统送风方式和置换 通风方式的空调房间的气流组织进行模拟和 优化，得到不同情况下的温度场和速度场， 并进行比较。
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11
二、层高3米房间，置换通风方式（底送风）
2、温度场
Z为0.1米处温度场
Z为1.1米处温度场
Z为1.6米处温度场
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12
y为0.8米处温度场
二、层高3米房间，置换通风方式（底送风）
3、速度场
Y为0.8米处速度场
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X方向送风口处速度场
13
三、层高3米房间，置换通风方式（侧送风）
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4
设计内容（一） 模型建立
一、几何模型
房间尺寸：6m*3.3m*3m
编辑ppt
5
二、数学模型
在本设计中采用标准k－ε 模型，它经证明适用 于模拟室内气流流动这种高雷诺数的情况。
编辑ppt
6
三、控制方程
➢连续性方பைடு நூலகம்：
ui 0 xi
➢动量方程：
( u x iu jj) 1 x p j x j[v ( v t) ( x u i j u x ij) ]gT tze j
➢能量守恒方程：
( u xjT j ) xj[(k cpvt) x T j]q c vp
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7
CFD数值模拟4
1D steady heat conduction
At surfaces w and e , Γw = and ΓA ΓA let finally we get Γe Ae φE − φP δxPE − Γw Aw φP − φW δxWP + (Su + SP φP ) = 0 (14) ΓW + ΓP ΓP + ΓE , Γe = 2 2 = Γe Ae
The general form of scalar quantity transport equation
Differential form: ∂ (ρφ) + div (ρφu) = div (Γgrad φ) + Sφ ∂t (2)
where φ is a scalar quantity like temperature, concentration, or even velocity components; div is divergence, same as ∇·; grad is gradient operator: div (ρu) = ∇ · (ρu) = grad φ = ∂ (ρu ) ∂ (ρv ) ∂ (ρw ) + + ∂x ∂y ∂z (3) (4)
Approximation of volume integrals
¯ Sφ dV = S φ V ≃ S φP V
V
(6)
Overview Intruduction to Finite Volume Methods FVM for difussion and convection Some applications
Overview Intruduction to Finite Volume Methods FVM for difussion and convection Some applications
CFD分析理论及应用技术PPT课件
流速，压力等
边界条件
边界条件 网格
网格 网格
网格
以网格上离散的值构建差分方程的方法称为差分格式，离散网格上的差分方程是连 续空间上的微分方程的近似。使用不同的差分格式，计算的精度、稳定性都有变化。
从上风获得网格的值 上风差分(UD)格式=Upwind Differencing 一阶精度
MARS格式=Monotone
供的常数。 ·然而标准k-e模型是一种高雷诺数的模型，RNG理论提供了一个考虑低雷诺数流动 粘性的解析公式。这些公式的效用依靠正确的对待近壁区域。这些特点使得RNG k-e 模型比标准k-e模型在更广泛的流动中有更高的可信度和精度。
.
7
带旋流修正的k-e模型（Realizable模型）
带旋流修正的 k-e 模型是近期才出现的，比起标准k-e 模型来有两个主要的不同 点。 ·带旋流修正的 k-e 模型为湍流粘性增加了一个公式。 ·为耗散率增加了新的传输方程，这个方程来源于一个为层流速度波动而作的精确 方程术语“realizable”，意味着模型要确保在雷诺压力中要有数学约束，湍流的 连续性。 带旋流修正的 k-e 模型直接的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更精确的 预测。而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好 的表现。带旋流修正的 k-e 模型和RNG k-e 模型都显现出比标准k-e 模型在强流 线弯曲、漩涡和旋转有更好的表现。 最初的研究表明带旋流修正的k-e 模型在所有k-e 模型中流动分离和复杂二次流有 很好的作用。 带旋流修正的 k-e 模型的一个不足是在主要计算旋转和静态流动区域时不能提供 自然的湍流粘度。这是因为带旋流修正的k-e 模型在定义湍流粘度时考虑了平均旋 度的影响。这种额外的旋转影响已经在单一旋转参考系中得到证实，而且表现要好 于标准k-e 模型。由于这些修改，把它应用于多重参考系统中需要注意。
CFD数值模拟(含Fluent)学习及培训课件
所有变量全场联立求解 部分变量全场联立求解 局部地区所有变量联立求解
分解式求解法
(segregated method)
涡量-流函数法 非原始变量法
涡量-速度法
压力修正法 原始变量法 解压力泊松方程法
人为压缩法
耦合式解法
❖ 求解过程
1）假定初始压力和速度等变量，确定离散方程的系数 及常数项等。
2）联立求解连续方程、动量方程、能量方程； 3）求解湍流方程及其他标量方程； 4）判断当前时间步上的计算是否收敛。若不收敛，返
回到第2）步，迭代计算；若收敛，重复上述步骤， 计算下一时间步的物理量。
耦合式解法(续)
❖特点
➢ 当计算中流体的密度、能量、动量等参数存在相 互依赖关系时，采用耦合解法具有很大优势。
➢ 其主要应用包括高速可压流动、有限速率反应模 型等。
➢ 所有变量全场联立求解应用较普遍，求解速度较 快，而局部对所有变量联立求解仅用于声变量动 态性极强的场合，如激波捕捉。
Fluent软件。
基于有限体积法式)只考虑控制方程中 的对流项和扩散项，有低阶离散格式和高阶离散格式。
❖ 低阶离散格式
❖ 高阶离散格式
➢ 中心差分格式； ➢ 一阶迎风格式； ➢ 混合格式(综合中心差分和迎风格式)； ➢ 指数格式； ➢ 乘方格式。
➢ 二阶迎风格式； ➢ QUICK格式； ➢ 改进的QUICK格式。
➢ 隐式时间积分方案
度)
全隐式时间积分方案( app a(n6p))np b
❖ 全隐式方案是无条件稳定的：即无论采用多长的时间步长，都不会出现解 的振荡。但是，由于该方案在时间区域上只具有一阶截差精度，因此需要 使用小的时间步长，以保证获得精度较高的解。由于算法健壮且绝对稳定， 全隐式方案在瞬态求解过程中，得到了最为广泛的应用。