计算流体力学(CFD)概论

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CFD-基-础(流体力学)

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CFD课件

计算流体力学CFD课件

V
dV
0
空间位置固定的无穷小微团模型 V 0 t
随流体运动的无穷小微团模型
方程不同形式之间的转换
空间位置固定的有限控制体模型 tV dVSVdS0
空间位置固定的无穷小微团模型 V 0 t
方程不同形式之间的转换
空间位置固定的无穷小微团模型 V 0 t
随流体运动的无穷小微团模型
流动控制方程经常用物质导数来表达。
物质导数(运动流体微团的时间变化率)
采用流体微团模型来理解物质导数的概念:
沿流线运动的无穷小 流体微团,其速度等 于流线上每一点的当
物质导数(运动流体微团的时间变化率)
流体微团在流场中的运动-物质导数的示意图
物质导数(运动流体微团的时间变化率)
考虑非定常流动:
随流体运动的无穷小微团模型
动量方程
作用在流体微团上的体 积力的X方向分量=
fxdxdydz
随流体运动的无穷小微团模型
动量方程
作用在流体微 团上的X方向的 压力=
动量方程
作用在流体微 团上的X方向的 正应力=
动量方程
作用在流体微 团上的X方向的 切应力=
动量方程
作用在流体微 团上的X方向总 的表面力=
t

txuyv zw0
空间位置固定的无穷 小微团模型
空间位置固定的无穷小微团模型
连续性方程:
txuyv zw0

V0
t
空间位置固定的无穷 小微团模型
随流体运动的无穷小微团模型
随流体运动的无穷小微团模型
连续性方程 流体微团的质量:
质量守恒定律
随流体运动的无穷小 微团模型
随流体运动的无穷小微团模型
流体微团在流场中的 运动-物质导数的示 意图

机电一体化系统设计第三章计算流体力学(CFD)简介

机电一体化系统设计第三章计算流体力学(CFD)简介

4
数值求解
基于离散和数值方法求解Navier-Stokes方程组。
5
后处理
分析和可视化模拟结果,评估流体行为和性能。
CFD工具的选择和使用
商业软件
流行的商业CFD软件包,如ANSYS Fluent和OpenFOAM。
开源软件
开放源代码的CFD软件,如SU2和OpenFOAM。
使用技巧
合理选择工具,灵活使用模拟参数和求解方法,优化模型和网格。
机电一体化系统设计第三 章计算流体力学(CFD)简 介
本章介绍机电一体化系统设计第三章,包括计算流体力学的定义、应用范围、 模拟步骤、工具选择和使用、分析的意义和价值,以及CFD的未来发展趋势。
计算流体力学的定义
计算流体力学(CFD)是一种利用数值方法进行流体动力学问题求解的数值 模拟技术。它可以模拟流体的流动行为和相应的物理现象。
CFD的应用范围
CFD广泛应用于工程领域,如航空航天、汽车、能源、建筑等。它可以用于 流体流动分析、热传递和传质分析、气动性能仿真等方面。
CFD模拟的步骤
1
几何建模
使用CAD软件创建物体的几何模型。
2
网格划分
将几何模型划分为小的有限体积或有限元网。
3
物理建模
定义边界条件和流体参数,如速度、压力和温度。
CFD分析的意义和价值
1 性能评估
通过模拟和分析,可以评估设计的性能并提出改进意见。
2 节省成本
CFD分析可以在实际制造前模拟和优化设计,以降低产品开发和测试的成本。
3 提高效率
通过CFD优化流体系统,可以提高流体传输效率和能源利用效率。
CFD的未来发展趋势
CFD在大数据、人工智能和高性能计算的支持下,将在精度、效率和应用范 围上都取得更大突破。同时,深度学习和自动化技术将进一步改进CFD模拟 和预测的准确性。

CFD

CFD

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9
•第二,工业应用阶段(1975~1984年)
随着数值预测、原理、方法的不断完善,关键的问题是如何得到工业界的 认可,如何在工业设计中得到应用,因此,该阶段的主要研究内容是探讨 CFD在解决实际工程问题中的可行性、可靠性及工业化推广应用。 同时,CFD技术开始向各种以流动为基础的工程问题方向发展,如气固、 液固多相流、非牛顿流、化学反应流、煤粉燃烧等。但是,这些研究都需要 建立在具有非常专业的研究队伍的基础上,软件没有互换性,自己开发,自 己使用,新使用的人通常需要花相当大的精力去阅读前人开发的程序,理解 程序设计意图,改进和使用。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,因此,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, 但是,在当时,该软件使用起来比较困难,软件的推广并没有达到预期的效 果。我国80年代初期,随着与国外交流的发展,科学院、部分高校开始兴起 CFD的研究热潮。
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四、CFD的基本原理
任何流体运动的规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定 律为基础的。这些基本定律可由数学方程组来描述,计算流体力学可以看 做是在流动基本方程,控制对流体的数值仿真模拟。
通过这些数值模拟,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,以及这些量随时间 变化的情况,确定是否产生涡流,涡流分布特性及脱流区域等。 计算流体力学以理论流体力学和计算数学为基础,是这两门学科的交叉 学科。主要研究把描述流体运动的连续介质数学模型离散成大型代数方程, 建立可在计算机上求解的算法。 CFD 包括对各种类型的流体(气体、液体及特殊情况下的固体),在 各种速度范围内的复杂流动在计算机上进行数值模拟的计算。它涉及用计 算机寻求流动问题的解和流体动力学研究中计算机的应用两方面问题。计 算机科学及超级计算机的发展为CFD技术的发展提供了舞台。

机电一体化系统设计第三章 计算流体力学(CFD)简介

机电一体化系统设计第三章 计算流体力学(CFD)简介


求解器设置


动量 能量
状态方程 所支持的计算模型
紊流 燃烧 辐射 多相流 相转换 动区域 动网格

后处理

选择材料 边界条件 初始条件
FLUENT-通用CFD软件
Fluent基本步骤
问题的鉴定及预处理
定义你所需要的模型 确定即将模拟的区域 设计并创建网格
求解
建立数学模型 计算并监控
t(s)
Ma=0.8的均匀场内静止点声源的声辐射,观察 者位置(100m,0m,0m)
FLUENT-通用CFD软件
矢量图:直接给出二维或三维空间里矢量(如 速度)的方向及大小,一般用不同颜色和长度 的箭头表示速度矢量。矢量图能形象地显示流 动特征
某离心叶轮近轮盖处的速度分布
FLUENT-通用CFD软件
CFD算例
开度100%
压力分布
开度50%
开度10%
CFD算例
Frame 001 13 Dec 2004
压力分布
开度100%
Frame 001 10 Dec 2004
130
120
Volume Flow Rate(m3/h)
110
100
90 85
controlvalve 100%open
Frame 001 22 Feb 2005 title
Y
CFD算例
10.418 9.72344 9.02891 8.33438 7.63984 6.94531 6.25078 5.55625 4.86172 4.16719 3.47266 2.77813 2.08359 1.38906 0.694531
dxdydz v ndA 0 t V A

第13章 计算流体力学CFD(3)PPT课件

第13章 计算流体力学CFD(3)PPT课件
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误差与稳定性分析
根据von Neumann(冯诺伊曼)稳定性分析方法,设 误差随空间和时间符合如下Fourier级数分布: 则
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误差与稳定性分析
稳定性要求
故放大因子
G eat 1
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误差与稳定性分析
下面采用von Neumann(冯诺伊曼)稳定性分析方法 分析如下差分方程的稳定性:
由于误差也满足差分方程,故有
90
误差与稳定性分析
A=偏微分方程的精确解(解析解)
D=差分方程的精确解 离散误差=A-D
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误差与稳定性分析
D=差分方程的精确解 N=在某个有限精度的计算机上实际计算出来的解
(数值解) 舍入误差==N-D
N=D+
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误差与稳定性分析
数值解N=精确解D+误差 数值解N满足差分方程,于是有
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误差与稳定性分析
在网格点3: 在网格点4: 在网格点5:
A,B,Ki 均为已知量
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隐式方法
在网格点6:
A,B,Ki 均为已知量
T7 为边界条件,已知量
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隐式方法
于是有关于T2,T3,T4,T5, T6这五个未知数的五个方程
A,B,Ki 均为已知量
80
隐式方法
写成矩阵形式:
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隐式方法
系数矩阵是一个三对角矩阵,仅在三条对角线上有非 零元素。 求解线性代数方程组的标准方法是高斯消去法。应用 于三对角方程组,通常采用托马斯算法(国内称为追 赶法)求解。
113
22
有限差分基础
对Y方向的二阶导数有:
二阶中心差分(关于Y方向二阶导数)
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有限差分基础

计算流体动力学概述

计算流体动力学概述

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。

工程流体力学的计算方法CFD基础课件

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。
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1. INTRODUCTION
What is CFD?
Computational fluid dynamics (CFD):
CFD is the analysis, by means of computer-based simulations, of systems involving fluid flow, heat transfer and associated phenomena such as chemical reactions.
Smooth wall
20D
An example (cont.)
Development of the mathematical model (cont.)
Turbulence model
Initially, a standard 2-eq k-ε turbulence model is chosen for use. Later, to improve simulation of the transition, separation & stagnation region,
Development of the physical model
After a few meetings with the company, we have finally agreed on a specification of the problem (It defines the physical model of the problem to be solved):
• Tidal current: 10 to 20m/s • Waves (unsteady): -5m/s to +5m/s
Depth of sea: 500m ~ 1000m
• Diameters: 150~200mm • Gap above sea bed: 10mm
An example (cont.)
Mesh generation Discretization of the governing equations Solution of discretized equations Post processing Interpretation of the results
An example
Development of the mathematical model
Governing equations
Equations: momentum, thermal (x), multiphase (x), … Phase 1: 2D, steady; Phase 2: unsteady, …, The flow is turbulent!
we would like to consider using a RNG or a low-Re model
Mesh generation
Finer mesh near the wall but not too close to wall Finer mesh behind the pipe
Numerical methods Finite difference discretization Finite volume discretization Solution of linear equation systems Solution of the N-S equations
Initiation of the problem
DP Offshore Ltd is keen to know what (forces ) caused the damage they recently experienced with their offshore pipelines.
Why CFD?
Continuity and Navier-Stokes equations for
incompressible fluids:
∂u + ∂v + ∂w = 0 ∂x ∂y ∂z
ρ⎛⎜

∂u ∂t
+
u
∂u ∂x
+
v
∂u ∂y
+
w
∂u ∂z
⎞ ⎟ ⎠
=

∂P ∂x
+
ρgx
+

μ⎜
Objectives
The course aims to convey the following information/ message to the students:
What is CFD
The main issues involved in CFD, including those of
=
U
0
⎜⎛ ⎝
y R
⎟⎞1 / n ⎠
Or u + = 2.5 ln y + + 5.5
Important conclusion: There is no analytical solution even for a very simple application, such as, a turbulent flow in a pipe.
An example (cont.)
Discretization of the equations
Start with 1st order upwind, for easy convergence Consider to use QUICK for velocities, later. There is no reason for not using the default SIMPLER for pressure.
Properties of numerical solution methods (consistency, stability, convergence, etc)
4. Finite difference methods 5. Finite volume methods 6. Solution of linear equation systems 7. Methods for unsteady problems 8. Solution of the N-S equations
Outline of the course
1. Introduction
What is CFD What can & cannot CFD do What does CFD involve … CFD applications
2. Governing equations and classification of fluid flows
Boundary conditions
Decide the computational domain Specify bounБайду номын сангаасary conditions
Inlet: Flat inlet profiles V=25m/s Turbulence=5%
10D
Symmetry Flow
10D Outlet: fully developed zero gradient
=

∂P ∂z
+
ρgz
+

μ⎜

∂ 2w ∂x 2
+
∂ 2w ∂y 2
+

2
w
⎞ ⎟
∂z2 ⎠
Why CFD? (cont.)
Flow in a pipe
• For laminar flow:
U
=
U
0
⎡ ⎢1 ⎢⎣

⎜⎛ ⎝
r R
⎟⎞2
⎤ ⎥
⎠ ⎥⎦
• For turbulent flow:
? U

∂ 2u ∂x2
+
∂ 2u ∂y2
+

2u
⎞ ⎟
∂z2 ⎠

ρ⎝⎜
∂v ∂t
+u
∂v ∂x
+v
∂v ∂y
+
w
∂v ∂z
⎞ ⎟ ⎠
=

∂P ∂y
+
ρg y
+
μ
⎛ ⎝⎜⎜
∂ 2v ∂x 2
+
∂ 2v ∂y 2
+
∂ 2v ∂z 2
⎞ ⎠⎟⎟
ρ⎛⎜

∂w ∂t
+
u
∂w ∂x
+
v
∂w ∂y
+
w
∂w ⎞
∂z
⎟ ⎠
difference. Iteration Start iteration Failed Plot velocity or other variable to assist identifying the reason(s) Potential changes in: relaxation factors, mesh, initial guess, numerical schemes, etc. Converged solution Eventually, solution converged.
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
Han Chen (陈 瀚) Department of Mechanics School of Civil Engineering & Mechanics Huazhong University of Science and Technology
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