CFD可压缩及不可压缩流体的解释
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。
流体动力学(CFD)分析
应力与应变率之间成线性关系的这种理论并不能足以解释很多流体 的流动，对于这种非牛顿流体，ANSYS程序提供了三中粘性模式 和一个用户自定义子程序。
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Intro-17
多组份传输分析
Objective
T-2. FLOTRAN 分析的种类
这种分析通常是用于研究有毒流体物质的稀释或大气中污染气体的 传播情况，同时，它也可用于研究有多种流体同时存在（但被固 体相互隔开）的热交换分析。
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Intro-24
二、使用FLOTRAN单元的一些限 制及注意事项
Objective
T2-2. FLOTRAN单元的特点
FLOTRAN单元的一些局限性： · · · · · 在同一次分析中不能改变求解的区域 单元不支持自由流面边界条件 ANSYS程序的某些特征不能同FLOTRAN单元一起使用 使用FLOTRAN单元时不能使用某些命令或菜单 当使用ANSYS的图形用户界面时，程序将只能显示那些在菜 单和对话框中的 FLOTRAN SetUp部分要求了的特征和选项。
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Intro-14
热分析
Objective
T-2. FLOTRAN 分析的种类
流体分析中通常还会求解流场中的温度分布情况。如果流体性质不 随温度而变，就可不解温度方程。在共轭传热问题中，要在同时 包含流体区域和非流体区域（即固体区域）的整个区域上求解温 度方程。在自然对流传热问题中，流体由于温度分布的不均匀性 而导致流体密度分布的不均匀性，从而引起流体的流动，与强迫 对流问题不同的是，自然对流通常都没有外部的流动源。
6、多组份传输分析ຫໍສະໝຸດ Page 2目录第二章
Guidelines
FLOTRAN分析基础
fluent中常见问题
1 对于刚接触到FLUENT新手来说，面对铺天盖地的学习资料和令人难读的FLUENT help，如何学习才能在最短的时间内入门并掌握基本学习方法呢？学习任何一个软件，对于每一个人来说，都存在入门的时期。
认真勤学是必须的，什么是最好的学习方法，我也不能妄加定论，在此，我愿意将我三年前入门FLUENT心得介绍一下，希望能给学习FLUENT的新手一点帮助。
由于当时我需要学习FLUENT来做毕业设计，老师给了我一本书，韩占忠的《FLUENT 流体工程仿真计算实例与应用》，当然，学这本书之前必须要有两个条件，第一，具有流体力学的基础，第二，有FLUENT安装软件可以应用。
然后就照着书上二维的计算例子，一个例子，一个步骤地去学习，然后学习三维，再针对具体你所遇到的项目进行针对性的计算。
不能急于求成，从前处理器GAMBIT，到通过FLUENT进行仿真，再到后处理，如TECPLOT，进行循序渐进的学习，坚持，效果是非常显著的。
如果身边有懂得FLUENT 的老师，那么遇到问题向老师请教是最有效的方法，碰到不懂的问题也可以上网或者查找相关书籍来得到答案。
另外我还有本《计算流体动力学分析》王福军的，两者结合起来学习效果更好。
2 CFD计算中涉及到的流体及流动的基本概念和术语：理想流体和粘性流体；牛顿流体和非牛顿流体；可压缩流体和不可压缩流体；层流和湍流；定常流动和非定常流动；亚音速与超音速流动；热传导和扩散等。
/dvbbs/viewFile.asp?BoardID=61&ID=1411A.理想流体（Ideal Fluid）和粘性流体（Viscous Fluid）：流体在静止时虽不能承受切应力，但在运动时，对相邻的两层流体间的相对运动，即相对滑动速度却是有抵抗的，这种抵抗力称为粘性应力。
流体所具备的这种抵抗两层流体相对滑动速度，或普遍说来抵抗变形的性质称为粘性。
粘性的大小依赖于流体的性质，并显著地随温度变化。
实验表明，粘性应力的大小与粘性及相对速度成正比。
CFD基本知识培训
静压云图
一、流体力学基本概念
8. 迹线和流线
z迹线：在一段时间内，流体质点在空间运动的轨迹线。
它给出一质点在不同时刻的速度方向。
S18_hotend气流迹线.avi
z流线：在同一时刻，不同流体质点组成的曲线。
它给出该时刻不同流体质点的速度方向。
计算流体动力学
壁面导热系数，对流传热系数，辐射换热系数
详细内容见分析报告）
结果分析（详细见分析报告）：
注：图中斜线（/）前的数值表示此处的体积流量L/s，斜线后的数值表示此处的体积流量占总体积流量的百分数。
图中红色箭头表示流动方向。
如表示此处的流体流量是62.6L/s，占总体积流量的100％。
CFD基础知识
流体力学基本概念1.连续介质模型无论是气体还是液体，甚至是固体，分子间都存在间隙。
对于液体而言，液体分子不仅在空间上分布不连续，而且在各个空间节点流体物理量相对于时间也不连续。
从宏观角度理解，流体的运动又表现出明显的确定性和连续性。
在流体力学中，用宏观的流体模型来替代有空隙的分子结构。
1753年欧拉首先采用连续介质作为流体模型，将流体看成无限多流体质点所组成的粘稠而无间隙的连续介质。
这就是连续介质模型。
2.流体的基本性质流体的可压缩性-------流体的体积能够随着压力的增加而减小。
可以分为可压缩流体和不可压缩流体。
流体的膨胀性--------流体的体积随着温度的升高而增大。
一般来说，液体的膨胀系数很小，在工程运用中不考虑液体的膨胀性。
流体的黏性-------在作相对运动的两流体层的接触面上，存在着一对等值且反向的力阻碍两相邻流体层的相对运动的性质。
黏性较小是可以看做理想流体，要考虑黏性的流体称为黏性流体。
流体的导热性--------当流体内部或者流体与其他介质之间存在温差时，温度高的地方与温度低得地方存在热量的传递。
与壁面主要通过热传导传递，而层流以外的地方以热对流的形式传导。
热传导满足傅里叶导热定律，热对流按经验公式计算。
3.作用在流体上的力主要有质量力和表面力。
质量力指作用在体积V内每一液体质量上的非接触力，其大小与流体质量成正比。
表面力指作用在所取流体表面上的力，它是接触的，直接的力，产生了静压。
4.流体分析基础采用拉格朗日法和欧拉法。
拉格朗日法从分析流体的各个质点的运动入手，来研究整个流体的运动。
欧拉法从分析流体所占据的空间中各固定点处的流体运动入手，来研究整个流体的运动。
定常流和非定常流。
主要区分在质点的流动参数是否随时间的变化而改变。
人们常用迹线或流线来描述流场。
5.流体运动的基本概念层流和紊流，有旋流和无旋流，声速和马赫数，膨胀波和激波。
6.流体流动及换热的基本控制方程7.边界层理论。
学习fluent (流体常识及软件计算参数设置)
luent中一些问题----(目录)1 如何入门2 CFD计算中涉及到的流体及流动的基本概念和术语理想流体（Ideal Fluid）和粘性流体（Viscous Fluid）牛顿流体（Newtonian Fluid）和非牛顿流体（non-Newtonian Fluid）可压缩流体（Compressible Fluid）和不可压缩流体（Incompressible Fluid）层流（Laminar Flow）和湍流（Turbulent Flow）定常流动（Steady Flow）和非定常流动（Unsteady Flow）亚音速流动(Subsonic)与超音速流动（Supersonic）热传导（Heat Transfer）及扩散（Diffusion）3 在数值模拟过程中，离散化的目的是什么如何对计算区域进行离散化离散化时通常使用哪些网格如何对控制方程进行离散离散化常用的方法有哪些它们有什么不同离散化的目的计算区域的离散及通常使用的网格控制方程的离散及其方法各种离散化方法的区别4 常见离散格式的性能的对比（稳定性、精度和经济性）5 流场数值计算的目的是什么主要方法有哪些其基本思路是什么各自的适用范围是什么6 可压缩流动和不可压缩流动，在数值解法上各有何特点为何不可压缩流动在求解时反而比可压缩流动有更多的困难可压缩Euler及Navier-Stokes方程数值解不可压缩Navier-Stokes方程求解7 什么叫边界条件有何物理意义它与初始条件有什么关系8 在数值计算中，偏微分方程的双曲型方程、椭圆型方程、抛物型方程有什么区别9 在网格生成技术中，什么叫贴体坐标系什么叫网格独立解10 在GAMBIT中显示的“check”主要通过哪几种来判断其网格的质量及其在做网格时大致注意到哪些细节11 在两个面的交界线上如果出现网格间距不同的情况时，即两块网格不连续时，怎么样克服这种情况呢12 在设置GAMBIT边界层类型时需要注意的几个问题：a、没有定义的边界线如何处理b、计算域内的内部边界如何处理（2D）13 为何在划分网格后，还要指定边界类型和区域类型常用的边界类型和区域类型有哪些14 20 何为流体区域（fluid zone）和固体区域（solid zone）为什么要使用区域的概念FLUENT是怎样使用区域的15 21 如何监视FLUENT的计算结果如何判断计算是否收敛在FLUENT中收敛准则是如何定义的分析计算收敛性的各控制参数，并说明如何选择和设置这些参数解决不收敛问题通常的几个解决方法是什么16 22 什么叫松弛因子松弛因子对计算结果有什么样的影响它对计算的收敛情况又有什么样的影响17 23 在FLUENT运行过程中，经常会出现“turbulence viscous rate”超过了极限值，此时如何解决而这里的极限值指的是什么值修正后它对计算结果有何影响18 24 在FLUENT运行计算时，为什么有时候总是出现“reversed flow”其具体意义是什么有没有办法避免如果一直这样显示，它对最终的计算结果有什么样的影响26 什么叫问题的初始化在FLUENT中初始化的方法对计算结果有什么样的影响初始化中的“patch”怎么理解27 什么叫PDF方法FLUENT中模拟煤粉燃烧的方法有哪些30 FLUENT运行过程中，出现残差曲线震荡是怎么回事如何解决残差震荡的问题残差震荡对计算收敛性和计算结果有什么影响31数值模拟过程中，什么情况下出现伪扩散的情况以及对于伪扩散在数值模拟过程中如何避免32 FLUENT轮廓（contour）显示过程中，有时候标准轮廓线显示通常不能精确地显示其细节，特别是对于封闭的3D物体（如柱体），其原因是什么如何解决33 如果采用非稳态计算完毕后，如何才能更形象地显示出动态的效果图34 在FLUENT的学习过程中，通常会涉及几个压力的概念，比如压力是相对值还是绝对值参考压力有何作用如何设置和利用它35 在FLUENT结果的后处理过程中，如何将美观漂亮的定性分析的效果图和定量分析示意图插入到论文中来说明问题36 在DPM模型中，粒子轨迹能表示粒子在计算域内的行程，如何显示单一粒径粒子的轨道（如20微米的粒子）37 在FLUENT定义速度入口时，速度入口的适用范围是什么湍流参数的定义方法有哪些各自有什么不同38 在计算完成后，如何显示某一断面上的温度值如何得到速度矢量图如何得到流线39 分离式求解器和耦合式求解器的适用场合是什么分析两种求解器在计算效率与精度方面的区别43 FLUENT中常用的文件格式类型：dbs，msh，cas，dat，trn，jou，profile等有什么用处44 在计算区域内的某一个面（2D）或一个体（3D）内定义体积热源或组分质量源。
(完整版)学习fluent(流体常识及软件计算参数设置)
luent中一些问题----(目录)1 如何入门2 CFD计算中涉及到的流体及流动的基本概念和术语2.1 理想流体（Ideal Fluid）和粘性流体（Viscous Fluid）2.2 牛顿流体（Newtonian Fluid）和非牛顿流体（non-Newtonian Fluid）2.3 可压缩流体（Compressible Fluid）和不可压缩流体（Incompressible Fluid）2.4 层流（Laminar Flow）和湍流（Turbulent Flow）2.5 定常流动（Steady Flow）和非定常流动（Unsteady Flow）2.6 亚音速流动(Subsonic)与超音速流动（Supersonic）2.7 热传导（Heat Transfer）及扩散（Diffusion）3 在数值模拟过程中，离散化的目的是什么？如何对计算区域进行离散化？离散化时通常使用哪些网格？如何对控制方程进行离散？离散化常用的方法有哪些？它们有什么不同？3.1 离散化的目的3.2 计算区域的离散及通常使用的网格3.3 控制方程的离散及其方法3.4 各种离散化方法的区别4 常见离散格式的性能的对比（稳定性、精度和经济性）5 流场数值计算的目的是什么？主要方法有哪些？其基本思路是什么？各自的适用范围是什么？6 可压缩流动和不可压缩流动，在数值解法上各有何特点？为何不可压缩流动在求解时反而比可压缩流动有更多的困难？6.1 可压缩Euler及Navier-Stokes方程数值解6.2 不可压缩Navier-Stokes方程求解7 什么叫边界条件？有何物理意义？它与初始条件有什么关系？8 在数值计算中，偏微分方程的双曲型方程、椭圆型方程、抛物型方程有什么区别？9 在网格生成技术中，什么叫贴体坐标系？什么叫网格独立解？10 在GAMBIT中显示的“check”主要通过哪几种来判断其网格的质量？及其在做网格时大致注意到哪些细节？11 在两个面的交界线上如果出现网格间距不同的情况时，即两块网格不连续时，怎么样克服这种情况呢？12 在设置GAMBIT边界层类型时需要注意的几个问题：a、没有定义的边界线如何处理？b、计算域内的内部边界如何处理（2D）？13 为何在划分网格后，还要指定边界类型和区域类型？常用的边界类型和区域类型有哪些？14 20 何为流体区域（fluid zone）和固体区域（solid zone）？为什么要使用区域的概念？FLUENT是怎样使用区域的？15 21 如何监视FLUENT的计算结果？如何判断计算是否收敛？在FLUENT中收敛准则是如何定义的？分析计算收敛性的各控制参数，并说明如何选择和设置这些参数？解决不收敛问题通常的几个解决方法是什么？16 22 什么叫松弛因子？松弛因子对计算结果有什么样的影响？它对计算的收敛情况又有什么样的影响？17 23 在FLUENT运行过程中，经常会出现“turbulence viscous rate”超过了极限值，此时如何解决？而这里的极限值指的是什么值？修正后它对计算结果有何影响18 24 在FLUENT运行计算时，为什么有时候总是出现“reversed flow”？其具体意义是什么？有没有办法避免？如果一直这样显示，它对最终的计算结果有什么样的影响26 什么叫问题的初始化？在FLUENT中初始化的方法对计算结果有什么样的影响？初始化中的“patch”怎么理解？27 什么叫PDF方法？FLUENT中模拟煤粉燃烧的方法有哪些？30 FLUENT运行过程中，出现残差曲线震荡是怎么回事？如何解决残差震荡的问题？残差震荡对计算收敛性和计算结果有什么影响？31数值模拟过程中，什么情况下出现伪扩散的情况？以及对于伪扩散在数值模拟过程中如何避免？32 FLUENT轮廓（contour）显示过程中，有时候标准轮廓线显示通常不能精确地显示其细节，特别是对于封闭的3D物体（如柱体），其原因是什么？如何解决？33 如果采用非稳态计算完毕后，如何才能更形象地显示出动态的效果图？34 在FLUENT的学习过程中，通常会涉及几个压力的概念，比如压力是相对值还是绝对值？参考压力有何作用？如何设置和利用它？35 在FLUENT结果的后处理过程中，如何将美观漂亮的定性分析的效果图和定量分析示意图插入到论文中来说明问题？36 在DPM模型中，粒子轨迹能表示粒子在计算域内的行程，如何显示单一粒径粒子的轨道（如20微米的粒子）？37 在FLUENT定义速度入口时，速度入口的适用范围是什么？湍流参数的定义方法有哪些？各自有什么不同？38 在计算完成后，如何显示某一断面上的温度值？如何得到速度矢量图？如何得到流线？39 分离式求解器和耦合式求解器的适用场合是什么？分析两种求解器在计算效率与精度方面的区别43 FLUENT中常用的文件格式类型：dbs，msh，cas，dat，trn，jou，profile等有什么用处？44 在计算区域内的某一个面（2D）或一个体（3D）内定义体积热源或组分质量源。
什么是CFD
什么是CFD作者: 来源: 发布日期:2005-4-10 点击次数: 1665什么是CFD？简单地说，CFD就是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术，这其中将涉及流体力学（尤其是湍流力学）、计算方法乃至计算机图形处理等技术。
因问题的不同，CFD技术也会有所差别，如可压缩气体的亚音速流动、不可压缩气体的低速流动等。
对于暖通空调领域内的流动问题，多为低速流动，流速在10m/s以下；流体温度或密度变化不大，故可将其看作不可压缩流动，不必考虑可压缩流体高速流动下的激波等复杂现象。
从此角度而言，此应用范围内的CFD和数值传热学NHT（Numerical Heat Transfer）等同。
另外，暖通空调领域内的流体流动多为湍流流动，这又给解决实际问题带来很大的困难。
由于湍流现象至今没有完全得到解决，目前HVAC内的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解决。
总体而言，CFD通常包含如下几个主要环节：建立数学物理模型、数值算法求解、结果可视化。
可表述为图1所示的过程：图1 CFD的过程示意3.1 建立数学物理模型建立数学物理模型是对所研究的流动问题进行数学描述，对于暖通空调工程领域的流动问题而言，通常是不可压流体的粘性流体流动的控制微分方程。
另外，由于暖通空调领域的流体流动基本为湍流流动，所以要结合湍流模型才能构成对所关心问题的完整描述，便于数值求解。
如下式为粘性流体流动的通用控制微分方程，随着其中的变量f 的不同，如f 代表速度、焓以及湍流参数等物理量时，上式代表流体流动的动量守恒方程、能量守恒方程以及湍流动能和湍流动能耗散率方程。
基于该方程，即可求解工程中关心的流场速度、温度、浓度等物理量分布。
(1)3.2 数值算法求解上述的各微分方程相互耦合，具有很强的非线性特征，目前只能利用数值方法进行求解。
这就需要对实际问题的求解区域进行离散。
数值方法中常用的离散形式有：有限容积，有限差分，有限元。
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1、可压缩/ 不可压缩流体的概念
不可压缩流体压缩性是流体的基本属性。
任何流体都是可以压缩的，只不过可压缩的程度不同而已。
液体的压缩性都很小，随着压强和温度的变化，液体的密度仅有微小的变化，在大多数情况下，可以忽略压缩性的影响，认为液体的密度是一个常数。
dP/dT=0的流体称为不可压缩流体，而密度为常数的流体称为不可压均质流体。
气体的压缩性都很大。
从热力学中可知，当温度不变时，完全气体的体积与压强成反比，压强增加一倍，体积减小为原来的一半；当压强不变时，温度升高1℃体积就比0℃时的体积膨胀1/273。
所以，通常把气体看成是可压缩流体，即它的密度不能作为常数，而是随压强和温度的变化而变化的。
我们把密度随温度和压强变化的流体称为可压缩流体。
2、特例
把液体看作是不可压缩流体，气体看作是可压缩流体，都不是绝对的。
在实际工程中，要不要考虑流体的压缩性，要视具体情况而定。
例如，研究管道中水击和水下爆炸时，水的压强变化较大，而且变化过程非常迅速，这时水的密度变化就不可忽略，即要考虑水的压缩性，把水当作可压缩流体来处理。
又如，在锅炉尾部烟道和通风管道中，气体在整个流动过程中，压强和温度的变化都很小，其密度变化很小，可作为不可压缩流体处理。
再如，当气体对物体流动的相对速度比声速要小得多时，气体的密度变化也很小，可以近似地看成是常数，也可当作不可压缩流体处理。
3、维基百科中的解释
在连续介质力学里，不可压缩流是流速的散度等于零的流动，更精确地称为等容流。
这理想流动可以用来简化理论分析。
实际而言，所有的物质多多少少都是可压缩的。
请注意“等容”这术语指的是流动性质，不是物质性质；意思是说，在某种状况，一个可压缩流体会有不可压缩流的动作。
由于做了不可压缩这假设，物质流动的主导方程能够极大地简化。
4、应用
1、在一般情况下，液体的可压缩性可以忽略，建立不可压缩流体模型（ρ=常数）。
2、在常温常压下气体作低速流动时（v< 100 m/s ），气体密度的相对变化小于5％,也可按不可压缩流体处理（液体和气体压缩性比较）。
当气体作高速流动时（V>100m/s ），要考虑其密度变化带来的影响，称之为可压缩流体。