计算流体动力学剖析
计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用_王福军--阅读笔记
计算流体动力学(简称CFD)是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型独立学科，通过计算机数值计算和图像显示的方法，在时间和空间上定量描述流场的数值解，从而达到对物理问题研究的目的。
它兼有理论性和实践性的双重特点。
第一章节流体流动现象大量存在于自然界及多种工程领域中，所有这些过程都受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律的支配。
本章向读者介绍这些守恒定律的数学表达式，在此基础上提出数值求解这些基本方程的思想，阐述计算流体力学的任务及相关基础知识，最后简要介绍目前常用的计算流体动力学商用软件。
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、动量守恒方程、能量守恒方程)控制卜对流动的数值模拟。
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。
1.1.2计算流体动力学的工作步骤采用CFD的方法对流体流动进行数值模拟，通常包括如下步骤:(1)建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。
具体地说就是要建立反映问题各个量之间关系的微分方程及相应的定解条件，这是数值模拟的出发点。
没有正确完善的数学模型，数值模拟就毫无意义。
流体的基本控制方程通常包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，以及这些方程相应的定解条件。
基于计算流体力学的流体动力学研究
基于计算流体力学的流体动力学研究流体力学是研究流体运动规律和性质的学科，而计算流体力学则是利用计算机模拟流体运动的一种方法。
基于计算流体力学的流体动力学研究，通过数值模拟和计算来研究流体在不同条件下的运动特性和力学行为，具有广泛的应用领域和重要的理论价值。
首先，基于计算流体力学的流体动力学研究在工程领域具有重要意义。
例如，飞机、汽车、船舶等交通工具的设计与优化，都需要对流体在复杂流动条件下的力学行为进行研究。
通过计算流体力学的方法，可以模拟流体在不同速度、温度、压力等条件下的流动情况，进而预测和优化工程设计。
这种研究方法可以有效地提高交通工具的性能和安全性，减少能源消耗和环境污染。
其次，基于计算流体力学的流体动力学研究对于环境保护和资源利用也具有重要意义。
例如，研究河流、海洋和大气等自然环境中的流体运动规律，可以帮助我们更好地理解和预测自然灾害的发生机制，提高对洪水、风暴潮等灾害的防范能力。
同时，通过模拟和计算，可以研究水资源的分布和利用情况，优化水资源的调度和管理，提高水资源的利用效率和保护水环境的能力。
此外，基于计算流体力学的流体动力学研究在生物医学领域也有广泛的应用。
例如，研究血液在血管中的流动规律，可以帮助我们更好地理解心血管疾病的发生机制，提高对心血管疾病的预防和治疗能力。
同时，通过计算流体力学的方法，可以模拟和优化人体内部的流体运动，如呼吸、消化等过程，为生物医学工程的发展提供理论基础和技术支持。
基于计算流体力学的流体动力学研究还有很多其他的应用领域，如能源、化工、材料等。
例如，研究流体在燃烧室中的流动和燃烧过程，可以提高燃烧效率和减少污染物的排放；研究流体在管道中的输送过程，可以优化管道的设计和运行，提高输送效率和安全性。
这些研究不仅有助于推动相关领域的发展，也为解决能源和环境问题提供了新的思路和方法。
总之，基于计算流体力学的流体动力学研究在工程、环境、生物医学等领域具有广泛的应用和重要的理论价值。
计算流体力学在油气管道中的应用分析
计算流体力学在油气管道中的应用分析随着世界经济的迅速发展，油气资源的需求也在不断增加。
然而，油气资源的开发和运输也存在一定的难点和风险。
其中，在油气管道中的流体动力学问题是一个十分重要的问题。
如何预测管道内的流体流动情况，调控流速，降低风险成为了一个亟待解决的问题。
而计算流体力学（CFD）这一技术则为管道的设计、优化和安全控制提供了重要的技术支持。
一、计算流体力学：管道内流体运动的全方位预测分析计算流体力学是一种数值模拟技术，可以对液体、气体等在流动过程中的物理现象进行数值求解、分析、预测和优化设计。
在油气管道中，CFD技术可以对管道内流体的速度、压力、温度等运动状态进行模拟计算，预测管道内液体或气体的流动状态和流速，确保油气资源的顺畅运输。
同时，可以通过CFD技术对管道的结构、材料及安装方式进行优化设计和改进，提高管道的安全性和运输效率。
二、油气管道中流体动力学问题分析油气管道中的流体动力学问题主要涉及以下几个方面：1. 管道内压力和流速的不均匀分布：由于管道内液体或气体的流动不一定完全均匀，会导致管道内压力和流速分布的不均匀，进而影响管道的运输效率和安全性。
2. 液体或气体在管道内的摩擦和热交换：管道内的液体或气体在长距离的运输过程中会产生一定的阻力和摩擦力，同时还会有一定的热交换现象。
这些现象会影响管道内流体的温度、压力和流速，进而对管道产生一定的影响。
3. 管道内的振动和噪音：油气管道在长时间的运输过程中，由于流体的摩擦和振动等因素，会产生一定的振动和噪音。
这些现象会对管道的结构造成损伤和磨损，影响管道的安全性和运输效率。
三、 CFD技术在油气管道中的应用CFD技术已经成为油气管道设计和优化的重要工具。
例如，在油气输送管道的设计和建设中，CFD技术可以对管道内流体的动力学行为进行预测和模拟，为设计和实施提供科学依据。
在管道的运维和安全控制中，CFD技术可以对管道内流体的温度、压力和流速等参数进行监测和分析，实时反馈管道的运行状况，预测可能发生的事故，确保管道的安全和稳定运行。
《计算流体动力学分析——cfd软件原理与应用》
《计算流体动力学分析——cfd软件原理与应用》计算流体动力学分析（CFD）是一种强大的工程分析技术，用于分析非稳定流体流动场景下复杂性和多相性之间关系。
CFD软件是现代工程仿真的基石，它可以帮助快速分析复杂的物理现象，以及快速预测决策的影响。
本文旨在简要介绍CFD软件的原理和应用。
首先，CFD软件的原理是根据流体动力学模型设计的，它允许对流体系统的物理特性进行数值模拟。
根据基础的流体动力学原理，CFD 软件可以计算湍流和边界层流中的流动特性，包括速度、温度、压力和流场分布。
这些参数是必要的，因为它们可以提供有关流体流动、传热、传质和传播的信息，从而帮助分析工程系统的性能和稳定性。
CFD软件的另一个特点是模拟流体多相性的能力。
这种能力使用多相流体模型将非湍流流动和混合多相流动分别结合起来，以实现非常精确的分析。
例如，盐水混合流体和燃料添加剂混合流体，这些混合物可以被模拟并进行性能可靠性分析。
CFD软件还可以用来对流体流动和传热进行精细分析，可以识别出复杂流场中涡流、涡旋和其它不规则结构，以及分析流动速度和温度分布。
此外，CFD软件还可以用来模拟传热传质，模拟流体的几何变形，优化流体过程的性能，并对结构的强度和稳定性进行验证。
CFD软件的应用非常广泛，可以应用于多种领域，包括航空航天、能源开发、生物医学工程、冶金铸造和制药等。
这些应用可以用于有效地提高涡轮发动机的性能，提高压气机的使用效率，以及对火箭燃料轨道元素的分析等，以此节省能耗，提升工程性能。
此外，CFD软件还可以用于分析风场、水体和水质，以实现更快捷、更准确的仿真分析。
例如，可以模拟水体湍流和流量变化，以及水质变化，这有助于政府和环保机构实施新的环境政策和管理措施。
总之，CFD软件是一种强大的工程分析技术，可以分析复杂的物理现象，快速预测决策的影响，从而节省时间和费用，提高企业的竞争力。
它的原理和应用能够帮助工程师们更好地掌握流体流动场景，从而改善工程系统的性能和稳定性，提升企业的效率和竞争力。
流体动力学(CFD)分析.
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Intro-12
层流分析
T-2. FLOTRAN 分析的种类
Objective
层流中的速度场都是平滑而有序的，高粘性流体（如石油等）的低 速流动就通常是层流。
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Intro-13
紊流分析
T-2. FLOTRAN 分析的种类
Objective
紊流分析用于处理那些由于流速足够高和粘性足够低从而引起紊流 波动的流体流动情况，ANSYS中的二方程紊流模型可计及在平均 流动下的紊流速度波动的影响。 如果流体的密度在流动过程中保 持不变或者当流体压缩时只消耗很少的能量，该流体 就可认为是 不可压缩的，不可压缩流的温度方程将忽略流体动能的变化和粘 性耗散。
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Intro-8
第一章
FLOTRAN 计算流体动力 学(CFD)分析概述
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Intro-9
目标
Module Objective
在完成本章学习后，我们应该对流体动力学分析的基本概念 有所了解，并知道它的基本分类。
Lesson Objectives
第一讲、FLOTRAN CFD 分析的概念 第二讲、 FLOTRAN 分析的种类 第三讲、层流分析 第四讲、紊流分析 第五讲、热分析 第六讲、可压缩流分析 第七讲、非牛顿流分析 第八讲、多组份传输分析
六、 FLOTRAN分析过程中应处理的问题
七、对一个FLOTRAN分析进行评价
八、验证结果
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目录
Guidelines
第三章 FLOTRAN设置命令
一、FLOTRAN求解控制命令
二、FLOTRAN执行及输出控制命令 稳态控制参数设置
三、FLOTRAN执行及输出控制命令 瞬态控制参数设置
计算流体动力学(CFD)分析概述
计算流体动力学(CFD)分析概述No BoundariesANSYS/FLOTRAN分析指南第一章 FLOTRAN 计算流体动力学(CFD)分析概述FLOTRAN CFD 分析的概念ANSYS程序中的FLOTRAN CFD分析功能是一个用于分析二维及三维流体流动场的先进的工具，使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID 141和FLUID 142 单元，可解决如下问题:, 作用于气动翼(叶)型上的升力和阻力, 超音速喷管中的流场, 弯管中流体的复杂的三维流动同时，FLOTRAN还具有如下功能:, 计算发动机排气系统中气体的压力及温度分布, 研究管路系统中热的层化及分离, 使用混合流研究来估计热冲击的可能性, 用自然对流分析来估计电子封装芯片的热性能, 对含有多种流体的(由固体隔开)热交换器进行研究FLOTRAN 分析的种类FLOTRAN可执行如下分析:, 层流或紊流, 传热或绝热, 可压缩或不可压缩, 牛顿流或非牛顿流, 多组份传输这些分析类型并不相互排斥，例如，一个层流分析可以是传热的或者是绝热的，一个紊流分析可以是可压缩的或者是不可压缩的。
层流分析层流中的速度场都是平滑而有序的，高粘性流体(如石油等)的低速流动就通常是层流。
紊流分析紊流分析用于处理那些由于流速足够高和粘性足够低从而引起紊流波动的流体流动情况，ANSYS中的二方程紊流模型可计及在平均流动下的紊流速度波动的影响。
如果流体的密度在流动过程中保持不变或者当流体压缩时只消耗很少的能量，该流体就可认为是不可压缩的，不可压缩流的温度方程将忽略流体动能的变化和粘性耗散。
热分析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1No BoundariesANSYS/FLOTRAN分析指南体区域)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。
计算流体-粒子动力学
计算流体-粒子动力学1.计算流体动力学（CFD）和粒子动力学（PD）是两个独立的领域，它们分别研究流体的宏观行为和微观粒子的运动。
而计算流体-粒子动力学（CFD-PD）结合了这两个领域，旨在更全面、更准确地模拟和理解包括流体和颗粒在内的复杂系统。
本文将探讨CFD-PD的基本原理、应用领域以及对科学研究和工程实践的重要性。
2. CFD-PD的基本原理CFD-PD通过将计算流体动力学和粒子动力学相结合，使得对流体中颗粒运动的建模更加准确。
在这个方法中，流体被视为连续介质，而颗粒则被看作是离散的粒子。
通过数值模拟和数学模型，可以跟踪流体中颗粒的运动轨迹、相互作用以及与流体之间的相互影响。
3. CFD-PD的应用领域•生物医学工程：CFD-PD在生物医学领域中应用广泛，可以模拟血液流动中的红细胞、血小板等颗粒在血管中的运动，有助于了解血液流动特性，设计人工心脏、血管支架等医疗器械。
•颗粒输送和分离：在化工工程中，CFD-PD可用于模拟颗粒在管道中的输送过程，以及颗粒在分离设备中的分离效果。
这对于优化工业过程和提高分离效率具有重要意义。
•大气颗粒传输：在大气科学中，CFD-PD可以模拟大气中颗粒（如尘埃、颗粒物）的运动，有助于研究空气质量、气候变化和环境污染等问题。
•粉体工程：在粉体技术领域，CFD-PD可用于研究颗粒在粉体中的分布、运动和传热特性，为粉体工程设计提供参考。
4. CFD-PD的重要性•提高模拟准确性：CFD-PD相较于传统的CFD方法，可以更准确地模拟颗粒在流体中的行为，使得对于颗粒运动的描述更加真实，提高了模拟结果的准确性。
•深化对复杂系统的理解：CFD-PD可以用于研究包含多相流、颗粒运动的复杂系统，为科学家深化对这些系统的理解提供了工具。
•优化工程设计：在工程实践中，CFD-PD的应用可以帮助工程师优化设计，提高设备性能，减小能耗，降低生产成本。
•推动科研进展：CFD-PD的发展推动了科学研究在颗粒动力学和流体力学交叉领域的进展，为解决更多实际问题提供了新的思路和方法。
ANSYS／FLOTRAN流体动力学(CFD)分析
Intro-9
目标
Module Objective
在完成本章学习后， 在完成本章学习后，我们应该对流体动力学分析的基本概念 有所了解，并知道它的基本分类。 有所了解，并知道它的基本分类。
第一讲、 第一讲、FLOTRAN CFD 分析的概念 第二讲、 第二讲、 FLOTRAN 分析的种类 第三讲、层流分析 第四讲、 第四讲、紊流分析 第五讲、 第五讲、热分析 第六讲、 第六讲、可压缩流分析 第七讲、 第七讲、非牛顿流分析 第八讲、多组份传输分析 第八讲、
ANSYS培训教程 – 版本 5.5 – XJTU MSSV By: Haich Gao (011001) Intro-4
2001年10月1日
目录
设置命令（ 第三章 FLOTRAN设置命令（续） 设置命令
Guidelines
十三、设定FLOTRAN自由度松弛系数 设定 自由度松弛系数 十四、设定FLOTRAN流体性质松弛因子 十四、设定 流体性质松弛因子 十五、设置FLOTRAN分析的自由度限值 十五、设置 分析的自由度限值 十六、选择FLOTRAN各自由度相应的求解器 十六、选择 各自由度相应的求解器 十七、 十七、对FLOTRAN各求解器的控制 各求解器的控制 十八、设置FLOTRAN湍流模型的一些常数 十八、设置 湍流模型的一些常数 十九、重新设定FLOTRAN各分析参数的值 十九、重新设定 各分析参数的值 二十、控制FLOTRAN面积积分的阶次 二十、控制 面积积分的阶次 二十一、 二十一、FLOTRAN多组份疏运分析的设置及控制 多组份疏运分析的设置及控制 二十二、定义FLOTRAN的重启动（续算）控制 的重启动（ 二十二、定义 的重启动 续算） 二十三、设置并执行一个零迭代FLOTRAN分析 二十三、设置并执行一个零迭代 分析
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数学报告工具能够得到：
力和动量 界面交换系数
表面和体上变量的积分值
流量平衡关系
修正模型
物理模型是否合适 流动的湍流程度 流动是否为非稳定流动 是否需要考虑压缩性 是否需要考虑流体的涡结构（3D） 边界条件是否合适 所选取的计算区域是否能满足问题要求 边界条件是否合适 边界上变量值是否合理 网格的精度是否满足要求 能否通过网格的自适应技术提高计算精度 网格是否是独立于计算之外 对近壁处的处理是否需要修正
数值模拟、实验、理论分析的关系
做理论的目的是为了尽可能了解事物本质； 做数值模拟则是在尽可能了解的基础上近似，用求解 的方法来反演事实，这肯定是不准确的，但如果方法 正确，应该是近似准确的； 数值模拟的结果应该采用实验来进行验证。
单纯实验测试
单纯理论分析
计算流体动力学
CFD的局限性
数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、 数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数 学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只 能是有限个离散点上的数值解，并有一定的误差； 它不像物理模型实验一开始就能给出流动现象并定性地描 述，往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参 数，并需要对建立的数学模型进行验证；
FLUENT程序简介
FLUENT所能求解的问题
采用三角形、四边形、四面体、六面体及其混合网格计算二维 和三位流动问题；计算过程中，网格可以自适应
程序的编制及资料的收集、整理和正确利用，在很大程度
上依赖于经验和技巧。
CFD工作过程
求解器 前处理 物理 模型 划分 网格 在网格的基础上求解方程 输运方程 质量 动量 能量 封闭方程 底层物理模型 材料特性 边界条件 初始条件 物理模型 湍流 燃烧 辐射 多相流 相变 动网格技术
模型和网格欣赏
tet mesh
hex mesh
wedge mesh Hybrid mesh for an IC engine valve port
建立数学模型
对于一个给定的问题，需要解决的问题有： 选择合适的物理模型 湍流，燃烧，多相流等 确定材料的特性 流体 固体 混合物 给定操作工况 给定所有边界条件 给定初始条件 给定数值计算的控制参数 设置监视点
计算流体动力学（CFD） 与FLUENT
山东科技大学 机电学院 胡效东
报告提纲
CFD是什么 FLUENT程序简介 前处理软件GAMBIT的使用 FLUENT主体程序使用
FLUENT后处理
其它
CFD是什么？
1、CFD是什么
计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简写为CFD）通过求解流场控制方程 组，以及计算机数值计算和图像显示的方法，在 时间和空间上定量描述流场的数值解，从而达到 对物理问题研究的目的。 应用CFD可以预测流体的行为，同时还可以得到 传质（如分离和溶解），传热，相变（如凝固和 沸腾），化学反应（如燃烧），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）等等的性质。
求解设置
后处理
CFD的基本步骤
分析问题及前处理 1. 确定数值模拟的目标 2. 确定计算区域 3. 建立数值模拟物理模型和网格
求解执行过程
4. 建立数学模型 5. 计算并监控结果
后处理
6. 检查结果 7. 修正模型
确定数值模拟的目标
需要得到的结果以及结果的用途 建立物理模型时需要考虑的问题： 在分析中需要建立什么形式的物理模型? 采取什么样的简化措施？
FLUENT中CFD过程的实现
创建几何模型和网格模型（在GAMBIT或其它前处理软件中完成）； 启动FLUENT求解器。 导入网格模型； 检查网格模型是否存在问题； 选择求解器及运行环境； 决定计算模型，即是否考虑热交换，是否考虑粘性等； 设置材料特性； 设置边界条件； 调整用于控制求解的有关参数； 初始化流场； 开始求解； 显示求解结果； 保存求解结果； 如有必要，修改网格或计算模型，重复上述过程重新进行计算。
计算并监控结果
迭代求解离散方程组. 通过迭代计算使结果收敛
什么情况达到收敛：
求解变量在连续几个迭代次数中不发生改变： 从残差方面可以大体监视这一过程
满足守恒定律
收敛解的精度取决于： 物理模型的简化程度和精度
网格的精度
检查结果
检查结果并提取出有效数据. 可视化工具能得到： 整个流场的特性 发生流场突变的位置 流场的关键特征
CFD的基本思想
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。 最理想的数值模拟结果应可以形象地再现流动情 景，与做实验没有什么差别。
是否需要采用新的修正模型?
FLUENT 6 中用User-define对计算时间有无要求?
确定计算区域
怎么样将研究对象进行孤立 化处理? 计算区域的初始和结束位置? 在计算区域的边界上是否 有存在的边界信息? 边界的形式能否容纳这些 信息? 是否可以根据实验测量得 到边界的信息? 计算区域可否简化成二维或 者轴对称形式?
Gas Riser Gas Cyclone
L-valve
建立数值模拟物理模型和网格
能否采用结构化的网格？ 几何形状以及流动的复杂程度?
在各个控制区域内需要什么样的网格精度
对于这个几何形体需要什么样的网格精度? 大的网格梯度是否能预测流场?
是否需要采用网格自适应技术?
计算机的内存容量是否满足要求? 需要多少的计算网格? 计算模型的数量?