CFD 基 础(流体力学)解析
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。
化工过程流体力学基础
左图的例子，汽车周围到天空，空气是连续 存在的，把全部的空气做为计算对象是不现实的 。 (图1)
通常的分析中，我们选出有限大的区域，在 计算中设定这个区域，在区域边界处给予某种条 件即边界条件。(图2)
考虑汽车行进中周围的空气阻力
图2
无摩擦 需要对计算对象区
前方来
流条件
车体表
域的边界给予某种 条件(边界条件)
u d
u2与惯性力成正比， u/d与粘性力成正比，由此可
见，雷诺准数的物理意义是惯性力与粘性力之比。
1.3.1 基本概念
6.几种时间导数
（1）偏导数 t
又称局部导数，表示在某一固定空间点 上的流动参数，如密度、压力、速度、温度、组分浓 度等随时间的变化率。 d d dx dy dz （2）全导数
1.1 概述
2 流体的压缩性
流体体积随压力变化而改变的性质称为压缩 性。实际流体都是可压缩的。 液体的压缩性很 小，在大多数场合下都视为不可压缩，而气体 压缩性比液体大得多，一般应视为可压缩，但 如果压力变化很小，温度变化也很小，则可近 似认为气体也是不可压缩的。
1.1 概述
3 作用在流体上的力
单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。
G u
1.3.1
体积流量
基本概念
2．流速和流量
单位时间内流经管道任意截面的流体体积， m3/s或m3/h。
V——
质量流量 单位时间内流经管道任意截面的流体质量， m—— kg/s或kg/h。
1.3.1
基本概念
3．粘性及牛顿粘性定律
当流体流动时，流体内部存在着内摩擦力，这种内摩擦力会阻 碍流体的流动，流体的这种特性称为粘性。产生内摩擦力的根本 原因是流体的粘性。
cfd基础
流体力学基础流体力学研究流体（气体与液体）的宏观运动与平衡，它以流体宏观模型作为基本假说。
显然，流体的运动取决于每个粒子的运动，但若求解每个粒子的运动即不可能也无必要。
对于宏观问题，必须在微观与宏观之间建立一座桥梁。
流体宏观模型认为流体是由无数流体元（或称流体微团）连续地组成的（即连续介质）。
所谓流体元指的是这样的小块流体：它的大小与放置在流体中的实物比较是微不足道的，但比分子的平均自由程却要大得多，它包含足够多的分子，能施行统计平均求出宏观参量，少数分子出入于流体元不会影响稳定的平均值。
另一方面，对于进行统计平均的时间也应选得足够大，使得在这段时间内，微观的性质，例如分子间的碰撞等已进行了许多次，在这段时间内进行统计平均能够得到稳定的数值。
于是，从统计物理中得知，分子的物理量（质量、速度、动量和能量）经过统计平均后变成了流体元的质量，速度，压力和温度等宏观物理量，分子质量、动量和能量等输运过程，经过统计平均后表现为扩散，粘性，热传导等宏观性质。
上述微观上充分大、宏观上充分小的流体元称为流体质点，将流体运动的空间看作是由流体质点连续地无空隙地充满着的假设称为连续介质假设。
应该指出，有了此假设才能把一个微观问题化成宏观问题，且数学上容易处理。
实验和经验也表明在一般情况下这个假设总是成立的。
但是。
在某些特殊问题中，连续介质的假设也可以不成立。
例如在稀薄气体力学中，分子间的距离很大，它能和物体的特征尺度比拟，这样虽然获得稳定平均值的流体元还是存在的，但是不能将它看成一个质点。
又如考虑激波内的气体运动，激波的尺寸与分子平均自由程同阶，激波内的流体只能看成分子而不能当作连续介质来处理了。
CFD的求解过程CFD的求解过程为了进行CFD计算，用户可借助商用软件来完成所需要的任务，也可自己直接编写计算程序。
两种方法的基本工作过程是相同的，无论是流动问题、传热问题，还是污染物的运移问题，无论是稳态问题，还是瞬态问题，其求解过程都可用图1表示。
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。
CFD
2014-7-27
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•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。
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
dxdydz
控制体内流体的增加率 ¶ r (dxdydz)
¶t
根据物质守恒原则，流出控制体内的总流率应等于控
制体内流体的增加率的负值
轾 犏 犏 臌抖(抖rxu) +
(r v) ? (r w)
+ y
抖z
dxdydz = -
¶ r (dxdydz)
t
或者
¶r 抖t
+
轾 犏 犏 臌抖(rxu) +
(r v) ? (r w)
p x
xx
x
yx
y
zx
z
fx
量 方 程
Dv Dt
p y
xy
x
yy
y
zy
z
fy
Dw Dt
p z
xz
x
yz
y
zz
z
fz
×u ×v ×w
( ) r
D
u2 2 Dt
=
-
u
¶p 抖x
+
u
抖t xx x
+
u
¶ t yx 抖y
+
u
t zx z
+
r ufx
( ) r
D
v2 2 Dt
=-
v
¶p 抖y
牛顿流体与非牛顿流体
牛顿流体 非牛顿流体
μ的单位N·s/m2 ν的单位m2/s
运动粘度
F
Y
F dv
dy
定常与非定常流动
定常（steady）流动，也叫稳态流动 非定常（unsteady）流动，也叫非稳态
流动或瞬态（transient）流动 世界上没有真正的稳态流动
流体力学的数值模拟计算流体力学(CFD)的基础和局限性
流体力学的数值模拟计算流体力学（CFD）的基础和局限性流体力学（Fluid Mechanics）是研究流体（包括气体和液体）运动和力学性质的学科。
数值模拟计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是利用计算机和数值计算方法对流体力学问题进行模拟和求解的一种方法。
CFD已经成为研究流体力学问题、设计和优化工程流体系统的重要工具。
本文将探讨CFD的基础原理和其在实践中的局限性。
一、CFD的基础原理1. 连续性方程和Navier-Stokes方程CFD的基础原理建立在连续性方程和Navier-Stokes方程的基础上。
连续性方程描述了流体的质量守恒，即流入和流出某一区域的质量流量必须相等。
Navier-Stokes方程则描述了流体的运动和力学性质。
它包含了质量守恒、动量守恒和能量守恒三个方程。
2. 网格划分在进行CFD计算之前，需要将流体区域划分为离散的小单元，即网格。
网格的形状和大小对数值模拟的精度和计算量有着重要的影响。
常见的网格划分方法包括结构化网格和非结构化网格。
3. 控制方程的离散化将连续性方程和Navier-Stokes方程进行离散化处理，将其转化为代数方程组，是CFD模拟的关键步骤。
常用的离散化方法包括有限差分法、有限元法和有限体积法等。
4. 数值求解方法求解离散化后的方程组是CFD计算的核心内容。
数值求解方法可以分为显式方法和隐式方法。
显式方法将未知变量推导到当前时间级，然后通过已知的变量进行计算，计算速度快但对时间步长有限制；隐式方法则将未知变量推导到下一个时间级，需要迭代求解，计算速度较慢但更稳定。
二、CFD的局限性1. 网格依赖性CFD模拟的结果在很大程度上受到网格划分的影响。
过大或过小的网格单元都会导致计算结果的不准确性。
此外，网格的形状对流场的模拟结果也有很大的影响。
如果网格不够细致，细小的涡旋等流动细节可能无法被捕捉到。
2. 数值扩散和耗散数值模拟中的离散化和近似计算会引入数值扩散和耗散。
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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m Vρ= (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0lim V m Vρ∆→∆=∆ (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 pρρ=-= (1-3) 式中：p 为外部压强。
在研究流体流动过程中，若考虑到流体的压缩性，则称为可压缩流动，相应地称流体为可压缩流体，例如高速流动的气体。
若不考虑流体的压缩性，则称为不可压缩流动，相应地称流体为不可压缩流体，如水、油等。
3. 粘性粘性(viscosity)指在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形的性质。
粘性大小由粘度来量度。
流体的粘度是由流动流体的内聚力和分子的动量交换所引起的。
粘度有动力粘度μ和运动粘度ν之分。
动力粘度由牛顿内摩擦定律导出：d d u yτμ= (1-4) 式中：τ为切应力，Pa ；μ为动力粘度，Pa ⋅s ；d /d u y 为流体的剪切变形速率。
运动粘度与动力粘度的关系为μνρ= (1-5) 式中：ν为运动粘度，m 2/s 。
在研究流体流动过程中，考虑流体的粘性时，称为粘性流动，相应的流体称为粘性流体；当不考虑流体的粘性时，称为理想流体的流动，相应的流体称为理想流体。
根据流体是否满足牛顿内摩擦定律，将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。
牛顿流体严格满足牛顿内摩擦定律且μ保持为常数。
非牛顿流体的切应力与速度梯度不成正比，一般又分为塑性流体、假塑性流体、胀塑性流体3种。
塑性流体，如牙膏等，它们有一个保持不产生剪切变形的初始应力0τ，只有克服了这个初始应力后，其切应力才与速度梯度成正比，即0d d u yττμ=+ (1-6) 假塑性流体，如泥浆等，其切应力与速度梯度的关系是d 1d nu n y τμ⎛⎫=< ⎪⎝⎭， (1-7) 胀塑性流体，如乳化液等，其切应力与速度梯度的关系是d 1d nu n y τμ⎛⎫=> ⎪⎝⎭， (1-8) 1.1.3 流体力学中的力与压强1. 质量力与流体微团质量大小有关并且集中在微团质量中心的力称为质量力(body force)。
在重力场中有重力mg ；直线运动时，有惯性力ma 。
质量力是一个矢量，一般用单位质量所具有的质量力来表示，其形式如下：x y z f f i f j f k =++ (1-9)式中：x f ，y f ，z f 为单位质量力在各轴上的投影。
2. 表面力大小与表面面积有关而且分布作用在流体表面上的力称为表面力(surfaceforce)。
表面力按其作用方向可以分为两种：一是沿表面内法线方向的压力，称为正压力；另一种是沿表面切向的摩擦力，称为切向力。
对于理想流体的流动，流体质点只受到正压力，没有切向力；对于粘性流体的流动，流体质点所受到的作用力既有正压力，也有切向力。
作用在静止流体上的表面力只有沿表面内法线方向的正压力。
单位面积上所受到的表面力称为这一点处的静压强。
静压强具有两个特征：①静压强的方向垂直指向作用面； ②流场内一点处静压强的大小与方向无关。
3. 表面张力在液体表面，界面上液体间的相互作用力称为张力。
在液体表面有自动收缩的趋势，收缩的液面存在相互作用的与该处液面相切的拉力，称为液体的表面张力(surface tension)。
正是这种力的存在，引起弯曲液面内外出现压强差以及常见的毛细现象等。
试验表明，表面张力大小与液面的截线长度L 成正比，即T L σ= (1-10)式中：σ为表面张力系数，它表示液面上单位长度截线上的表面张力，其大小由物质种类决定，其单位为N/m 。
4. 绝对压强、相对压强及真空度标准大气压的压强是101325Pa(760mm 汞柱)，通常用p atm 表示。
若压强大于大气压，则以该压强为计算基准得到的压强称为相对压强(relative pressure)，也称为表压强，通常用p r 表示。
若压强小于大气压，则压强低于大气压的值就称为真空度(vacuum)，通常用p v 表示。
如以压强0Pa 为计算的基准，则这个压强就称为绝对压强(absolute pressure)，通常用p s 表示。
这三者的关系如下：r s atm p p p =- (1-11)v atm s p p p =- (1-12)在流体力学中，压强都用符号p 表示，但一般来说有一个约定：对于液体，压强用相对压强；对于气体，特别是马赫数大于0.1的流动，应视为可压缩流，压强用绝对压强。
压强的单位较多，一般用Pa ，也可用bar ，还可以用汞柱、水柱，这些单位换算如下：1Pa=1N/m 21bar=105Pa1p atm =760mmHg=10.33mH 2O=101325Pa5. 静压、动压和总压对于静止状态下的流体，只有静压强。
对于流动状态的流体，有静压强(static pressure)、动压强(dynamic pressure)、测压管压强(manometric tube pressure)和总压强(total pressure)之分。
下面从伯努利(Bernoulli)方程(也有人称其为伯努里方程)中分析它们的意义。
伯努利方程阐述一条流线上流体质点的机械能守恒，对于理想流体的不可压缩流动其表达式如下：22p v z H g gρ++= (1-13) 式中：/p g ρ称为压强水头，也是压能项，为静压强；2/2v g 称为速度水头，也是动能项；z 称为位置水头，也是重力势能项，这三项之和就是流体质点的总的机械能；H 称为总的水头高。
将式(1-13)两边同时乘以g ρ，则有212p v gz gH ρρρ++= (1-14) 式中：p 称为静压强，简称静压；212v ρ称为动压强，简称动压；gH ρ称为总压强，简称总压。
对于不考虑重力的流动，总压就是静压和动压之和。
1.1.4 流体运动的描述1. 流体运动描述的方法描述流体物理量有两种方法，一种是拉格朗日描述；一种是欧拉描述。
拉格朗日(Lagrange)描述也称随体描述，它着眼于流体质点，并将流体质点的物理量认为是随流体质点及时间变化的，即把流体质点的物理量表示为拉格朗日坐标及时间的函数。
设拉格朗日坐标为(a ,b ,c )，以此坐标表示的流体质点的物理量，如矢径、速度、压强等等在任一时刻t 的值，便可以写为a 、b 、c 及t 的函数。
若以f 表示流体质点的某一物理量，其拉格朗日描述的数学表达式为(,,,)f f a b c t = (1-15)例如，设时刻t 流体质点的矢径即t 时刻流体质点的位置以r 表示，其拉格朗日描述为(,,,)r r a b c t = (1-16)同样，质点的速度的拉格朗日描述是(,,,)v v a b c t = (1-17)欧拉描述，也称空间描述，它着眼于空间点，认为流体的物理量随空间点及时间而变化，即把流体物理量表示为欧拉坐标及时间的函数。
设欧拉坐标为(q 1,q 2,q 3)，用欧拉坐标表示的各空间点上的流体物理量如速度、压强等，在任一时刻t 的值，可写为q 1、q 2、q 3及t 的函数。
从数学分析知道，当某时刻一个物理量在空间的分布一旦确定，该物理量在此空间形成一个场。
因此，欧拉描述实际上描述了一个个物理量的场。
若以f 表示流体的一个物理量，其欧拉描述的数学表达式是(设空间坐标取用直角坐标)(,,,)(,)f F x y z t F r t == (1-18)如流体速度的欧拉描述是(,,,)v v x y z t = (1-19)2. 拉格朗日描述与欧拉描述之间的关系拉格朗日描述着眼于流体质点，将物理量视为流体坐标与时间的函数；欧拉描述着眼于空间点，将物理量视为空间坐标与时间的函数。
它们可以描述同一物理量，必定互相相关。
设表达式(,,,)f f a b c t =表示流体质点(a ,b ,c )在t 时刻的物理量；表达式(,,,)f F x y z t =表示空间点(x ,y ,z )在时刻t 的同一物理量。
如果流体质点(a ,b ,c )在t 时刻恰好运动到空间点(x ,y ,z )上，则应有(,,,)(,,,)(,,,)x x a b c t y y a b c t z z a b c t =⎧⎪=⎨⎪=⎩(1-20)(,,,)(,,,)F x y z t f a b c t = (1-21)事实上，将式(1-16)代入式(1-21)左端，即有(,,,)[(,,,),(,,,),(,,,),](,,,)F x y z t F x a b c t y a b c t z a b c t t f a b c t == (1-22) 或者反解式(1-16)，得到(,,,)(,,,)(,,,)a a x y z t b b x y z t c c x y z t =⎧⎪=⎨⎪=⎩(1-23)将式(1-23)代入式(1-21)的右端，也应有(,,,)[(,,,),(,,,),(,,,),](,,,)f a b c t f a x y z t b x y z t c x y z t t F x y z t == (1-24) 由此，可以通过拉格朗日描述推出欧拉描述，同样也可以由欧拉描述推出拉格朗日 描述。