COMSOL_CFD_流体分析技术介绍
cfd方法
cfd方法CFD方法。
CFD（Computational Fluid Dynamics）方法是一种利用计算机对流体流动进行数值模拟和分析的方法。
它可以模拟和预测流体在各种复杂条件下的运动规律，广泛应用于航空航天、汽车工程、能源领域、环境工程等各个领域。
本文将介绍CFD方法的基本原理、应用领域以及发展趋势。
CFD方法的基本原理是基于流体力学和数值计算方法，通过对流体运动的基本方程进行离散化和数值求解，得到流场的数值解。
在CFD模拟中，流体被划分为无数个小单元，通过对每个单元的运动状态进行计算，最终得到整个流场的运动规律。
通过CFD方法，可以模拟出流体的速度场、压力场、温度场等重要参数，为工程设计和优化提供重要参考。
CFD方法在航空航天领域有着广泛的应用。
在飞机设计中，通过CFD方法可以模拟飞机的气动性能，优化机翼、机身等部件的设计，提高飞行效率和安全性。
在火箭发动机设计中，CFD方法可以模拟燃烧室内的流动情况，优化燃烧过程，提高发动机的推进效率。
同时，CFD方法也可以模拟飞行器在大气层内的飞行过程，为飞行器的控制和稳定提供重要参考。
汽车工程是CFD方法的另一个重要应用领域。
通过CFD方法，可以模拟汽车在高速行驶时的空气动力学特性，优化车身外形和气动套件设计，降低空气阻力，提高燃油经济性。
此外，CFD方法还可以模拟汽车发动机内部的燃烧过程和冷却系统的热管理，为发动机的性能和可靠性提供支持。
能源领域也是CFD方法的重要应用领域之一。
通过CFD方法，可以模拟火电厂和核电厂的燃烧过程和热力循环过程，优化锅炉和汽轮机的设计，提高能源转化效率。
同时，CFD方法还可以模拟风力发电机的叶片气动特性，优化叶片设计，提高风能利用率。
环境工程是CFD方法的另一个重要应用领域。
通过CFD方法，可以模拟大气和水体的流动、传热和污染扩散过程，为环境污染防治和环境风险评估提供重要支持。
此外，CFD方法还可以模拟城市建筑和交通系统的热环境和空气质量，为城市规划和设计提供科学依据。
comsol流体动力学模型(油箱的晃动)
流体动力学模型：油箱的晃动模型背景本案例模型表明COMSOL Multiphysics 软件可以借助移动网格技术来仿真动态自由表面流动。
模型使用不可压缩Navier-Stokes 方程来模拟液体的流动。
矩形油箱内的液体（甘油）原本处于静止状态。
运动由来回摆动的重力矢量来驱动，重力矢量的最大摆动角度为 4。
由于液体的表面没有约束，该模型为一个不规范的计算问题。
然而，ALE(arbitrary Lagrangian-Eulerian)技术可以很好的解决这类问题。
不仅仅是可以方便的在COMSOL Multiphysics 中建立移动网格（ALE ）应用模式，而且在移动网格求解域边界，它代表了自由的边界条件。
这也允许更加精确的估计边界条件特性，比如曲率，也使得表面张量分析成为可能。
本实例忽略了表面张量的影响。
模型几何、控制方程及边界条件本模型使用不可压缩Navier-Stokes 方程式来描述流体动力特性：()()()F u u I u u t u T=∇+∇+-⋅∇-∇⋅+∂∂ηρρρ0=⋅∇u()()()()ft g F ft g F y x πφρπφρ2sin cos 2sin sin max max -==其中 Hz f s m g 1,180/4,/81.9max 2===πφ移动网格为了能够用动网格来跟随模拟运动的流体，必须将移动网格耦合到流体表面的法线上去。
结果是，对于这种自由表面运动，不能将移动网格耦合到流体运动的切线方向。
如果这样做网格会变形过度从而导致问题不再收敛。
自由表面的网格等式边界条件在这种条件下可写为：()y x T t t ⋅=⋅, ( 即u*nx+v*ny)其中n 表示边界的法向矢量，()Tt t y x ,表示网格的移动速度VariablesName Expression Unitphi phi_max*sin(2*pi*freq*t) radgrav_x g*sin(phi)grav_y -g*cos(phi)分析结果要求：在t=1s，t=1.2s,t=1.4s,t=1.6s时的速度场分布情况。
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。
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
CFD—计算流体动力学软件介绍
CFD 流体动力学软件介绍CFD—计算流体动力学，因历史原因，国内一直称之为计算流体力学。
其结构为：提出问题—流动性质（内流、外流；层流、湍流；单相流、多相流；可压、不可压等等），流体属性（牛顿流体：液体、单组分气体、多组分气体、化学反应气体；非牛顿流体）分析问题—建模—N-S方程（连续性假设），Boltzmann方程（稀薄气体流动），各类本构方程与封闭模型。
解决问题—差分格式的构造/选择，程序的具体编写/软件的选用，后处理的完成。
成果说明—形成文字，提交报告，赚取应得的回报。
CFD实现过程：1.建模——物理空间到计算空间的映射。
主要软件：二维：AutoCAD：大家不要小看它，非常有用。
一般的网格生成软件建模都是它这个思路，很少有参数化建模的。
相比之下AutoCAD的优点在于精度高，草图处理灵活。
可以这样说，任何一个网格生成软件自带的建模工具都是非参数化的，而对于非参数化建模来说，AutoCAD应该说是最好的，毕竟它发展了很多很多年！三维：CATIA：航空航天界CAD的老大，法国人的东西，NB，实体建模厉害，曲面建模独步武林。
本身可以生成有限元网格，前几天又发布了支持ICEM-CFD的插件ICEM-CFD CAA V5。
有了它和ICEM-CFD，可以做任何建模与网格划分！UG：总觉得EDS脑袋进水了，收了I-deas这么久了，也才发布个几百M的UG NX 2.0，还被大家争论来争论去说它如何的不好用！其实，软件本身不错，大公司用得也多，可是就这么打市场，早晚是走下坡路。
按CAD建模的功能来说它排不上第一，也不能屈居第二，尤其是加上了I－DEAS更是如虎添翼。
现在关键是看市场了。
Solidworks：这哥们讲的是实用主义，中端CAD软件它绝对是老大，Solidedge 功能是不比它差，但是Solidworks的合作伙伴可能是SE的十几倍，接口也比SE多很多，要是你，你会选哪个？Autodesk Inventor也只能算是中端软件，目前说来，我是处于观望态度，看发展再决定。
《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（CFD）是一门应用于工程领域的计算机科学，其中的目的是使用计算机来对物理现象进行研究和分析。
它主要用于研究不同流体在固定的介质中的相对位置以及流动时间，如水流动，空气流动和燃烧气体流动。
因此，CFD可以用于解决实际问题，如空气动力学，气体动力学和液体动力学。
CFD软件是一种用于实现CFD 原理的计算机程序。
这些软件利用数学模型和计算算法来模拟物理系统并进行分析，而无需实际进行实验。
CFD软件具有高精度的运算能力，可以在不影响质量的情况下准确地描述流体的数学模型。
其特点是可以模拟实际气体和液体的复杂流动，从而精确估计流体摩擦力、气体结构及表面流动等方面的性能。
因此，CFD软件可以帮助工程师更好地发现潜在的流体力学问题，及早发现可能出现的设计问题，减少开发时间和成本。
CFD软件的应用范围非常广泛，可以用于工业，航空航天，仪器仪表，环境技术，气象学，航海学，建筑，机械工程，热能，医疗等领域的研究和应用中。
例如，在航空航天领域，人们可以利用CFD软件来估算飞行器的马赫数和飞行机翼的起飞性能，以及飞行器在空中运动时所受的风阻力和推动力，从而提高飞行机翼或飞行机翼上设备的性能。
此外，CFD 软件还可以用来分析和设计工业设备的结构，并分析设备运行时的流体动力学行为，以便更好地控制工艺参数。
此外，CFD软件还可以用来研究环境变化和空气污染，以便及早预测空气质量变化情况。
例如，当空气污染物被释放到空气中时，CFD 软件可以预测在特定条件下，空气污染物在空气中会分布到哪里。
CFD软件也被广泛用于热能和医疗领域中，可以帮助人们更准确地分析和预测物理系统的行为。
例如，在医疗领域，CFD软件可以用于估算受伤者肺部的空气流速，以及空气流速对受伤者血液活化的影响，以确定需要采取的相应措施。
综上所述，CFD软件是一种重要而有用的计算工具，可以用于研究和解决实际应用中出现的多方面的流体动力学问题。
CFD方案
CFD方案介绍CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）是一种基于数值方法的流体力学模拟技术，可用于分析和解决与流体相关的问题。
它通过对流体的运动进行数值求解，预测流体的行为，并提供详细的流体力学信息。
CFD方案是一种将CFD技术应用于实际工程问题的方法和流程的总称。
它包括建立数学模型、网格划分、数值求解和后处理等步骤。
CFD方案可以帮助工程师在设计和优化过程中对流体流动进行准确的分析和评估。
CFD方案的步骤步骤1：建立数学模型CFD方案的第一步是建立数学模型，这是对实际工程问题进行描述的数学公式和方程。
在建立数学模型时，需要考虑所需的物理方程、边界条件和初始条件等。
CFD方案中常用的数学模型包括：•线性稳态模型：适用于稳态流动问题，如管道流动和流体输运等。
•瞬态模型：适用于瞬态流动问题，如爆炸冲击、速度冲击等。
•湍流模型：适用于湍流流动问题，如湍流边界层、湍流流体力学等。
步骤2：网格划分网格是对空间进行离散化处理的方法，用于将连续域的问题转化为离散域的问题。
在CFD方案中，网格划分是非常重要的一步，它直接影响到模拟结果的准确性和计算效率。
常见的网格划分方法包括：•结构化网格：将计算区域划分为规则的网格单元，适用于简单几何形状和边界条件规则的问题。
•非结构化网格：将计算区域划分为不规则的网格单元，适用于复杂几何形状和边界条件复杂的问题。
步骤3：数值求解数值求解是CFD方案中的核心步骤，它通过数值方法对建立的数学模型进行求解，得到流体的速度、压力和温度等相关信息。
数值求解方法可以分为迭代求解和直接解析两种。
常用的数值求解方法包括：•有限差分法（FDM）：将问题的连续域离散化为有限的局部域，并在每个局部域中使用差分近似来计算非线性方程。
•有限体积法（FVM）：将问题的连续域离散化为有限体积，利用控制方程在体积内进行积分得到离散方程。
•有限元法（FEM）：将问题的连续域划分为有限的单元，并在每个单元上构建适当的形函数来近似求解问题。
Comsol软件介绍与应用
报告人：张晶刘克涛王惠张扬马常胜
COMSOL软件介绍与应用
COMSOL Multiphysics 是一款大型的高级数值仿真软件，它是以有限 元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实 现真实物理现象的仿真，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物 理场直接耦合分析软件”。 COMSOL Multiphysics 的界面操作环境内建前处理、求解和后处理功 能，建模分析过程中的各个步骤： 1.几何模型绘制 2.指定材料特性和边界条件 3.剖分网格 4.求解 5.结果后处理 各个步骤都非常的容易实现。 基于大量的预定义的应用模式，涵盖流 体、传热、结构力学、电磁场、化学反应、地球科学及多场耦合模型，以 及自定义偏微分方程，帮助用户十分迅速的建立分析模型。材料属性、载 荷、边界条件可以定义为基于独立变量的任意函数。
COMSOL软件介绍与应用
目前Comsol在声学、生物科学、化学反应、弥散、电磁学、流体动力学、 燃料电池、地球科学、热传导、微系统、微波工程、光学、光子学、多孔介质、 量子力学、射频、半导体、结构力学、传动现象、波的传播等领域得到了广泛的 应用。
应 用 领 域
COMSOL特点： 1.求解多场问题 = 求解方程组 软件预先写好了对应各个领域的偏微分方程和方程组，并提供自定义 偏微分方程输入接口。 2.完全开放的架构 用户可在图形界面（GUI）中轻松自由定义所需的专业偏微分方程， 并提供MATLAB接口，与MATLAB 进行混合编程。 3.任意独立函数控制的求解参数 材料属性、边界条件、载荷均支持参数控制。 4.专业的计算模型库 内置各种常用的物理模型，用户可轻松选择并进行必要的修改。 5.内嵌丰富的CAD 建模工具和全面的第三方CAD 导入功能 用户可直接在软件中进行二维和三维建模；全面的第三方CAD 导入功 能，支持当前主流CAD 软件格式文件的导入 6.强大的网格剖分能力 支持多种网格剖份，支持移动网格功能。 7.多国语言操作界面 易学易用，方便快捷的载荷条件，边界条件、求解参数设置界面。
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COMSOL流体分析功能概括
稀薄气体流动和 自由分子流
层流和微流体
大长径比管道流动
湍流分析
高超音速流动
离散两相流
均质两相流
流体中颗粒追踪
流固耦 合
多孔介质流动（渗流）
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
基于连续介质力学假设的
流体分析
仿 真 智 领 创 新
连 续 介 质 假 设
• 多孔介质流动（渗流）
– 达西定律、布林克曼方程、理查德方程
• 稀薄气体流动
– 滑移边界修正 – 格子波尔兹曼法 – 角系数法
非 连 续 介 质
• 使用有限元法求解
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
COMSOL Multiphysics 4.3a
高马赫数流动分析
• 高马赫数流动
– 支持层流和湍流 – 任意马赫数的全可压缩流体分析 – 考虑分子扩散（非欧拉流动）
• 高马赫数情况下的非等温流动
– 增加了数值稳定性 – 入口和出口做了针对性处理 – 伪时间步求解
Turbulent compressible flow in a two-dimensional Sajben diffuser. The flow reaches sonic conditions at the throat of the diffuser, terminating with a shock in the diverging section.
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
流体分析的有限元和有限体积法
• 有限元法（FEM）
– – – – 离散格式丰富 高阶导数离散精度高 低速粘性流动和非牛顿流求解精度高 擅长流固耦合、气动噪声等问题
应用于 除粒子追踪模块（离散元）以外的 所有COMSOL模块
气体偏离连续介质的程度
• 无量纲参数 Kn
平均自由程
Kn ＝ l/H
理想气体处于平衡态时：
流动特征尺寸
1 kT l= = 2p d 2 n 2p d 2 p
Kn越大，气体越稀薄
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
COMSOL Multiphysics
Startup of a fluidized bed modeled using the Euler-Euler Model Interface
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
分离流动
• 精确追踪相界面
– 气泡或者液滴的形成、摇晃的水槽 – 油／水／气混合分离流动
稀薄流动分析方法
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
• Kn 0: Euler方程（忽略分子扩散）
• Kn <= 10-3: 连续介质区，
无滑移边界的NS方程及Fourier热传导定律
• 10-3 <= Kn <= 10-1: 温度跳跃与速度滑移区
• 一方程模型
– Spalart Allamras
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
湍流模型适用性分析
• k-w and k-e turbulence model
– Flow not resolved down to the wall; wall functions are used to account for wall behavior
• Stokes流／蠕动流
– Re << 1
非牛顿流：番茄酱倾倒
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
单相流－湍流
• 雷诺平均 Navier-Stokes (RANS)
– 求解平均速度与压强 – 支持多种湍流粘度模型 – 用于弱可压缩流动
• 二方程模型
– k-e – k-w – Low Re k-w
Simulating inspires innovation
不满足连续介质力学假设的
稀薄流体动力学
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
稀薄效应
• 什么时候会发生稀薄效应
– 低压、低密度气体 – 高空飞行器：航空航天 – 小物体尺度：大气溶胶、MEMS系统
Robust, reasonably accurate for a variety of flows; widely used with lot of benchmarking data Economical (1-eq.); Accurate for external flows, wall-bounded flows, flows with mild separation
Simulating inspires innovation
CFD模块的单相流动
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
单相流－层流
• 层流
– 可用于不可压缩或者可压缩流体 – 流体马赫数小于等于0.3
• 非牛顿流体
– – – – 幂律定律（Power law） 卡拉雷定律（Carreau） 支持用户完全自定义本构 流体黏度具有记忆性 • 通用Maxwell • Oldroyd-B model
– Maxwell滑移边界修正的NS方程
• 过渡流（核心问题）
– 波尔兹曼方程 – Monte-Carlo直接模拟、数值解（COMSOL）
– 矩方程方法、离散速度坐标法、模型方程方法、有限 差分法、分子动力学方法、格子气单元自动机（LGM）、 格子波尔兹曼法（LBM）
COMSOL Multiphysics 流体分析技术介绍
中仿科技 安琳 (Lynn An) April 16, 2013
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
COMSOL 流体分析
• 一般流动
– NS方程、欧拉方程 – 势流方程、伯努力方程 – 大长径比管道系统的降维度求解
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
反应流分析
• 多组分溶质运移 – Fickean和混合物平均公式 – 可考虑电场作用下极化物质的 迁移 – 支持自由流动或者多孔介质中 的物质运移 – 支持湍流混合
• 流体的密度和粘度可与组份浓度 分布相关
Turbulent reacting flow in a multi-jet reactor in a polymerization process.
• 3D或2D管道网络中的1D流体分析
• 内建摩擦系数相关效应
– 自动适配层流或湍流模型 – 牛顿或非牛顿流体 （含Bingham plastic流动） – 支持多种管道截面 – 内建多种配件、阀门、泵的模型可供选择
• 管道与3D结构耦合
Cooling of a plastic mold of a steering wheel – including pipe flow in cooling channels.
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
流体中的粒子追踪
• 流体中宏观粒子的轨迹追踪 • 支持添加自定义扶助变量，分析粒子的 质量变化、温度变化以及自旋。
• 更多功能详见粒子追踪模块
– 微观粒子的布朗扩散等 – 粒子间相互作用
– 带电粒子迁移运动
仿 真 智 领 创 新
• 流体微团 • 分子自由程<<流体微团尺度<<特征尺度 • N-S方程
– 连续性方程（质量守恒） – 运动方程
– 本构方程
• 牛顿流 • 非牛顿流（幂律定律、卡拉雷定律）
典型不满足连续介质假设 • 稀薄气体 • 高超飞行器
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
• 有限体积法（FVM）
– – – – 继承了FEM离散格式丰富的优点 比有限元简单的多 守恒性好 被大多CFD商软所采用
应用于COMSOL的 等离子体模块和半导体模块(V4.3b)
我们将在未来的版本中将FVM拓展至CFD模块
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
Maxwell滑移边界修正的NS方程及Fourier热传导定律
广 义 稀 薄 流 区
• 10-1 <= Kn <= 10: 过渡区
一般意义的稀薄流区
• Kn > 10-: 自由分子流区
仿 真res innovation
稀薄气体流动分析方法
• 滑移流（Slip Flow）
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
多相流分析
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
分散流动
• 典型应用
– 气泡流、泥浆、悬浮液、流化床
• 对每个相求解平均NS方程
– 欧拉－欧拉模型 – 气泡流模型 – 混合物模型（欧拉－拉格朗日）
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
无限可能的多物理分析
典型的多物理耦合 • • • • • 流热分析：强制对流或者自然对流 对流传质（传热）：化学扩散的三传一反问题 流固耦合（FSI） 流体与电磁场：电泳和磁流体 任何你能想到的