计算流体力学课件

计算流体力学基础ComputationalfluidDynamics,2020/5/1,2,第一章引言,一、概述二、CFD及其应用例三、数值（虚拟）实验的特点四、CFD分析的一般过程五、CFD的研究内容六、CFD的发展史,1.1绪论,2020/5/1,3,一、概述,重要性：CFD提高企业的竞争能力和设计水平；企业数值化的重要部分；带来了崭新的设计理念和提供了新的途径。,流体问题广泛性、复杂性、重要性,广泛性：大气、海洋；能源动力、石油化工、钢铁冶金、国防、环保；,复杂性：数学描述；几何域；多种现象；理论、实验、计算流体力学,2020/5/1,4,1.条件：硬件：发展迅速软件：CFD比较成熟，FLOWLAB效果：例子，飞机阻力,2.工程应用：广泛，普及航天：运载工具（武器），能源：电厂、制冷的仿真，换热器电子：设备的热问题分析108w/m2高新技术：微机械，,现状：,2020/5/1,5,二、CFD及其应用例,Coputationalfluiddynamics,CFD与CAD减少盲目性,CFD,计算流体动力学是集流体力学、数值计算方法及计算机图形学于一体的模拟技术，已经在各个工业领域得到广泛的应用。近年来，CFD技术已经在各个领域内取得重大的进步。尤其是国外，CFD技术的应用研究开展得如火如荼。但是，在我国，CFD技术仍不为广大工程师熟悉，仍是“阳春白雪”。,2020/5/1,8,Inshort,todaysCFDsoftwareprovidespowerindustryuserswithacomprehensivevirtualmodelingtoolforpredictingmanytypesoffluidflowandheattransferphenomena.Today,manyofourcustomersarebenefitingfromthisimportanttechnology.（CFD）,电力工业受益于CFD,Fornearlytwodecades,engineershavebeenusingCFDtoaddresscomplexfluidflowandheattransferproblems,2020/5/1,9,CFD拥有包括流体流动、传热、辐射、多相流、化学反应、燃烧等问题丰富的通用物理模型；还拥有诸如气蚀、凝固、沸腾、多孔介质、相间传质、非牛顿流、喷雾干燥、动静干涉、真实气体等大批复杂现象的实用模型。,2020/5/1,10,航空航天：图a为模拟美国F22战斗机的结果，图中显示的是对称面上的马赫数分布。计算共采用了260万个网格单元。模拟的升力、阻力及力矩系数都与实验值吻合的很好。图b是某飞机多段翼周围的压力分布图c是美国J-31型涡轮喷气发动机的整机模拟。包括进气道、压缩机、燃烧室、尾喷管四个部分。,2020/5/1,11,汽车领域：图a日本汽车工业协会模拟的某汽车外流场，图中显示了对称面、地面和车身表面的压力分布。图b模拟F1方程式赛车的外流场，图中显示的是对称面和地面的压力分布。,2020/5/1,12,建筑工业：图a模拟伦敦街区一角的外部风场，图中显示了建筑物表面的压力分布。采用建筑物的风载模拟，为建筑的强度设计提供有效的压力数据，同时针对建筑物的具体特点，设计更灵活的通风系统。图b某帐篷式大型体育场的内部通风问题。图中显示的是体育场表面的网格划分。在设计初期就得到体育场内的详细流场信息，从而及时发现可能存在的通风隐患，修改通风设计方案，加快设计周期，提高设计质量。,2020/5/1,13,船舶工业：图a计算船舶问题。船行速度为2.064m/s整船的计算阻力为43.9N，而实验结果为44.3N。误差几乎为1%。图b德国模拟的船后螺旋桨转动对船体的影响。图c是美国海军模拟的某型号潜艇在水下的运动。图中显示的是潜艇转弯时周围的流线。通过使用CFD，能更快地设计出在阻力、机动性等方面都有很大提高的潜艇。,2020/5/1,14,能源工业：图a是CFD模拟的500Mwe电站煤粉锅炉炉内燃烧。结果显示了在燃烧器喷流交叉形成的高温、高氧区，NOX生成速率大。图b显示的是管壳换热器的流线及温度分布。同时考虑管外流体、管内流体、以及管壁部分的耦合传热。图c是模拟燃料电池中氧浓度的分布。用户开发了专门的电化学反应模型，通过催化层的电化学反应速率模拟当地的电流密度。,2020/5/1,15,石油化工：图a模拟流化床内气泡的形成和发展过程。多相流模型可以模拟任何扩散和连续流动的组合，包括液体、固体、气体和化学物质。图b是模拟废热回收装置内的温度变化过程，并准确预报了管内介质的出口温度。通过模拟，找出了原始设计的弊端在于换热面积过小，导致各管间温度相差较大。图c模拟出添加剂的浓度分布。改变添加剂的投放位置，用CFD模拟来优化添加剂浓度分布，以达到最好的防腐效果,2020/5/1,16,冶金工业：图a模拟的钢水铸造过程，图中显示的是铸造模具内的流线及表面温度分布图b是模拟连续加热炉，该炉采用直接加热方式，从图中温度分布可以看出，钢带有一角的温度过高，这会影响钢产品的质量。图c是模拟优化铸造炉内烧嘴的类型和位置。很好地模拟出了融池内因浮力驱动产生的二次流现象，及诸如回流区、涡、表面波的发展、温度分布的不均匀性等设计缺陷。,2020/5/1,17,不受实验等条件限制：有利于单独参数影响的研究例如局部参数变化系统装置的联合研究例如配套的部件和设备其他条件下无法的研究高温、两相流、超常尺寸等,三、数值模拟（虚拟实验）的特点,可视化；微观、局部化；数值化,2020/5/1,18,压力云图,速度云图,噪声研究,烟囱产生的噪声,内部流动模拟,2020/5/1,19,压力云图,挡板处的压力不均匀和旋涡,该处压差最大值=389.9+778.2=1168.1Pa,矢量图,2020/5/1,20,三种烟囱内压力云图比较,2020/5/1,21,产品的开发,传统的设计方法流程：,现代设计方法流程（应用了CFD）：,2020/5/1,22,出口管内流场,涡旋鼓风机的开发,不同叶片形状,静压比效率直叶片1.04229.2前弯叶片1.07732.18三维叶片1.137.8,37,41,2020/5/1,23,四、CFD分析的一般过程,后处理阶段计算结果分析、数值计算不确定度的估计,求解过程方程组和边界条件确定、方程离散(格式)、代数方程求解等,前处理阶段（如果用商业CFD,人工干预多）包括实体建模、网格划分(时空间离散)等,2020/5/1,25,五、CFD的研究内容,前提：方程组和边界条件确定物理模型、离散：方程离散(格式)、网格划分(时、空间离散)解法：代数方程组求解(单独、联立；),（离散+解法）,2020/5/1,26,六、CFD的发展史,在l933年，英国科学家Thom应用手摇计算机完成了对一个外掠圆柱流动的数值计算，大致始于60年代在全世界范围内逐渐形成规模而且得出有益的结果,1、萌芽初创时期(19651974),(1)交错网格的提出，1965,(2)“JournalofComputationalPhysics”于1966年创刊。,(3)1969年英国帝国理工学院(ImperialCollege)创建了CHAM，旨在把他们研究组的成果推广应用到工业界。,(4)l972年SIMPLE算法问世,(5)1974年美国学者提出了用微分方程来生成适体坐标的方法(TTM方法),2020/5/1,27,2、开始走向工业应用阶段(19751984),1977年由Spalding及其学生开发的GENMIX程序公开发行,1979大型通用软件PHOENICS第一版问世(意为对抛物型、双曲型、椭圆型方程进行数值积分的系列程序)。当时仅限在英国帝国理工CFD研究组内使用，为工业界计算一些应用问题。Leonard在1979年发表了著名的QUICK格式-具有三阶精度(从界函面数插值而言)的对流项离散格式，其稳定性优于中心差分。,1981年英国CHAM公司把PHOENICS软件正式投放市场，开创了CFDNHT商用软件市场的先河,在这一段时期内也有进步的发展，先后提出了SIMPLER，SIMPLEC算法。,2020/5/1,28,3、进一步兴旺发达的近期(1985年至今),(1)前后处理软件的迅速发展。,(2)巨型机的发展促使了并行算法及紊流直接数值模拟(