07计算流体力学（CFD）基本原理

第七局部

计算空气动力学原理

及在风力机中的应用2提纲引言第一章计算流体力学根本原理第二章外形与网格生成第三章计算设置和流场求解第四章计算结果显示第五章CFD结果的可信性分析第六章CFD在风力机中的应用3引言1〕风力机气动问题重要性风力机为气体驱动机械，必须遵循空气动力学原理开展设计：叶片外形--〉风力机效率气动载荷--〉结构设计平安性--〉气动与结构耦合

分析气动问题的方法

〔1〕工程方法：通过合理假设，抓住主要流动规律，结合理论分析和试验数据得到风力机〔叶片〕气动特性；

例子：动量叶素理论。引言4〔2〕地面模拟试验：通过专业设备〔如：风洞〕模拟真实环境流动，对风力机模型〔或部件〕进行测试，为设计提供必要的数据。例子：翼型气动数据引言5〔3〕外场试验：直接在实际运行的风力机上测量相关气动数据，为叶片设计的评判提供根底。例子：NREL试验引言6引言7〔4〕计算流体力学〔CFD〕：利用计算机求解数学模型，得到风力机气动特性。优势：〔1〕门槛低：相对于试验设备，CFD工具的投入可承受；〔2〕现象丰富：有助于对流动现象的分析和设计的改进；〔3〕使用本钱低。引言8引言CFD实验设备计算机+计算软件风洞建设成本中极高使用成本低高可利用资源多少应用范围大中结果丰富少—多可靠性LessMore`````````9应用广泛：有流动就有CFD！航空航天汽车生物医学化工环境水利海洋油气工程发电体育引言10何谓CFD？CFD:ComputationalFluidDynamics，计算流体力学；〔1〕作为学科，CFD主要解决从连续方程到离散方程所引起的数学问题：稳定性、收敛性、相容性。时间/空间离散的精度问题，解的收敛快慢问题等等。〔2〕作为解决问题的工具，主要是利用计算机和CFD成熟软件计算绕物体的流场〔离散形式〕，通过对流场的处理得到物体外表受力受热特性。

第一章计算流体力学根本原理对象CFD软件计算设备流场数据图像图表动画11CFD利用计算机模拟自然界中的流动，本质是一种复杂的仿真技术

其它名称：数值模拟、计算机流体仿真计算、流体工程虚拟现实、数值风洞等；

CFD概念十分广泛，设计学科包括：

第一章计算流体力学根本原理12计算机：并行算法；几何学：外形建模、网格生成；计算数学：计算方法研究；流体力学：流动机理研究、流动模型分析；流体工程：广阔应用领域如航空航天、武器、化工、环境、建筑、桥梁、生物、材料以及能源等〔各领域工程师！〕。应用计算流体力学〔A-CFD〕第一章计算流体力学根本原理＋网格生成软件流体求解软件流场处理软件＋清晰的流动知识根本的CFD知识硬件软件要求＋13应用计算流体力学：硬件第一章计算流体力学根本原理硬件相对于工程方法，CFD对设备的要求高的多：〔1〕千亿次以上计算能力；〔2〕数G以上内存机群！14应用计算流体力学第一章计算流体力学根本原理网格生成软件流体求解软件流场处理软件软件商业软件网格：Gridgen,IcemCFD…流场：Fluent,CFX,StarCD…显示：CFDView,Tecplot…15应用计算流体力学第一章计算流体力学根本原理清晰的流动知识根本的CFD知识要求＋空气动力学根本原理本课程？16应用计算流体力学〔A-CFD〕第一章计算流体力学根本原理A-CFD求解流程1、了解待求解问题：可压缩/不可压缩？无粘/层流/湍流？附体/别离？2、CFD建模1：外形定义、计算区域定义、网格划分、边界条件定义……3、CFD建模2：确定求解方案，时间/空间离散方法、加速收敛策略、湍流模型选择、过程检测选择……4、CFD建模3：结果评判、流场显示……17CFD建模1：外形定义第二章外形与网格生成18CFD建模1：外形定义第二章外形与网格生成CAD：SolidWorks,ProE…

IGES文件19CFD建模1：网格生成第二章外形与网格生成软件：Gambit只生成Fluent可用网格GridGen,IcemCFD：通用网格70％的CFD工作量为网格生成！20CFD建模1：网格生成第二章外形与网格生成结构网格：节点编码：在三个方向〔i,j,k〕上以一定顺序编码；〔类似织布：经、纬、层〕相邻关系：i-1,i,i+1……二维：四边形三维：六面体21CFD建模1：网格生成第二章外形与网格生成非结构网格：节点编码：无规律，顺序计数。相邻关系：必须记录，如i周围单元为(l,m,n)等。网格可为任意形状！ilmn22CFD建模1：网格生成第二章外形与网格生成非结构/结构混合网格：物面附近为结构网格，流场光滑区为非结构网格，可适合不同流场特性的计算。编码方式同非结构网格。23CFD建模1：网格生成第二章外形与网格生成网格质量：〔1〕结构网格：均匀、正交；〔2〕非结构网格：正多边形，防止尖角。24CFD建模1：网格生成第二章外形与网格生成网格原那么：和流场结构相匹配：流场参数变化大的区域，密网格；梯度小的区域，稀网格！边界层网格：uy25CFD建模1：网格生成第二章外形与网格生成网格生成根本步骤：〔1〕了解流场特点：边界层？别离/漩涡？剪切层？〔2〕生成物面网格：曲率小－>网格密集；〔3〕确定计算区域：外边界，生成外边界网格；〔4〕生成空间网格26CFD建模1：网格生成第二章外形与网格生成网格生成技巧：〔1〕分区，简化拓扑结构〔2〕将要特殊处置的网格做成区域边界〔因为边界附近网格质量/密度可控〕；〔3〕空间网格从复杂到简单；〔4〕使用拉伸函数；〔5〕外边界远离物面影响区。27CFD建模1：网格生成第二章外形与网格生成网格生成经验：物面附近网格密度控制：y＋参数平板圆管物面附近第一层网格大小和湍流模型有关！28CFD建模1：网格生成商业软件根本操作第二章外形与网格生成1、外形根本元素：点、线、面、体；2、网格生成根本顺序：定义点－>连成线－>围成面－>组成体，Bottom-Up(Gridgen)；B－U：繁琐但网格可控；Others：简便，质量不能保证。29CFD建模1：网格生成

Gambit的点和线第二章外形与网格生成输入坐标确定点线段圆弧二次函数B样条30CFD建模1：网格生成Gambit的面第二章外形与网格生成四边形圆形31CFD建模1：网格生成Gambit的体第二章外形与网格生成六面体球体锥体32CFD建模1：网格生成Gambit的外形操作第二章外形与网格生成合并切割相交33CFD建模1：网格生成Gambit与CAD接口尽管网格软件本身具有一定的构形能力，但对于复杂外形远不及专业的CAD软件。此外，工业上外形设计可提供CAD文件，因此商业网格生成软件均可与CAD衔接。一般衔接格式：IGES，STL，STEP等标准接口；GAMBIT还有：ACIS标准；CAD文件可能存在网格不需要的元素，一般选择其中局部“面〞作为几何元素的根底。第二章外形与网格生成34CFD建模1：网格生成网格生成格式：结构网格：超限插值〔TransfiniteInterpolation〕偏微分方程解〔PDE〕网格质量控制以边界为主非结构网格：Delaunay阵面推进法〔Advancingfront〕八分树〔OCTREE〕第二章外形与网格生成具体网格生成过程参见商业软件用户手册！35CFD建模1：网格生成网格生成的评论：〔1〕网格生成在CFD领域是重要的研究方向，最终目标是快速、方便和自动化〔直角坐标系网格〕；〔2〕网格质量、密度和合理性是关系到最终计算结果精度的关键因素之一；〔3〕网格合理性与流场结构、数值方法和模型密切相关；〔4〕网格生成过程是应用CFD的主要工作，技巧和经验非常重要。第二章外形与网格生成36本章为流场求解器局部。在网格生成的根底上，就可以利用商业软件开展流场计算。一般步骤为：〔1〕了解流场特性：可压/不可压？无粘/层流/湍流？别离情况？〔2〕设置边界条件；〔3〕设置流动参数；〔4〕设置流动模型；〔5〕设置求解格式；〔6〕设置计算过程的检测物理量；〔7〕流场求解。第三章计算设置和流场求解37CFD建模2：边界条件〔1〕边界条件可以在网格生成软件设置，也可以在流场求解软件中设置。〔2〕边界条件设置和流场特性相关：可压缩流/不可压缩流？〔3〕不可压缩边界条件：物面、速度入流、压力入流、压力出流、外推条件〔自由出流〕等。第三章计算设置和流场求解38第三章计算设置和流场求解入流边界出流边界外边界物面CFD建模2：边界条件39CFD建模2：边界条件〔1〕物面：一般情况下无需设置，软件默认为速度为零，压力/温度梯度为零；对于换热流体，可指定温度或热流量；〔2〕速度入流〔Velocity-Inlet〕：入口处给定速度〔大小和方向〕；〔简单，只适合不可压和速度情况〕〔3〕压力入流〔Pressure-Inlet)：入口处给定气流总压、总温、流动方向等，速度大小无需给定〔速度未知〕；〔4〕压力出流〔Pressure-outlet〕：给定出口静压，对于有回流的流动，比outflow边界条件更易收敛；其它物理量根据内部流动外推；第三章计算设置和流场求解40CFD建模2：边界条件〔5〕自由出流〔Outflow〕：对于出流边界上的压力或速度均为未知的情形可采用该条件，但是该条件截断了出口以外流场对内部流场的影响，因此出口处的流动梯度必须小才能减小误差，否那么易出现与实际不同的解；〔6〕对称条件〔Symmetry〕：流场结构对称情况，如均匀流通过对称外形；〔7〕周期边界〔Periodic〕。第三章计算设置和流场求解边界条件的合理性是数值解与实际情况是否符合的关键！41CFD建模2：流动参数设置〔1〕物性参数：密度、粘性系数、热传导系数、热容量、比热等；〔2〕边界上参数数值设置：在指定边界条件类型的根底上，给定具体的参数数值；〔3〕所求解参数的单位：重量单位、长度单位、速度单位等；第三章计算设置和流场求解42CFD建模2：流动模型设置〔1〕粘性模型：无粘/层流/湍流？湍流模型？〔2〕是否求解能量方程？〔3〕是否含有其它物理过程：辐射模型多组分模型……第三章计算设置和流场求解43CFD建模2：湍流模型设置湍流模型：最困难、最不准确而对结果影响最大的模型，是CFD计算结果不确定性的主要因素。主要应用的湍流模型：一方程SA模型、二方程k-episilon模型和二方程k-omega模型三大类型，变种那么有几十种。可以在各种流动现象中均可成功应用的模型：无！第三章计算设置和流场求解44CFD建模2：湍流模型设置

湍流及其模型：结构和形态受雷诺数影响第三章计算设置和流场求解附着、层流、定态别离、层流、定态别离、层流、周期层流别离、湍流尾迹、周期湍流别离、湍流尾迹、混沌45CFD建模2：湍流模型设置湍流模型难以普遍适用的根本原因在于：湍流现象太丰富、太复杂、太敏感〔初值和扰动〕！不采用模型能否计算湍流流场？直接模拟！第三章计算设置和流场求解46CFD建模2：湍流模型设置

湍流模型直接模拟：第三章计算设置和流场求解计算规模：47CFD建模2：湍流模型设置

湍流模型直接模拟：巨大的计算量导致无法解决工程问题第三章计算设置和流场求解48CFD建模2：湍流模型设置

湍流模型直接模拟对于工程问题也是不必要的！工程问题主要关注平均作用效果。第三章计算设置和流场求解直接模拟：瞬态过程模型模拟：平均过程49CFD建模2：湍流模型设置

CFD实际求解的是雷诺平均的Navier－Stokes方程＋湍流模型方程，湍流的高频脉动特性被过滤掉，过滤时产生的作用力无法解析得到，需要通过试验来衡量。不同的试验反映的流动现象不同，据其得到的湍流模型只能适用于与试验条件类似的流动。这是湍流模型不能通用的根本原因第三章计算设置和流场求解模型化！50CFD建模2：湍流模型设置湍流模型的选择原那么：〔1〕对流场物理特性的了解：雷诺数范围，别离区情况，压力梯度情况等；〔2〕了解计算要求，特别对网格的要求，密集网格对计算机等资源要求高；〔3〕主要过程：判断流场是否为湍流；选择一个湍流模型和壁面函数；根据壁面函数要求确定物面附近网格大小；生成网格，开展计算；检查结果合理性。

第三章计算设置和流场求解51CFD建模2：湍流模型设置湍流模型的使用经验：〔1〕S-A一方程模型要求物面附近网格密集，对于附着流和小别离流动的计算结果精确；〔2〕对于k-模型，两层模型由于壁面函数，但要求壁面附近网格密集，优先使用Realizablek-模型或Kato&Launder限制器；〔3〕对于k-模型，优先使用SST－k-模型，物面网格最好密集；〔4〕雷诺剪切应力模型计算量大，且需要好的初值。

第三章计算设置和流场求解52CFD建模2：求解格式设置〔1〕背景知识：Navier－Stokes方程第三章计算设置和流场求解不可压缩流：＝Const，连续方程为V=0连续方程动量方程53CFD建模2：求解格式设置对于不可压缩NS方程：〔1〕四个物理量〔p,u,v,w〕，四个方程，但只有三个方程具有时间导数项，压力没有显含时间变化项；〔2〕动量方程的对流项是非线性的，因此NS方程本质是非线性的；〔3〕四个方程通过速度耦合在一起；〔4〕压力和速度的联系可通过伯松〔Poisson〕方程第三章计算设置和流场求解压力联系方程54CFD建模2：求解格式设置〔2〕不可压流场求解方法对压力方程的不同求解策略得到了一系列不可压流场的求解方法：SIMPLE：Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkEquation;SIMPLEC：SIMPLECorrected;PISO：PressureImplicitwithSplittingOperator;

第三章计算设置和流场求解AnIntroductiontoComputationalFluidDynamics:theFiniteVolumeMethod，HKVersteeg&WMalalasekera,世界图书出版公司。55CFD建模2：求解格式设置对求解方法的评述：SIMPLE：需要采用亚松弛迭代〔源于半隐式处理〕；SIMPLEC/PISO：不需要亚松弛，收敛比SIMPLE快；PISO：在不规那么网格中效果好于其它格式。

第三章计算设置和流场求解56CFD建模2：求解格式设置〔3〕有限体积方法

第三章计算设置和流场求解NS方程的本质是反映某一无穷小区域内流体的增减：流体变化率＋对流参加量＋扩散参加量＝源项有限体积法57CFD建模2：求解格式设置〔4〕不可压缩流动的格式设置格式精度：一阶迎风：一阶格式，一般只用于初场计算或定性计算；二阶迎风：TVD格式，主要应用该格式，可用于各种问题计算；Quick：三阶格式，精度最高，但只能用于结构网格〔四边形、六面体〕

第三章计算设置和流场求解58CFD建模2：求解格式设置〔4〕不可压缩流动的格式设置压力插值精度：Linear：界面上压力为网格中心压力的加权平均值；Second-order：带限制器插值〔类似TVD〕，鲁棒性好！PRESTO：类似交错网格的压力值压力速度耦合：SIMPLESIMPLECPISO

第三章计算设置和流场求解对于定常流场，优选二阶精度和PISO，如计算困难时可降精度计算初场，然后改高阶精度；对于非定常流场，需采用耦合方法(Coupled)！59CFD建模2：求解格式设置〔4〕不可压缩流动的格式设置

加速收敛技术Gauss-Seidel点松弛迭代；多重网格技术。技巧多，采用默认设置。

第三章计算设置和流场求解60CFD建模2：〔4〕其它设置

初场：一般采用入口边界条件作为全场的初始值；计算监测量：残差〔收敛特性的指标〕、所关注物理量〔如翼型升力、阻力等〕

第三章计算设置和流场求解开始计算，直到结果收敛！残差下降4各量级以上、或物理量不再变化！61〔1〕CFD得到的结果是与物体关联的空间流场，数据极为丰富；〔2〕物体外表的气动力特性在流场求解软件中就可以得到，无需使用其它结果显示软件；〔3〕如何要分析空间流场结构，流场计算软件的图形图像处理能力有限，推荐使用专门的流场后处理软件；〔4〕计算软件一般具有将数据导入其它图形软件的功能。TecplotCFDView……第四章计算结果显示62流场显示类型：〔1〕曲线类：最根本的数据显示方法，一般显示坐标位置上的参数分布，或一个参数随另一个参数的变化。第四章计算结果显示极曲线商业软件一般具有在物体外表抽取任意位置的能力63流场显示类型：〔2〕流场等值线/等值运图：将参数值相同的位置以线或相同色块连接起来形成的空间图案，可显示参数值的空间变化。第四章计算结果显示涡量表压64流场显示类型：〔3〕速度向量/流线类：反映气流的运动方向。第四章计算结果显示65到目前为止，我们已经能够得到并显示一个CFD计算结果了，但是，我们在计算过程中面临了许许多多的参数选择，如何知道计算的结果是正确的呢？到目前为止，还不存在一个标准，来判断CFD计算结果的可信性，更多地依赖于使用人的CFD经验/技巧、对物理问题的认识以及……运气！ARTorScience?

第五章CFD结果的可信性分析66CFD的正确性：理论：只要1〕方程正确；2〕求解方法正确；3〕计算机能力无限大；可以求解一切与流动有关的问题。现实：方程----湍流？方法----失稳流动？计算机----直接模拟？

第五章CFD结果的可信性分析6768CFD结果的不确定性因素

1.错误介质特性、边界条件、流动模型等：结果不可用。2.误差网格不够；格式精度低；湍流模型敏感。

第五章CFD结果的可信性分析CFD结果分析流程〔1〕敏感性分析网格敏感性网格无关解格式敏感性高阶格式湍流模型敏感性了解湍流模型应用范围与流场特征的对应性〔2〕物理图像和计算结果的合理性雷诺数与别离、攻角与别离、平板摩擦力与计算摩擦力、升力线斜率、附面层厚度等69第五章CFD结果的可信性分析CFD结果分析流程两过程交替进行，直到对流场特性有清楚认识；

对于敏感流场，可尝试将所有影响参数的结果平均，并给出误差范围。可信性：附着流>别离流升力系数>阻力、力矩系数70第五章CFD结果的可信性分析CFD结果分析流程

仍然存在不能信任的CFD计算结果：失稳流场71第五章CFD结果的可信性分析失稳/分叉点：微小扰动导致结果剧变！失稳/分叉点：破坏数值理论的根底：适定性！CFD原那么上可以处理与一切流动现象有关的问题，当然也可以计算风力机的空气动力学问题；目前CFD主要在该方面开展三个方面的问题研究：〔1〕翼型的气动特性计算；〔2〕风力机叶片在风场运行中的计算；〔3〕气动弹性计算。72第六章CFD在风力机中的应用〔1〕翼型的气动特性计算；翼型气动特性是叶片设计的根底。翼型气动特性主要通过试验得到。在翼型设计过程中，为了减少试验工作量和设计本钱，在翼型初样和详细设计阶段，采用理论分析和CFD计算来获得翼型气动特性。案例：RISOE翼型73第六章CFD在风力机中的应用CFD在RISOE翼型设计中的应用开展了二维翼型计算软件EllipSys2d；结合优化方法开展了RISOE系列翼型〔A1、B1〕等；研究了粗糙度影响。74第六章CFD在风力机中的应用RISOE翼型设计流程CFD在RISOE翼型设计中的应用75第六章CFD在风力机中的应用外形定义：B-样条RISOE-A外形CFD在RISOE翼型设计中的应用76第六章CFD在风力机中的应用RISOE-A1-27的CFD计算升力系数CFD在RISOE翼型设计中的应用77第六章CFD在风力机中的应用RISOE-A1-30转捩影响计算CFD在RISOE翼型设计中的应用：粗糙度模拟78第六章CFD在风力机中的应用NACA63415＋粗糙度CFD在RISOE翼型设计中的应用：粗糙度模拟79第六章CFD在风力机中的应用NAC