CFD分析理论及应用技术

CFD分析理论及应用技术

一、CFD是什么CFD（ComputationalFluidDynamics)全名为计算流体动力学。因历史原因，国内一直称计算流体力学，简称CFD。CFD是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。下图为一些工程实例：将求解区域的空间分割为网格，以网格上的离散的值来近似空间上连续的值，称为离散化。每一个解析网格即一个控制体。二．网格与差分方法解析网格网格（控制体）计算时，从边界条件处获得物理量的值，在相邻网格之间有着质量、动量和能量的传递。随着计算的推进，得到全部网格上流速、压力和密度等物理量的值。边界条件边界条件网格以网格上离散的值构建差分方程的方法称为差分格式，离散网格上的差分方程是连续空间上的微分方程的近似。使用不同的差分格式，计算的精度、稳定性都有变化。从上风获得网格的值上风差分(UD)格式=UpwindDifferencing

一阶精度MARS格式=MonotoneAdvectionAndReconstructionScheme

二阶精度

流速，压力等网格网格网格Navier-Stokes方程式完整描述了流体的运动。三．理论支撑-Navier-Stokes方程欧拉（1707～1783）瑞士数学、物理学、天文学家纳维尔（1785～1836）法国数学、物理学家斯托克斯(1819～1903)爱尔兰数学、物理学家欧拉方程描述无粘性流体的运动Navier-Stokes方程完整描述流体的运动考虑粘性Navier-Stokes方程离散化的过程还留有某些问题，那就是比网格的分辩率还小的小旋涡(混乱)引起的问题。包含这些小旋涡的流动称为紊流，紊流从大的旋涡慢慢向小的旋涡扩散。如果使用比这些小旋涡还小的网格来计算，计算规模将非常大，现代的计算机处理能力远远达不到实用阶段，所以有必要使用紊流模型来近似。非定常项对流项扩散项源项为了表现比网格分辩率还小的小旋涡对流动的影响，采用被称为紊流模型的物理模型是必不可少的。3.1紊流模型层流紊流？？？？？？？？？？？？不能捕捉细小的混乱紊流模型有很多种类。根据旋涡粘性(紊流粘性)的概念近似Raynalds应力，效果较好，应用方便，构成了紊流模型中很大一类。一般的，求解时间平均化了的N-S方程(RANS方程式=ReynoldsAveragedNavier-Stokes)，可作为Raynalds应力的体现，由此发展出一系列紊流模型。但是，在非线性很强的情况下问题会变得很困难。

紊流模型时间平均模型RANS空间平均模型LES(Large-eddysimulation)紊流粘性模型应力模型RSM(ReynoldsStressmodels)层流计算线性紊流粘性非线性紊流粘性3.2湍流模型介绍湍流出现在速度变动的地方。这种波动使得流体介质之间相互交换动量、能量和浓度变化，而且引起了数量的波动。由于这种波动是小尺度且是高频率的，所以在实际工程计算中直接模拟的话对计算机的要求会很高。实际上瞬时控制方程可能在时间上、空间上是均匀的，或者可以人为的改变尺度，这样修改后的方程耗费较少的计算机。但是，修改后的方程可能包含有我们所不知的变量，湍流模型需要用已知变量来确定这些变量。实际应用中根据需要选择不同的湍流模型进行模拟。一般商业软件会提供以下湍流模型：·Spalart-Allmaras模型·k-e模型－标准k-e模型－Renormalization-group(RNG)k-e模型－带旋流修正k-e模型·k-ω模型－标准k-ω模型－压力修正k-ω模型－雷诺兹压力模型－大漩涡模拟模型3.2.1怎样选择湍流模型不幸的是没有一个湍流模型对于所有的问题是通用的。选择模型时主要依靠以下几点：流体是否可压、建立特殊的可行的问题、精度的要求、计算机的能力、时间的限制。为了选择最好的模型，你需要了解不同条件的适用范围和限制：标准k-e模型最简单的完整湍流模型是两个方程的模型，要解两个变量，速度和长度尺度。在FLUENT中，标准k-e模型自从被LaunderandSpalding提出之后，就变成工程流场计算中主要的工具了。适用范围广、经济、合理的精度，这就是为什么它在工业流场和热交换模拟中有如此广泛的应用了。它是个半经验的公式，是从实验现象中总结出来的。由于人们已经知道了k-e模型适用的范围，因此人们对它加以改造，出现了RNGk-e模型和带旋流修正k-e模型。RNGk-e模型RNGk-e模型来源于严格的统计技术。它和标准k-e模型很相似，但是有以下改进：·RNG模型在e方程中加了一个条件，有效的改善了精度。·考虑到了湍流漩涡，提高了在这方面的精度。·RNG理论为湍流Prandtl数提供了一个解析公式，然而标准k-e模型使用的是用户提供的常数。·然而标准k-e模型是一种高雷诺数的模型，RNG理论提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式。这些公式的效用依靠正确的对待近壁区域。这些特点使得RNGk-e模型比标准k-e模型在更广泛的流动中有更高的可信度和精度。带旋流修正的k-e模型（Realizable模型）带旋流修正的k-e模型是近期才出现的，比起标准k-e模型来有两个主要的不同点。·带旋流修正的k-e模型为湍流粘性增加了一个公式。·为耗散率增加了新的传输方程，这个方程来源于一个为层流速度波动而作的精确方程术语“realizable”，意味着模型要确保在雷诺压力中要有数学约束，湍流的连续性。带旋流修正的k-e模型直接的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更精确的预测。而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现。带旋流修正的k-e模型和RNGk-e模型都显现出比标准k-e模型在强流线弯曲、漩涡和旋转有更好的表现。最初的研究表明带旋流修正的k-e模型在所有k-e模型中流动分离和复杂二次流有很好的作用。带旋流修正的k-e模型的一个不足是在主要计算旋转和静态流动区域时不能提供自然的湍流粘度。这是因为带旋流修正的k-e模型在定义湍流粘度时考虑了平均旋度的影响。这种额外的旋转影响已经在单一旋转参考系中得到证实，而且表现要好于标准k-e模型。由于这些修改，把它应用于多重参考系统中需要注意。标准k-ω模型标准k-ω模型是基于Wilcoxk-ω模型，它是为考虑低雷诺数、可压缩性和剪切流传播而修改的。Wilcoxk-ω模型预测了自由剪切流传播速率，像尾流、混合流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射，因而可以应用于墙壁束缚流动和自由剪切流动。SSTk-ω模型由Menter发展，以便使得在广泛的领域中可以独立于k-e模型，使得在近壁自由流中k-ω模型有广泛的应用范围和精度SSTk-ω模型比标准k-ω模型在在广泛的流动领域中有更高的精度和可信度。雷诺压力模型（RSM）在FLUENT中RSM是最精细制作的模型。放弃等方性边界速度假设，RSM使得雷诺平均N-S方程封闭，解决了关于方程中的雷诺压力，还有耗散速率。这意味这在二维流动中加入了四个方程，而在三维流动中加入了七个方程。RSM模型并不总是因为比简单模型好而花费更多的计算机资源。但是要考虑雷诺压力的各向异性时，必须用RSM模型。例如飓风流动、燃烧室高速旋转流、管道中二次流。3.3计算成效：cpu时间和解决方案从计算的角度看Spalart-Allmaras模型在FLUENT中是最经济的湍流模型，虽然只有一种方程可以解。由于要解额外的方程，标准k-e模型比Spalart-Allmaras模型耗费更多的计算机资源。带旋流修正的k-e模型比标准k-e模型稍微多一点。由于控制方程中额外的功能和非线性，RNGk-e模型比标准k-e模型多消耗10～15%的CPU时间。就像k-e模型，k-ω模型也是两个方程的模型，所以计算时间相同。比较一下k-e模型和k-ω模型，RSM模型因为考虑了雷诺压力而需要更多的CPU时间。然而高效的程序大大的节约了CPU时间。RSM模型比k-e模型和k-ω模型要多耗费50～60%的CPU时间，还有15～20%的内存。除了时间，湍流模型的选择也影响FLUENT的计算。比如标准k-e模型是专为轻微的扩散设计的，然而RNGk-e模型是为高张力引起的湍流粘度降低而设计的。这就是RNG模型的缺点。同样的，RSM模型需要比k-e模型和k-ω模型更多的时间因为它要联合雷诺压力和层流。目前进行CFD计算主要分Fluent和Star两个主流系列。这里分别以Flunet和Starccm+做简单介绍。FLUENT是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。它提供了完全的网格灵活性，你可以使用非结构网格，例如二维三角形或四边形网格、三维四面体/六面体/金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动。甚至可以用混合型非结构网格。它允许你根据解的具体情况对网格进行修改（细化/粗化）。对于大梯度区域，如自由剪切层和边界层，为了非常准确的预测流动，自适应网格是非常有用的。与结构网格和块结构网格相比，这一特点很明显地减少了产生“好”网格所需要的时间。对于给定精度，解适应细化方法使网格细化方法变得很简单，并且减少了计算量。FLUENT使用client/server结构，因此它允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序。Starccm+开创了多面体网格时代，既具有六面体网格的计算精确性，又具有四面体网格的易生成性。具有对复杂几何的适应性，较少的用户干预，理论上可以具有任意多的面，提高了自动化生成的效率。CCM+的解算器是基于面对求解器，理论上允许网格有任意多个面。以往的求解器往往是基于单元中心的。所以CCM+对多面体网格的计算和处理没有任何物理模型上的限制。四．计算软件介绍五、CFD汽车应用实例分析案例案例一：吹面风管分析

在炎热夏季为保证驾驶室的冷舒适性，需要对吹面风道进行合理的设计。空调的制冷效果虽然是保证冷舒适性的重要因素，但吹面的效果却是通过风道来实现，这就要求各风口出风要相对均匀，管内压力损失不能过大。传统的实验设计方法不仅周期长，而且成本高，不利于开发，这里采用CFD方法对吹面风道进行模拟，获取需要的参数，并以分析结果指导设计。风道本体模型风道入口处分析结果计算主要为获取各风口风量比例及管内压力损失，结合管内气流流动情况及风管壁面压力，对结果做出综合判断。风量比例及管内压力损失见下表1：风口面积（m^2）流量（kg/s）风速（m/s）风量比例（%）压力损失左侧出口0.0054610.0250593.7516.3853.15176.50左中出口0.0056940.0562728.0736.77131.71右中出口0.0057040.0454736.5129.7246.85146.09右侧出口0.0054580.0262183.9217.13174.83入口0.0132890.1530279.4100-表1表1数据看出各风口风量比例基本成16:37:30:17分配，中央左侧出口风量比例达到36.77%，比例偏大，而两侧出口比例偏小，这导致两侧风速偏小，各风口出风不均匀。此外，管内压力损失较大，特别是两侧管内压力损失较大会产生很大的进气阻力而不能充分利用鼓风机的风量。速度流线图整体速度流线图入口处中切面速度流线图上图显示风道内部气流速度变化很大，特别是在中间本体上，由于截面急剧变化，速度损失严重;两侧用橡胶软管连接不仅导致管内很大的压力损失，而且使气流流动非常不顺畅。中间本体管内速度流线图上图显示风道中间由于截面急剧变化，速度损失严重，有气流漩涡产生。建议优化中间本体截面变化，使其平缓过渡避免出现直角拐弯。壁面压力云图风道壁面压力云图显示在左右侧入口处出现明显的压力集中现象，这会导致气流在此衰减严重；中间风道在进风处截面变化急剧导致压力迅速降低。优化建议见尾页。风道整体壁面压力云图1风道整体壁面压力云图2风道本体壁面压力云图1风道本体壁面压力云图2中间本体处可按黑线走势过渡，减缓截面的变化。侧面入口处用大圆弧过渡。伸缩橡胶软管建议用平缓直管代替，拐角处用大圆弧过渡。优化建议以上案例，通过CFD手段获取了各出风口风量比例及风速大小，结合流线压力图提供了优化依据，为吹面风管的设计提供了快速有力的优化工具。六、CFD分析内容以下针对汽车行业进行简单分类和分析介绍。CFD计算主要分为以下几方面：1）流场计算a)外流场：在结构的外表面进行空气流动模拟。如整车风阻分析、抗侧风能力分析、超车、会车分析等。b)内流场：在结构的内部进行空气流动模拟。如空调风量比例分析、进排气系统内部压损分析、中央吹面风管风量分配分析、吹面风管驾驶员侧吹面验证、除霜除雾稳态分析等。2）温度场计算

在内外流场的计算基础上，给定热源、壁面传热系数、初始温度等进行的温度场计算。用来考察单件本身的温度或系统周围温度场的分布情况。3）舒适性计算

在汽车设计过程中，主要考察驾驶舱内部的舒适性，包括冷舒适性和热舒适性两方面。4）风噪计算

汽车设计中主要考察后视镜、天窗、进排气系统等发出的噪声。

在第一轮设计过程中，主要要考虑风管的优化问题，主要涉及到总布置、内外饰、电器、底盘部门。以下分部门进行探讨。7.3.1)总布置-空调出口是否严重偏向副驾驶总布置需要考虑的是空调的布置位置是否严重偏离XZ中心面，空调出口到仪表台风口的距离是否足够。以上阐述问题导致的后果是：若空调严重偏移XZ中心面，必然导致除霜风管和吹面风管左右不对称，导致左右侧风量分配不均。空调出口到风口距离过短必然导致风管走势弯曲，增大内部压力损失。以上两方面若前期不考虑，必然会对后期优化工作造成很大难度。7.3）第一轮设计阶段空调出口严重偏向副驾驶侧，会导致驾驶员侧风量明显小于副驾驶，对后期优化造成很大难度。空调出口适当偏向驾驶员侧是允许的，而且可适当增大