機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第三章計(jì)算流體力學(xué)(CFD)簡(jiǎn)介.pptVIP

計(jì)算流體力學(xué)簡(jiǎn)介 Computational Fluid Dynamics，CFD,CFD的概念,計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是流體力學(xué)的新興分支，是一個(gè)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值方法求解流體流動(dòng)的控制方程組，并通過得到的流場(chǎng)和其它物理場(chǎng)研究流動(dòng)現(xiàn)象以及物理/化學(xué)過程的學(xué)科。 預(yù)測(cè)流體流動(dòng)、熱傳導(dǎo)、化學(xué)反應(yīng)以及相關(guān)現(xiàn)象的學(xué)科 控制方程組：包含質(zhì)量、動(dòng)量、能量、元素守恒方程等,控制方程組,質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程) 動(dòng)量守恒方程(運(yùn)動(dòng)方程) 能量守恒方程,主要內(nèi)容,流體的幾個(gè)基本概念 什么是CFD FLUENT-通用CFD軟件 CFD算例,流體的幾個(gè)基本概念,壓縮性：可壓縮流體，不可壓縮流體 壓縮率 粘性：粘性流體，非粘性流體；牛頓流體，非牛頓流體 切向力 表面力：大小與表面面積有關(guān)而且分布作用在流體表面上的力 正壓力：理想流體，靜止流體只有正壓力 切向力：粘性流體才有切向力,流體的幾個(gè)基本概念,絕對(duì)壓強(qiáng)、相對(duì)壓強(qiáng)、真空度 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓patm =101325Pa（760mmHg） 絕對(duì)壓強(qiáng)ps ：以0Pa為基準(zhǔn)得到的壓強(qiáng) 相對(duì)壓強(qiáng)（表壓強(qiáng)）pr ： 真空度pv： 約定：對(duì)于液體，壓強(qiáng)用相對(duì)壓強(qiáng)；對(duì)于氣體，特別是馬赫數(shù)大于0.1的流動(dòng)，應(yīng)視為可壓縮流，壓強(qiáng)用絕對(duì)壓強(qiáng) 靜壓、動(dòng)壓、總壓 由伯努利方程得,靜壓,動(dòng)壓,總壓,流體的幾個(gè)基本概念,定常流動(dòng)、非定常流動(dòng) 定常流動(dòng)：流動(dòng)過程中各物理量均與時(shí)間無關(guān) 非定常流動(dòng)：某一或多個(gè)物理量與時(shí)間有關(guān) 層流、湍流 層流：流體層與層之間沒有物質(zhì)和能量的交換 湍流：流動(dòng)中層與層之間相互有干擾,什么是CFD？,計(jì)算流體力學(xué),計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展,動(dòng)力,條件,什么是CFD？,CFD的作用像在計(jì)算機(jī)上做實(shí)驗(yàn)，故也稱數(shù)值實(shí)驗(yàn),它不但能取代很多實(shí)驗(yàn)工作，而且能做實(shí)驗(yàn)室無法進(jìn)行的研究。 CFD數(shù)值模擬的精度依賴于離散格式、計(jì)算網(wǎng)格、計(jì)算人員的經(jīng)驗(yàn)于技巧 CFD的發(fā)展依賴于計(jì)算機(jī)技術(shù),什么是CFD？,CFD分析與下列情況相關(guān)： 新設(shè)計(jì)方案的研究 產(chǎn)品開發(fā)細(xì)節(jié) 故障解決方案 重新設(shè)計(jì) CFD 分析補(bǔ)充了測(cè)試和實(shí)驗(yàn)功能 簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析中所要求的工作量,什么是CFD？,美國?？哲奆-35戰(zhàn)斗機(jī)所使用的無附面層隔道超音速進(jìn)氣道就是CFD的成果之一.,CFD的進(jìn)展,計(jì)算流體力學(xué)的基本理論與算法已日趨成熟，能處理的物理問題也日漸復(fù)雜，并涌現(xiàn)了許多CFD通用軟件包：Phoenics，F(xiàn)luent，CFX，Star-CD，Ansys， CFD技術(shù)、CAD技術(shù)與先進(jìn)測(cè)試技術(shù)是構(gòu)成現(xiàn)代設(shè)計(jì)-研發(fā)體系的三要素，涵蓋了絕大部分工業(yè)與工程領(lǐng)域。在先進(jìn)工業(yè)國家，CFD數(shù)值模擬早己是許多新產(chǎn)品研發(fā)中不可缺少的環(huán)節(jié),FLUENT-通用CFD軟件,主要功能 可壓縮與不可壓縮流動(dòng)問題； 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)問題； 無粘流、層流及湍流問題； 牛頓流體及非牛頓流體； 對(duì)流換熱問題（包括自然對(duì)流和混合對(duì)流）； 輻射換熱； 慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的流動(dòng)問題模擬； 化學(xué)組分混合與反應(yīng)； 用Lagrangian 軌道模型模擬稀疏相（顆粒，水滴，氣泡等）； 多孔介質(zhì)流動(dòng)； 兩相流問題； 復(fù)雜表面形狀下的自由面流動(dòng),FLUENT-通用CFD軟件,Fluent軟件結(jié)構(gòu) FLUENT解法器 prePDF，用于模擬PDF燃燒過程 GAMBIT，網(wǎng)格生成 TGrid，額外的處理器，用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。 Filters(Translators)，轉(zhuǎn)換其它程序生成的網(wǎng)格，用于FLUENT計(jì)算?？梢越涌诘某绦虬ǎ篈NSYS, I-DEAS, NASTRAN, PATRAN等。,FLUENT-通用CFD軟件,基本程序結(jié)構(gòu)示意圖,FLUENT-通用CFD軟件,Fluent如何工作？,FLUENT 求解器是基于有限體積法建立的 旨在使控制體或控制單元區(qū)域離散化 在控制體的區(qū)域內(nèi)求解質(zhì)量、動(dòng)量、能量、元素等守恒方程 偏微分方程通過離散處理成一系列的代數(shù)方程 所有的代數(shù)方程根據(jù)計(jì)算域求解,管流動(dòng)區(qū)域被離散為有限的控制單元（網(wǎng)格）,FLUENT-通用CFD軟件,FLUENT求解模型,生成網(wǎng)格,前處理,實(shí)體模型,Solver,求解器設(shè)置,后處理,FLUENT-通用CFD軟件,Fluent基本步驟 問題的鑒定及預(yù)處理 定義你所需要的模型 確定即將模擬的區(qū)域 設(shè)計(jì)并創(chuàng)建網(wǎng)格 求解 建立數(shù)學(xué)模型 計(jì)算并監(jiān)控 后處理 檢查結(jié)果 考慮是否需要修改模型,FLUENT-通用CFD軟件,問題的鑒定及預(yù)處理 確定即將模擬的區(qū)域,例如: 除塵器,FLUENT-通用CFD軟件,問題的鑒定及預(yù)處理 設(shè)計(jì)并創(chuàng)建網(wǎng)格,Quadrilateral,FLUENT-通用CFD軟件,求解 FLUENT求解器： FLUENT 2d 二維單精度求解器； FLUENT 3d 三維單精度求解器： FLUENT 2ddp 二維雙精度求解器； FLUENT 3ddp 三維雙精度求解器,FLUENT-通用CFD軟件,求解 FLUENT中有兩種求解器 壓力基和密度基。 壓力基求解器以動(dòng)量和壓力為基本變量 通過連續(xù)性方程導(dǎo)出壓力和速度的耦合算法 只采用隱式方式對(duì)控制方程進(jìn)行線性化 壓力基求解器有兩種算法 分離求解器 壓力修正和動(dòng)量方程順序求解。 耦合求解器(PBCS)壓力和動(dòng)量方程同時(shí)求解,用哪種壓力梯度來計(jì)算控制方程中的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)。,FLUENT-通用CFD軟件,求解 選擇合適的計(jì)算模型 湍流、燃燒、多相流等 定義材料 液體 固體 混合體 指定操作條件 在所有邊界區(qū)域指定邊界條件 提供初始條件 設(shè)置求解控制器 設(shè)置殘差（收斂性）監(jiān)控器,FLUENT-通用CFD軟件,后處理 可視工具可以用于回答如下問題： 整體的流動(dòng)形式？ 是否有分流？ 震動(dòng)、剪切層等來自于哪？ 流動(dòng)的主要特征是否已解決？ 數(shù)據(jù)顯示工具可以用于計(jì)算定量解： 力和力矩 平均傳熱系數(shù) 面積分量和體積分量,FLUENT-通用CFD軟件,后處理軟件-Tecplot Tecplot 是Amtec公司推出的繪圖和數(shù)據(jù)分析的通用軟件，用于數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)分析和測(cè)試。 作為功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)顯示工具，Tecplot通過繪制XY，2-D和3-D數(shù)據(jù)圖以顯示工程和科學(xué)數(shù)據(jù)。,FLUENT-通用CFD軟件,線值圖：在二維或三維空間上，將橫坐標(biāo)取為空間長度或時(shí)間歷程，將縱坐標(biāo)取為某一物理量，然后用光滑曲線或曲面在坐標(biāo)系內(nèi)繪制出某一物理量沿空間或時(shí)間的變化情況。,Ma=0.8的均勻場(chǎng)內(nèi)靜止點(diǎn)聲源的聲輻射,觀察者位置(100m,0m,0m),FLUENT-通用CFD軟件,矢量圖：直接給出二維或三維空間里矢量（如速度）的方向及大小，一般用不同顏色和長度的箭頭表示速度矢量。矢量圖能形象地顯示流動(dòng)特征,某離心葉輪近輪蓋處的速度分布,FLUENT-通用CFD軟件,流線,FLUENT-通用CFD軟件,等值線圖(contour)：同一線上的物理量(如壓強(qiáng))相等。 云圖：使用渲染的方式，將流場(chǎng)某個(gè)截面上的物理量(如壓力或溫度)用連續(xù)變化的顏色塊表示其分布。,振蕩機(jī)翼附近的壓力等值分布,振蕩機(jī)翼附近的壓力云圖,CFD算例,閥門內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬,CF