CFD概念及應(yīng)用-課件

CFD概念及應(yīng)用CFD概念及應(yīng)用1目錄前言CFD簡(jiǎn)介CFD分析的基本步驟CFD應(yīng)用結(jié)論2PPT課件目錄前言2PPT課件2精品資料精品資料3你怎么稱呼老師？如果老師最后沒有總結(jié)一節(jié)課的重點(diǎn)的難點(diǎn)，你是否會(huì)認(rèn)為老師的教學(xué)方法需要改進(jìn)？你所經(jīng)歷的課堂，是講座式還是討論式？教師的教鞭“不怕太陽(yáng)曬，也不怕那風(fēng)雨狂，只怕先生罵我笨，沒有學(xué)問無(wú)顏見爹娘……”“太陽(yáng)當(dāng)空照，花兒對(duì)我笑，小鳥說(shuō)早早早……”CFD概念及應(yīng)用-ppt課件4前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，燃煤電廠的粉塵排放濃度降低到50mg/Nm3。這樣就對(duì)除塵器的設(shè)計(jì)、制造、設(shè)備性能提出了更高的要求。而對(duì)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)離不開模型試驗(yàn),但模型實(shí)驗(yàn)往往是場(chǎng)地大、時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高。采用CFD數(shù)值分析方法則可以減少模型實(shí)驗(yàn)次數(shù)，甚至不需要模型實(shí)驗(yàn)就能解決一些因?qū)嶒?yàn)條件限制難以解決的問題，為電除塵器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。5PPT課件前言隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，燃煤電廠5流體研究的方法

目前，一般將流體力學(xué)的研究和分析手段分為理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算三種。而這三種方法組成了研究流體流動(dòng)問題的完整體系。單純?cè)囼?yàn)研究單純理論分析計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）6PPT課件流體研究的方法目前，一般將流體力學(xué)的研究和分析手段分為6流體的研究方法

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理論分析具有普遍性――各種影響因素清晰可見、為實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究提供依據(jù)

▲實(shí)驗(yàn)研究仍是研究工作的基石，數(shù)值研究的許多方面都密切依賴于實(shí)驗(yàn)研究：實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)；計(jì)算結(jié)果需由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以建立計(jì)算模型等等

▲數(shù)值模擬是特殊意義下的實(shí)驗(yàn)，也稱數(shù)值實(shí)驗(yàn)7PPT課件流體的研究方法▲理論分析具有普遍性――各種影響因素清晰7CFD基本概念★計(jì)算流體力學(xué)（ComputationFluidDynamics，簡(jiǎn)稱CFD）就是在電子計(jì)算機(jī)上數(shù)值求解流體與氣體動(dòng)力學(xué)基本方程的學(xué)科，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體力學(xué)流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等到相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析?！锟刂品匠蹋嘿|(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、組分質(zhì)量守恒方程★CFD方法可以降低實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和費(fèi)用等。8PPT課件CFD基本概念★計(jì)算流體力學(xué)（Computation8CFD基本概念★CFD基本思想：把原來(lái)在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，用一系列有限個(gè)點(diǎn)上的變量的集合來(lái)代替，能過(guò)一這的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。★CFD方法恰好克服了前兩種方法的弱點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的計(jì)算，就好像在計(jì)算機(jī)上做一次物理試驗(yàn)?？梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算機(jī)看到流場(chǎng)的各種細(xì)節(jié)，如壓力的分布，速度的分布、方向，渦的生成與傳播，流動(dòng)的分離等。9PPT課件CFD基本概念★CFD基本思想：把原來(lái)在時(shí)間域及9CFD可以應(yīng)用于：☆新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念研究☆產(chǎn)品開發(fā)的細(xì)節(jié)☆發(fā)現(xiàn)并解決故障☆產(chǎn)品的重新設(shè)計(jì)

應(yīng)用CFD可以提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力和設(shè)計(jì)水平；是企業(yè)數(shù)值化的重要部分；帶來(lái)了嶄新的設(shè)計(jì)理念和提供了新的途徑。CFD基本概念10PPT課件CFD可以應(yīng)用于：應(yīng)用CFD可以提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)10CFD的基本概念CFD的應(yīng)用領(lǐng)域近年來(lái)，CFD有了很大發(fā)展，替代了經(jīng)典流體力學(xué)中的一些近似計(jì)算法和圖解法。典型的應(yīng)用場(chǎng)合及相關(guān)的工程問題包括：水輪機(jī)、風(fēng)機(jī)和泵等流體機(jī)械內(nèi)部的流體流動(dòng)；飛機(jī)和航天飛機(jī)等到飛行器的設(shè)計(jì)；汽車流線外型對(duì)性能的影響；洪水波及河口潮流計(jì)算；風(fēng)載荷對(duì)高層建筑物穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)性能的影響；溫室及室內(nèi)的空氣流動(dòng)及環(huán)境分析；電子元器件的冷卻；換熱器性能分析及換熱器片形狀的選?。缓恿髦形廴镜臄U(kuò)散；汽車尾氣對(duì)街道環(huán)境的污染；食品中細(xì)菌的運(yùn)移。11PPT課件CFD的基本概念CFD的應(yīng)用領(lǐng)域11PPT課件11CFD控制方程質(zhì)量守恒方程：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。12PPT課件CFD控制方程質(zhì)量守恒方程：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加12CFD控制方程動(dòng)量守恒方程：微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的的各種力之和。13PPT課件CFD控制方程動(dòng)量守恒方程：微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率13CFD控制方程能量守恒方程(energyconservationequation)：微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱流量加上體力與面力對(duì)微元體所做的功。14PPT課件CFD控制方程能量守恒方程(energyconservat14CFD控制方程組分質(zhì)量守恒方程(speciesmass-conservationequations)：系統(tǒng)內(nèi)某種化學(xué)組分質(zhì)量對(duì)時(shí)間的變化率，等于通過(guò)系統(tǒng)界面凈擴(kuò)散流量與通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的該組分的生產(chǎn)率之和。15PPT課件CFD控制方程組分質(zhì)量守恒方程(speciesmass-c15CFD結(jié)構(gòu)輸運(yùn)方程質(zhì)量組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相體積分?jǐn)?shù)動(dòng)量能量狀態(tài)方程物理模型解算器物理模型湍流模型燃燒模型輻射模型多項(xiàng)流模型相變模型移動(dòng)區(qū)域移動(dòng)網(wǎng)格網(wǎng)格生成材料特性邊界條件初始條件解算器設(shè)置前處理幾何模型后處理求解的方程16PPT課件CFD結(jié)構(gòu)輸運(yùn)方程解算器物理模型網(wǎng)格生成材料特性解算器設(shè)16傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法流程：應(yīng)用CFD的設(shè)計(jì)流程：CFD在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中的應(yīng)用17PPT課件傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法流程：應(yīng)用CFD的設(shè)計(jì)流程：CFD在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中17☆“數(shù)值實(shí)驗(yàn)”比“物理實(shí)驗(yàn)”具有更大的自由度和靈活性，例如“自由”地選取各種參數(shù)，不受物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南拗频取睢皵?shù)值實(shí)驗(yàn)”可以進(jìn)行“物理實(shí)驗(yàn)”不可能或很難進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)；例如：高溫、有毒、易燃等真實(shí)條件和實(shí)驗(yàn)中只能接近而無(wú)法達(dá)到的理想條件☆“數(shù)值實(shí)驗(yàn)”的經(jīng)濟(jì)效益極為顯著，而且將越來(lái)越顯著CFD的優(yōu)勢(shì)：18PPT課件☆“數(shù)值實(shí)驗(yàn)”比“物理實(shí)驗(yàn)”具有更大的自由度和靈活性，例如“18

△流動(dòng)機(jī)理不明的問題，數(shù)值工作無(wú)法進(jìn)行

△數(shù)值工作自身仍然有許多理論問題有待解決

△離散化不僅引起定量的誤差，同時(shí)也會(huì)引起定性的誤差，所以數(shù)值工作仍然離不開實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證

△程序的編制及資料的收集、整理與正確利用，在很大程度上依賴與試驗(yàn)和技巧CFD方法存在的問題與不足

19PPT課件△流動(dòng)機(jī)理不明的問題，數(shù)值工作無(wú)法進(jìn)△數(shù)值工作自身仍然有19CFD分析的基本步驟問題說(shuō)明和前處理

1.定義模擬目標(biāo). 2.定義模型區(qū)域. 3.設(shè)計(jì)和劃分網(wǎng)格.解方程

4.設(shè)置數(shù)值計(jì)算模型. 5.計(jì)算及監(jiān)測(cè)方程的解.后處理

6.檢查結(jié)果. 7.考慮模型修正.20PPT課件CFD分析的基本步驟問題說(shuō)明和前處理20PPT課件20定義模擬目標(biāo)希望得到什么樣的結(jié)果及結(jié)果如何應(yīng)用模型的選擇確定在模擬中需要的物理模型在模擬中哪些簡(jiǎn)化、假設(shè)是主要的在模擬中哪些簡(jiǎn)化、假設(shè)是次要的模型是否還需要獨(dú)特的功能在CFD中有用戶自定義的功能(User-definedFunction)計(jì)算精度計(jì)算速度問題說(shuō)明和前處理

1.定義模擬目標(biāo). 2.定義模型區(qū)域. 3.設(shè)計(jì)和劃分網(wǎng)格.21PPT課件定義模擬目標(biāo)希望得到什么樣的結(jié)果及結(jié)果如何應(yīng)用問題說(shuō)明和前處21定義模擬區(qū)域如何將需要模擬的區(qū)域從系統(tǒng)整體中獨(dú)立出來(lái)？計(jì)算區(qū)域的范圍（即從何處開始及結(jié)束）是否有合理的邊界條件?邊界條件的類型是否合適?是否可以將現(xiàn)有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為幾何模型？是否可以將模型簡(jiǎn)化或者近似為2D或者對(duì)稱問題?問題說(shuō)明和前處理

1.定義模擬目標(biāo).

2.定義模型區(qū)域. 3.設(shè)計(jì)和劃分網(wǎng)格.GasCycloneL-valveGas例:旋風(fēng)分離器22PPT課件定義模擬區(qū)域如何將需要模擬的區(qū)域從系統(tǒng)整體中獨(dú)立出來(lái)？問題說(shuō)22設(shè)計(jì)和劃分網(wǎng)格網(wǎng)格使用網(wǎng)格的種類：矩形/六面體網(wǎng)格還是三角形/四面體網(wǎng)格或者金字塔型網(wǎng)格。幾何體和流動(dòng)的復(fù)雜程度?是否需要非規(guī)則的界面?每個(gè)區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格精度對(duì)幾何體來(lái)說(shuō)是否有足夠的精度?對(duì)高梯度區(qū)域如何預(yù)測(cè)?使用自適應(yīng)網(wǎng)格增加精度?計(jì)算機(jī)內(nèi)存是否足夠?需要的網(wǎng)格數(shù)量?使用的模型數(shù)量?問題說(shuō)明和前處理

1.定義模擬目標(biāo). 2.定義模型區(qū)域.

3.設(shè)計(jì)和劃分網(wǎng)格.網(wǎng)格Triangle(三角形)Quadrilateral

（矩形）Tetrahedron(四面體)Pyramid(金字塔)prism/wedge

（楔型）Hexahedron（六面體）23PPT課件設(shè)計(jì)和劃分網(wǎng)格網(wǎng)格使用網(wǎng)格的種類：矩形/六面體網(wǎng)格還是三角形23設(shè)置數(shù)值計(jì)算模型模型對(duì)于給定的問題,需要:選擇合適的物理模型.湍流,燃燒,多項(xiàng)流等.定義材料特性.流體固體混合模型描述操作條件.在所有邊界區(qū)域描述邊界條件.提供初始解.設(shè)置解算器控制.設(shè)置收斂監(jiān)測(cè).解方程

4.設(shè)置數(shù)值計(jì)算模型. 5.計(jì)算及監(jiān)測(cè)方程的解.24PPT課件設(shè)置數(shù)值計(jì)算模型模型對(duì)于給定的問題,需要:解方程24PPT課24計(jì)算及監(jiān)測(cè)方程的解離散方程通過(guò)迭代求解.迭代通常要得到方程的收斂解.收斂的條件:兩次迭代之間解變量的變化是可忽略的.殘差提供了監(jiān)測(cè)這種變化趨勢(shì)的方法.達(dá)到所有特性的守恒.解收斂的準(zhǔn)確性有以下各項(xiàng)決定:物理模型的可靠性和準(zhǔn)確性.網(wǎng)格的分辨率和獨(dú)立性.問題調(diào)整.解方程

4.設(shè)置數(shù)值計(jì)算模型.

5.計(jì)算及監(jiān)測(cè)方程的解.25PPT課件計(jì)算及監(jiān)測(cè)方程的解離散方程通過(guò)迭代求解.解方程25PPT課件25檢查結(jié)果檢查結(jié)果以檢查解和選出有用的數(shù)據(jù).可視化工具可用來(lái)回答如下問題:所有的流體模式是什么?是否有分離?何處有振蕩,剪切層等形式?關(guān)鍵的流動(dòng)特性是否已經(jīng)解決?數(shù)值報(bào)告工具可用來(lái)計(jì)算定量解:力和力矩平均熱傳遞系數(shù)面和體積積分流量平衡后處理

6.檢查結(jié)果. 7.考慮模型修正.26PPT課件檢查結(jié)果檢查結(jié)果以檢查解和選出有用的數(shù)據(jù).后處理26PPT課26考慮模型修正物理模型是否合適?是否是湍流?流動(dòng)是否穩(wěn)定?是否是壓縮流動(dòng)?是否是3D模式?邊界條件是否正確?計(jì)算區(qū)域是否足夠大?邊界條件是否合適?邊界值是否合理?網(wǎng)格是否足夠?網(wǎng)格是否能提高解的質(zhì)量?解是否隨網(wǎng)格的自適應(yīng)進(jìn)行變化,或者解的網(wǎng)格是否獨(dú)立?邊界條件是否需要改善?后處理

6.檢查結(jié)果.

7.考慮模型修正.27PPT課件考慮模型修正物理模型是否合適?后處理27PPT課件27CFD的應(yīng)用建立幾何模型劃分網(wǎng)格設(shè)置邊界條件計(jì)算初始化迭代計(jì)算結(jié)果顯示28PPT課件CFD的應(yīng)用建立幾何模型28PPT課件28幾何模型

用前處理軟件Gambit建立所要模擬的幾何模型，并在建模的時(shí)候進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理。而幾何模型建立的準(zhǔn)確與否，直接影響模擬的結(jié)果。29PPT課件幾何模型用前處理軟件Gambit建立所要模擬的幾何模型29劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達(dá)形式，也是模擬與分析的載體。網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)CFD計(jì)算精確度和計(jì)算效率有重要影響。對(duì)于像電除塵器這樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜的CFD問題，網(wǎng)格的生成極為耗時(shí)，且容易出錯(cuò)，生成網(wǎng)格的時(shí)間常常大于實(shí)際CFD計(jì)算的時(shí)間。30PPT課件劃分網(wǎng)格網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達(dá)形式，也是模擬與分析的30劃分網(wǎng)格31PPT課件劃分網(wǎng)格31PPT課件31劃分網(wǎng)格32PPT課件劃分網(wǎng)格32PPT課件32設(shè)置邊界條件

所謂邊界條件，是指在求解域的邊界上所求解的變量或其一階導(dǎo)數(shù)歲地點(diǎn)及時(shí)間變化的規(guī)律。只有給定了合理的邊界條件的問題，才可能計(jì)算得出流場(chǎng)的解。在指定邊界類型及區(qū)域類型之前，必須在slover菜單中指定求解器為FLUENT5/6，然后再進(jìn)行指定。在CFD模擬時(shí)，基本邊界條件包括流動(dòng)進(jìn)出口邊界、流動(dòng)出口邊界、給定壓力邊界、壁面邊界、對(duì)稱邊界、周期性（循環(huán)）邊界。33PPT課件設(shè)置邊界條件所謂邊界條件，是指在求解域的邊界上所求解的33設(shè)置邊界條件

在Gambit中對(duì)各個(gè)邊界條件的類型進(jìn)行設(shè)置，給予各個(gè)面不同的邊界類型。34PPT課件設(shè)置邊界條件在Gambit中對(duì)各個(gè)邊界條件的類型進(jìn)行設(shè)34邊界條件設(shè)置

在FLUENT中對(duì)各個(gè)邊界條件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置，給予各個(gè)邊界的初始值。35PPT課件邊界條件設(shè)置在FLUENT中對(duì)各個(gè)邊界條件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)35定義計(jì)算模型對(duì)模擬計(jì)算的各種模型，如湍流模型，采用何種迭代方式，能量方程等。36PPT課件定義計(jì)算模型對(duì)模擬計(jì)算的各種模型，如湍流模型，采用何種迭代方36進(jìn)行初始化及迭代計(jì)算

對(duì)迭代計(jì)算進(jìn)行初始化，也就是為整體的計(jì)算賦一個(gè)初值37PPT課件進(jìn)行初始化及迭代計(jì)算對(duì)迭代計(jì)算進(jìn)行初始化，也就是為整37迭代計(jì)算

進(jìn)行迭代計(jì)算，直到方程收斂。而收斂前的迭代次數(shù)，和模型求解的難度、網(wǎng)格網(wǎng)格細(xì)密程度、使用的算法、收斂判據(jù)等有關(guān)38PPT課件迭代計(jì)算進(jìn)行迭代計(jì)算，直到方程收斂。而收斂前的迭代次38結(jié)果顯示除塵器內(nèi)的流線，電場(chǎng)端面的流速分布