计算流体力学课件

1、计算流体力学基础计算流体力学基础Computational fluid DynamicsComputational fluid Dynamics2021-11-32第一章第一章 引引 言言 、1.1 绪论绪论2021-11-33n重要性：重要性：CFD提高企业的竞争能力和设计水平；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。和提供了新的途径。n流体问题流体问题 广泛性、复杂性、重要性广泛性、复杂性、重要性n广泛性广泛性：大气、海洋；能源动力、石油化工、大气、海洋；能源动力、石油化工、钢铁冶金、国防、环保；钢

2、铁冶金、国防、环保；n 复杂性：复杂性：数学描述；几何域；多种现象；数学描述；几何域；多种现象； 理论、实验、计算流体力学2021-11-341. 条件：条件： 硬件：发展迅速硬件：发展迅速 软件：软件： CFD比较成熟，比较成熟，FLOWLAB 效果：例子，飞机阻力效果：例子，飞机阻力2. 工程应用：广泛，普及工程应用：广泛，普及 航天：运载工具（武器），航天：运载工具（武器）， 能源：电厂、制冷的仿真，换热器能源：电厂、制冷的仿真，换热器 电子：设备的热问题分析电子：设备的热问题分析108w/m2 高新技术：微机械，高新技术：微机械，n现状：现状：2021-11-35Coputationa

3、l fluid dynamicsn CFD与与CAD n CFD 计算流体动力学是集流体力学、数值计算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。近年来经在各个工业领域得到广泛的应用。近年来，CFDCFD技术已经在各个领域内取得重大的进技术已经在各个领域内取得重大的进步。尤其是国外，步。尤其是国外，CFDCFD技术的应用研究开展技术的应用研究开展得如火如荼。但是，在我国，得如火如荼。但是，在我国，CFDCFD技术仍不技术仍不为广大工程师熟悉，仍是为广大工程师熟悉，仍是“阳春白雪阳春白雪”。202

4、1-11-38In short, todays CFD software provides power industry users with a comprehensive virtual modeling tool for predicting many types of fluid f low and heat transfer phenomena. Today, many of our customers are benefiting from this important technology. （CFD） 电力工业受益于CFD For nearly two decades, eng

5、ineers have been using CFD to address complex fluid flow and heat transfer problems 2021-11-39CFDCFD拥有包括流体流动、传热、辐射、多相流拥有包括流体流动、传热、辐射、多相流、化学反应、燃烧等问题丰富的通用物理模、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干涉、真实气体等大批复杂现象的实用模型。现象的实用模型。 2021-11-3

6、10航空航天：航空航天：图图a a为模拟美国为模拟美国F22F22战斗机的结果，图中战斗机的结果，图中显示的是对称面上的马赫数分布。计算共采用了显示的是对称面上的马赫数分布。计算共采用了260260万个网格单元。模拟的升力、阻力及力矩系数万个网格单元。模拟的升力、阻力及力矩系数都与实验值吻合的很好。都与实验值吻合的很好。图图b b是某飞机多段翼周围的压力分布是某飞机多段翼周围的压力分布图图c c是美国是美国J-31J-31型涡轮喷气发动机的整机模拟。包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。括进气道、压缩机、燃烧室、尾喷管四个部分。2021-11-311汽车领域

7、：汽车领域：图图a a日本汽车工业协会模拟的某汽车外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流场，图中显示了对称面、地面和车身表面的压力分布。分布。图图b b 模拟模拟F1F1方程式赛车的外流场，图中显示的是对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。称面和地面的压力分布。 2021-11-312建筑工业：建筑工业：图图a a 模拟伦敦街区一角的外部风场，图中显示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

8、具体特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。点，设计更灵活的通风系统。图图b b 某帐篷式大型体育场的内部通风问题。图中显示的是体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。方案，加快设计周期，提高设计质量。2021-11-313船舶工业：船舶工业：图图a a 计算船舶问题。船行速度为计算船舶问题。船行速度为2.

9、064 m/s 2.064 m/s 整船的计算阻力为整船的计算阻力为43.9 N43.9 N，而实验结果为，而实验结果为44.3N44.3N。误差。误差几乎为几乎为1%1%。图图b b 德国模拟的船后螺旋桨转动对船体的影响。德国模拟的船后螺旋桨转动对船体的影响。图图c c 是美国海军模拟的某型号潜艇在水下的运动。图中显示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。通过使用的是潜艇转弯时周围的流线。通过使用CFDCFD，能更快地设计，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。出在阻力、机动性等方面都有很大提高的潜艇。2021-11-314能源工业：能源工

10、业：图图a a是是CFDCFD模拟的模拟的500 Mwe500 Mwe电站煤粉锅炉炉内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，燃烧。结果显示了在燃烧器喷流交叉形成的高温、高氧区，NOXNOX生成速率大。生成速率大。图图b b显示的是管壳换热器的流线及温度分布。同时考虑管外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。流体、管内流体、以及管壁部分的耦合传热。图图c c是模拟燃料电池中氧浓度的分布。用户开发了专门的电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化学反应模型，

11、通过催化层的电化学反应速率模拟当地的电流密度。流密度。2021-11-315石油化工：石油化工：图图a a 模拟流化床内气泡的形成和发展过程。多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、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。固体、气体和化学物质。图图b b 是模拟废热回收装置内的温度变化过程，并准确预报了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。于换热面积过小，导致

12、各管间温度相差较大。图图c c 模拟出添加剂的浓度分布。改变添加剂的投放位置，用模拟出添加剂的浓度分布。改变添加剂的投放位置，用CFDCFD模拟来优化添加剂浓度分布，以达到最好的防腐效果模拟来优化添加剂浓度分布，以达到最好的防腐效果2021-11-316冶金工业：冶金工业：图图a a 模拟的钢水铸造过程，图中显示的是铸造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模具内的流线及表面温度分布图图b b是模拟连续加热炉，该炉采用直接加热方式，从图中温度是模拟连续加热炉，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，这会影响钢产品的分布可以看出，钢带有一角的温

13、度过高，这会影响钢产品的质量。质量。图图c 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、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。表面波的发展、温度分布的不均匀性等设计缺陷。 2021-11-317 不受实验等条件限制：不受实验等条件限制：有利于单独参数影响的研究有利于单独参数影响的研究 例如局部参数变化例如局部参数变化系统装置的联合研究系统装置的联合研究 例如配套的部件和设备例如配套的部件和设备其他条件下无法的研究其他条件下无法的

14、研究 高温、两相流、超常尺寸等高温、两相流、超常尺寸等三、三、 数值模拟（虚拟实验）的特点数值模拟（虚拟实验）的特点n可视化；微观、局部化；数值化可视化；微观、局部化；数值化2021-11-318压力云图压力云图速度云图速度云图噪声研究噪声研究烟囱产生的噪声烟囱产生的噪声内部流动模拟内部流动模拟2021-11-319压力云图压力云图挡板处的压力不均匀和旋涡挡板处的压力不均匀和旋涡该处压差最大值该处压差最大值=389.9+778.2=1168.1Pa矢量图矢量图2021-11-320三种烟囱三种烟囱内压力云图比较内压力云图比较2021-11-321产品的开发产品的开发方案设计详细设计制造样机测试

15、评估；性能；质量；可通过否？投产不通过通过传统的设计方法流程：传统的设计方法流程：现代设计方法流程（应用了现代设计方法流程（应用了CFD）：）：方案设计CFD评估详细设计试验验证投产2021-11-322 出口管内流场出口管内流场涡旋鼓风机的开发涡旋鼓风机的开发不不同同叶叶片片形形状状 静压比静压比 效率效率直叶片直叶片 1.042 29.2前弯叶片前弯叶片 1.077 32.18三维叶片三维叶片 1.1 37.837374141 2021-11-323四、四、CFDCFD分析的一般过程分析的一般过程n后处理阶段后处理阶段 计算结果分析、数值计算不确定度的估计计算结果分析、数值计算不确定度的估

16、计n求解过程求解过程 方程组和边界条件确定、方程方程组和边界条件确定、方程离散离散(格式格式)、代数方程代数方程求解求解等等n前处理阶段（如果用商业前处理阶段（如果用商业CFD,人工干预多）人工干预多） 包括实体建模、网格划分包括实体建模、网格划分(时空间时空间离散离散)等等2021-11-325五、五、 CFD的研究内容的研究内容前提：前提：方程组和边界条件确定 物理模型、离散：离散：方程离散(格式)、 网格划分(时、空间离散)解法：解法：代数方程组求解(单独、联立；单独、联立；)（离散（离散+解法）解法）2021-11-326六、六、 CFD的发展史的发展史 在在l933l933年，英国科

17、学家年，英国科学家ThomThom应用手摇计算机完成了对应用手摇计算机完成了对一个外掠圆柱流动的一个外掠圆柱流动的数值计算，数值计算，大致始于大致始于60年代年代在全世界范在全世界范围内逐渐形成规围内逐渐形成规模而且得出有益的结果模而且得出有益的结果1 1、萌芽初创时期、萌芽初创时期(19651974) (1)交错网格的提出，交错网格的提出，19651965 (2) “Journal of Computational Physics”于于1966年创刊。年创刊。(3)1969年英国帝国理工学院年英国帝国理工学院(Imperial College)创建了创建了CHAM，旨在把他们研究组的成果推广

18、应用到工业界。旨在把他们研究组的成果推广应用到工业界。 (4)l972年年SIMPLE算法问世算法问世 (5)1974年美国学者提出了用微分方程来生成适体坐标的方年美国学者提出了用微分方程来生成适体坐标的方法法(TTM方法方法) 2021-11-3272 2、开始走向工业应用阶段、开始走向工业应用阶段(19751984) n1977年由年由Spalding及其学生开发的及其学生开发的GENMIX程序公开发行程序公开发行 n1979大型通用软件大型通用软件PHOENICSPHOENICS第一版问世第一版问世( (意为对抛物型、双意为对抛物型、双曲型、椭圆型方程进行数值积分的系列程序曲型、椭圆型方程进行数值积分的系列程序) )。当时仅限在英。当时仅限在英国帝国理工国帝国理工CFDCFD研究组内使用，为工业界计算一些应用问题。研究组内使用，为工业界计算一些应用问题。LeonardLeonard在在19791979年发表了著名的年发表了著名的QUICKQUICK格式格式-具有三阶精度具有三阶精度( (从界函面数插值而言从界函面数插值而言) )的对流项离散格式，其