计算流体力学与Fluent应用课件

数值计算方法与应用——计算流体力学与Fluent应用第一章绪

论课程简介Fluent应用Fluent原理：计算流体力学（CFD）Fluent：数值模拟软件，利用计算机求解流体系统的控制方程，模拟出真实系统的本质特征。数值模拟概述模拟模拟：采用替代手段，以一物/过程“再现”另一物/过程为什么模拟？弄清现象本质：科学研究生产实用产品：工业和工程设计模拟方法：实物模拟：实物模型->实验->数据分析数学模拟：数学模型->求解->数据分析数值模拟数学模型求解解析方法数值方法数学模拟：数学模型->求解->数据分析数值计算的产生：数学模型太复杂，不能解析求解数值方法特点：无限→有限微分→代数非线性→线性复杂→简单数值计算的关键：误差分析最终要由实验来检验怎样进行数值模拟数学模型代数方程，微分方程，积分方程；连续方程，离散方程；随机模型，确定性模型；……数学模型求解计算方法计算工具计算方法在计算工具上的实现：编制程序商业程序：Fluent，ANSYS，PRO/E开源程序：OpenFOAM，Salomé,Code_Aster,Code_Saturne数值计算应用科学研究数值计算应用：化学IRCofmoleculardissociationofformaldehyde数值计算应用：物理数值计算应用:材料物理Modelingmaterialsondifferentlengthscales:quantummechanics(tightbinding)classicalforces(moleculardynamics)continuummechanics(finiteelement)MaterialsPhysics：CrackpropagationinSilicon数值计算应用:生物Protein-proteininteractions气象预报数值计算应用工程设计：计算机辅助工程（CAE）CAE：在产品的研发过程中，利用计算机进行建模及性能仿真分析

方案设计

建模

物理建模，数学建模，计算建模

仿真

计算机仿真，解析方法，实验方法

分析

结果可视化照片，录像带，计算机图形，虚拟现实

详细设计

物理样机制造

物理样机测试

批量生产

虚拟样机分析

数值计算应用：CAE先进的产品研发系统流程数值计算应用：CAE波音777的研发过程中采用CAE数字化样机技术，节省了大量物理样机试飞次数，仅一次试飞即获得成功，每次物理样机实验需花费1亿美元CAE技术在汽车工业中的应用，使新车开发周期由原来的5~6年缩减到现在的1~2年CFD与CAEF18StoreSeparationAerospaceAutomotive计算流体力学计算流体力学（CFD）流体力学三大研究手段：理论分析实验研究数值计算计算流体力学流体力学基本方程数值方法有限差分有限体积有限元谱方法……CFD应用研究流体运动规律，发现新的物理现象执行实验难以完成的任务飞机、船舶天气与气候预测天体运动，星系演化爆炸、污染、辐射CAE应用：设计产品，成本低，周期短CFD应用Polymerizationreactorvessel-predictionofflowseparationandresidencetimeeffects.StreamlinesforworkstationventilationHVACChemicalProcessingHydraulicsCFD应用FlowoflubricatingmudoverdrillbitFlowaroundcoolingtowersOil&GasPowerGenerationTemperatureandnaturalconvectioncurrentsintheeyefollowinglaserheating.BiomedicalCFD的局限数值结果永远都是近似的误差分析很重要数学模型的合理性计算方法的精度CFD求解问题的流程明确目的建立模型选用合适CFD软件及相应模块确定数值方法求解并监视收敛后处理建立模型几何结构和求解域CAD,ACIS,STEP,IGES选择合适坐标系根据流动条件给出控制方程.建立模型初始和边界条件确定数值方法离散方法

有限差分、有限元、有限体积网格生成设定算法参数直接求解、迭代求解高性能计算(并行算法)求解并监视收敛后处理可视化分析，文字报告流场、涡旋、温度场、应力分布矢量图、等值线图（云图）、X—Y坐标图后处理软件TECPLOT误差处理数值误差迭代误差估计离散误差估计模型误差估计代码检验与模型验证CFD软件概述商业软件：FLUENT,Star-CD,CFDRC,CFX/AEA学术软件：CFDSHIP-IOWA共享免费软件：PHI3D,HYDROCFD辅助软件：Gridgen,Gambit，TECPLOT通用CFD软件特点基于通用的流体力学基本方程组灵活的前处理系统网格生成器计算条件的输入（初始条件、边界条件、流体热力学和动力学参数）完善的后处理系统:计算结果的处理、显示、输出和向其它软件移植方便的模块接口保证用户能够加入自己开发的模块，拓展软件应用范围通用CFD软件特点提供算例这些算例基于三类问题（benchmark问题）有精确解的问题有数值基准解的问题有高精度实验数据的问题检验CFD软件的可靠性和精度提供了一些问题求解的基本思路完备的防错和诊断系统用户帮助文件（Help）、手册（UserManual）和教程（Tutorial）常见的通用CFD软件FLUENT及其附属软件PHOENICS（凤凰）CFXFLOW－3DFIDAPSTAR－CDPHOENICS（凤凰）ParabolicHyperbolicOrEllipticNumericalIntegrationCodeSeries.英国CHAM公司有限容积法传热、流动、反应、燃烧第一个投放市场的CFD商用软件（1981）应用广泛:

空气动力学、燃烧、电子器件冷却、换热器、生物医学、城市污染物预测……CFX第一个通过ISO9001质量认证旋转机械模块－CFX-Tascflow，90%市场CFX的前处理器，ICEM，优质网格技术基于有限元的有限体积法，结果精确前身为CFDS－FLOW3D。2003年，并入CAE仿真软件ANSYS航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、冶金、环保FLOW－3D美国FlowScience,Inc.于1983年推出有限容积法全功能软件，不需要额外网格生成模块或者事后处理模块多孔介质中的流动、耦合传热问题、带自由表面的流动、可压缩和不可压缩流动、非牛顿流体的流动……FIDAPFluidDynamicsAnalysisPackage美国FluidDynamicsInternational,Inc.于1983年推出第一个使用有限元方法的通用CFD软件具有强大的流固耦合功能适合模拟动边界、自由表面、相变、电磁效应等复杂流动问题STAR－CDSimulationofTurbulentflowinArbitraryRegion.CD是开发商ComputationalDynamicsLtd的简称有限体积方法第一个采用完全非结构化网格生成技术汽车工业中有广泛应用稳态和非稳态流动、牛顿流体和非牛顿流体的流动、亚音速和超音速流动、多相流等FLUENT软件概述及基本功能美国Creare公司的CFD软件部1983年推出1988年Fluent公司正式成立1996年上市，收购了FIDAP1997年，合并了PolyflowS.A.公司1998年推出了前处理网格生成软件GAMBIT，推出FLUENT52006年并入ANSYS最新版本为ANSYS-FLUENT12，在这之前为FLUENT6.3FLUENT的用途二维和三维流动可压缩与不可压缩流动稳态和瞬态流动无粘流，层流及湍流牛顿流体及非牛顿流体导热、对流、辐射换热问题惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动多运动坐标系FLUENT的用途多组分输运与反应多组分输运，如建筑物火灾中烟气的蔓延气体燃烧：预混、非预混、部分预混煤、液态燃料、气态和混合燃料的燃烧污染形成模型（NOx，烟尘）化学表面沉积（CVD）和其它非均相表面反应用户自定义反应源项/汇项两相流及多相流

气液或液液流动、气固、液固、三相流动多孔介质流动和自由表面流动FLUENT的用途内燃机点火气动噪声凝固和熔化FLUENT及其相关软件前处理器：网格工具GAMBIT：通用网格生成器，可以几何建模TGRID：针对Fluent的纯非结构网格生成器,用于从现有的边界网格生成体网格G/Turbo：透平等旋转机械网格生成CFD求解器FLUENTPOLYFLOW:基于有限元，粘弹性和聚合物流动FIDAP:基于有限元，流固耦合分析后处理器TecplotFLUENT及其相关软件专用求解器FloWizard。第一个针对设计者使用的通用的CFD产品。不需要流体模拟专业知识，界面非常友好。内置FLUENT6求解器。FLUENTForCatia：产品设计（CAD)模型与CFD模型结合，缩短CFD分析周期，可使短时间内设计生产出性能优良的产品。Icepak：专业电子产品热分析软件。FLUENT求解器。内置大量的电子产品模型，易学易用Mixsim：基于FLUENT求解器，针对搅拌混合问题的专用CFD软件FLUENT程序结构与求解过程GAMBIT设置几何形状生成2D或3D网格其它软件包，如CAD，CAE等FLUENT网格输入及调整物理模型边界条件流体物性确定计算结果后处理TGrid2D三角网格3D四面体网格2D和3D混合网格2D或3D网格几何形状或网格网格边界和（或）体网格边界网格FLUENT程序结构与求解过程FLUENT的计算方式基于压力的解算器(Pressure-basedSolver)（传统上）低速不可压流动压力由连续方程和动量方程算出分离方式(Segregated)：内存耗用少耦合方式(Coupled)：收敛快基于密度的解算器(Density-basedSolver)（传统上）高速可压流动压力由状态方程算出，连续方程给出密度显式耦合：占内存小隐式耦合：稳定，收敛快基于压力的分离方式算法基于压力的耦合方式算法基于压