CFD概念及应用-课件

CFD概念及应用CFD概念及应用1目录前言CFD简介CFD分析的基本步骤CFD应用结论2PPT课件目录前言2PPT课件2精品资料精品资料3你怎么称呼老师？如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你是否会认为老师的教学方法需要改进？你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？教师的教鞭“不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我笨，没有学问无颜见爹娘……”“太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”CFD概念及应用-ppt课件4前言

随着我国经济的不断发展，环保标准日趋严格，燃煤电厂的粉尘排放浓度降低到50mg/Nm3。这样就对除尘器的设计、制造、设备性能提出了更高的要求。而对设备的优化设计离不开模型试验,但模型实验往往是场地大、时间长、费用高。采用CFD数值分析方法则可以减少模型实验次数，甚至不需要模型实验就能解决一些因实验条件限制难以解决的问题，为电除尘器的优化设计提供依据。5PPT课件前言随着我国经济的不断发展，环保标准日趋严格，燃煤电厂5流体研究的方法

目前，一般将流体力学的研究和分析手段分为理论分析、实验研究和数值计算三种。而这三种方法组成了研究流体流动问题的完整体系。单纯试验研究单纯理论分析计算流体动力学（CFD）6PPT课件流体研究的方法目前，一般将流体力学的研究和分析手段分为6流体的研究方法

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理论分析具有普遍性――各种影响因素清晰可见、为实验和计算研究提供依据

▲实验研究仍是研究工作的基石，数值研究的许多方面都密切依赖于实验研究：实验提供数据；计算结果需由实验验证；观察实验现象分析实验数据以建立计算模型等等

▲数值模拟是特殊意义下的实验，也称数值实验7PPT课件流体的研究方法▲理论分析具有普遍性――各种影响因素清晰7CFD基本概念★计算流体力学（ComputationFluidDynamics，简称CFD）就是在电子计算机上数值求解流体与气体动力学基本方程的学科，通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体力学流动和热传导等到相关物理现象的系统所做的分析。★控制方程：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分质量守恒方程★CFD方法可以降低实验的时间和费用等。8PPT课件CFD基本概念★计算流体力学（Computation8CFD基本概念★CFD基本思想：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个点上的变量的集合来代替，能过一这的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。★CFD方法恰好克服了前两种方法的弱点，在计算机上实现一个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理试验。可以通过计算机看到流场的各种细节，如压力的分布，速度的分布、方向，涡的生成与传播，流动的分离等。9PPT课件CFD基本概念★CFD基本思想：把原来在时间域及9CFD可以应用于：☆新产品设计的概念研究☆产品开发的细节☆发现并解决故障☆产品的重新设计

应用CFD可以提高企业的竞争能力和设计水平；是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。CFD基本概念10PPT课件CFD可以应用于：应用CFD可以提高企业的竞争10CFD的基本概念CFD的应用领域近年来，CFD有了很大发展，替代了经典流体力学中的一些近似计算法和图解法。典型的应用场合及相关的工程问题包括：水轮机、风机和泵等流体机械内部的流体流动；飞机和航天飞机等到飞行器的设计；汽车流线外型对性能的影响；洪水波及河口潮流计算；风载荷对高层建筑物稳定性及结构性能的影响；温室及室内的空气流动及环境分析；电子元器件的冷却；换热器性能分析及换热器片形状的选取；河流中污染的扩散；汽车尾气对街道环境的污染；食品中细菌的运移。11PPT课件CFD的基本概念CFD的应用领域11PPT课件11CFD控制方程质量守恒方程：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。12PPT课件CFD控制方程质量守恒方程：单位时间内流体微元体中质量的增加12CFD控制方程动量守恒方程：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的的各种力之和。13PPT课件CFD控制方程动量守恒方程：微元体中流体的动量对时间的变化率13CFD控制方程能量守恒方程(energyconservationequation)：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。14PPT课件CFD控制方程能量守恒方程(energyconservat14CFD控制方程组分质量守恒方程(speciesmass-conservationequations)：系统内某种化学组分质量对时间的变化率，等于通过系统界面净扩散流量与通过化学反应产生的该组分的生产率之和。15PPT课件CFD控制方程组分质量守恒方程(speciesmass-c15CFD结构输运方程质量组分质量分数相体积分数动量能量状态方程物理模型解算器物理模型湍流模型燃烧模型辐射模型多项流模型相变模型移动区域移动网格网格生成材料特性边界条件初始条件解算器设置前处理几何模型后处理求解的方程16PPT课件CFD结构输运方程解算器物理模型网格生成材料特性解算器设16传统的设计方法流程：应用CFD的设计流程：CFD在现代设计中的应用17PPT课件传统的设计方法流程：应用CFD的设计流程：CFD在现代设计中17☆“数值实验”比“物理实验”具有更大的自由度和灵活性，例如“自由”地选取各种参数，不受物理模型和实验模型的限制等☆“数值实验”可以进行“物理实验”不可能或很难进行的实验；例如：高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件☆“数值实验”的经济效益极为显著，而且将越来越显著CFD的优势：18PPT课件☆“数值实验”比“物理实验”具有更大的自由度和灵活性，例如“18

△流动机理不明的问题，数值工作无法进行

△数值工作自身仍然有许多理论问题有待解决

△离散化不仅引起定量的误差，同时也会引起定性的误差，所以数值工作仍然离不开实验的验证

△程序的编制及资料的收集、整理与正确利用，在很大程度上依赖与试验和技巧CFD方法存在的问题与不足

19PPT课件△流动机理不明的问题，数值工作无法进△数值工作自身仍然有19CFD分析的基本步骤问题说明和前处理

1.定义模拟目标. 2.定义模型区域. 3.设计和划分网格.解方程

4.设置数值计算模型. 5.计算及监测方程的解.后处理

6.检查结果. 7.考虑模型修正.20PPT课件CFD分析的基本步骤问题说明和前处理20PPT课件20定义模拟目标希望得到什么样的结果及结果如何应用模型的选择确定在模拟中需要的物理模型在模拟中哪些简化、假设是主要的在模拟中哪些简化、假设是次要的模型是否还需要独特的功能在CFD中有用户自定义的功能(User-definedFunction)计算精度计算速度问题说明和前处理

1.定义模拟目标. 2.定义模型区域. 3.设计和划分网格.21PPT课件定义模拟目标希望得到什么样的结果及结果如何应用问题说明和前处21定义模拟区域如何将需要模拟的区域从系统整体中独立出来？计算区域的范围（即从何处开始及结束）是否有合理的边界条件?边界条件的类型是否合适?是否可以将现有的数据转化为几何模型？是否可以将模型简化或者近似为2D或者对称问题?问题说明和前处理

1.定义模拟目标.

2.定义模型区域. 3.设计和划分网格.GasCycloneL-valveGas例:旋风分离器22PPT课件定义模拟区域如何将需要模拟的区域从系统整体中独立出来？问题说22设计和划分网格网格使用网格的种类：矩形/六面体网格还是三角形/四面体网格或者金字塔型网格。几何体和流动的复杂程度?是否需要非规则的界面?每个区域内的网格精度对几何体来说是否有足够的精度?对高梯度区域如何预测?使用自适应网格增加精度?计算机内存是否足够?需要的网格数量?使用的模型数量?问题说明和前处理

1.定义模拟目标. 2.定义模型区域.

3.设计和划分网格.网格Triangle(三角形)Quadrilateral

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

（楔型）Hexahedron（六面体）23PPT课件设计和划分网格网格使用网格的种类：矩形/六面体网格还是三角形23设置数值计算模型模型对于给定的问题,需要:选择合适的物理模型.湍流,燃烧,多项流等.定义材料特性.流体固体混合模型描述操作条件.在所有边界区域描述边界条件.提供初始解.设置解算器控制.设置收敛监测.解方程

4.设置数值计算模型. 5.计算及监测方程的解.24PPT课件设置数值计算模型模型对于给定的问题,需要:解方程24PPT课24计算及监测方程的解离散方程通过迭代求解.迭代通常要得到方程的收敛解.收敛的条件:两次迭代之间解变量的变化是可忽略的.残差提供了监测这种变化趋势的方法.达到所有特性的守恒.解收敛的准确性有以下各项决定:物理模型的可靠性和准确性.网格的分辨率和独立性.问题调整.解方程

4.设置数值计算模型.

5.计算及监测方程的解.25PPT课件计算及监测方程的解离散方程通过迭代求解.解方程25PPT课件25检查结果检查结果以检查解和选出有用的数据.可视化工具可用来回答如下问题:所有的流体模式是什么?是否有分离?何处有振荡,剪切层等形式?关键的流动特性是否已经解决?数值报告工具可用来计算定量解:力和力矩平均热传递系数面和体积积分流量平衡后处理

6.检查结果. 7.考虑模型修正.26PPT课件检查结果检查结果以检查解和选出有用的数据.后处理26PPT课26考虑模型修正物理模型是否合适?是否是湍流?流动是否稳定?是否是压缩流动?是否是3D模式?边界条件是否正确?计算区域是否足够大?边界条件是否合适?边界值是否合理?网格是否足够?网格是否能提高解的质量?解是否随网格的自适应进行变化,或者解的网格是否独立?边界条件是否需要改善?后处理

6.检查结果.

7.考虑模型修正.27PPT课件考虑模型修正物理模型是否合适?后处理27PPT课件27CFD的应用建立几何模型划分网格设置边界条件计算初始化迭代计算结果显示28PPT课件CFD的应用建立几何模型28PPT课件28几何模型

用前处理软件Gambit建立所要模拟的几何模型，并在建模的时候进行适当的简化处理。而几何模型建立的准确与否，直接影响模拟的结果。29PPT课件几何模型用前处理软件Gambit建立所要模拟的几何模型29划分网格

网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体。网格质量对CFD计算精确度和计算效率有重要影响。对于像电除尘器这样结构复杂的CFD问题，网格的生成极为耗时，且容易出错，生成网格的时间常常大于实际CFD计算的时间。30PPT课件划分网格网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟与分析的30划分网格31PPT课件划分网格31PPT课件31划分网格32PPT课件划分网格32PPT课件32设置边界条件

所谓边界条件，是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数岁地点及时间变化的规律。只有给定了合理的边界条件的问题，才可能计算得出流场的解。在指定边界类型及区域类型之前，必须在slover菜单中指定求解器为FLUENT5/6，然后再进行指定。在CFD模拟时，基本边界条件包括流动进出口边界、流动出口边界、给定压力边界、壁面边界、对称边界、周期性（循环）边界。33PPT课件设置边界条件所谓边界条件，是指在求解域的边界上所求解的33设置边界条件

在Gambit中对各个边界条件的类型进行设置，给予各个面不同的边界类型。34PPT课件设置边界条件在Gambit中对各个边界条件的类型进行设34边界条件设置

在FLUENT中对各个边界条件进行详细设置，给予各个边界的初始值。35PPT课件边界条件设置在FLUENT中对各个边界条件进行详细设35定义计算模型对模拟计算的各种模型，如湍流模型，采用何种迭代方式，能量方程等。36PPT课件定义计算模型对模拟计算的各种模型，如湍流模型，采用何种迭代方36进行初始化及迭代计算

对迭代计算进行初始化，也就是为整体的计算赋一个初值37PPT课件进行初始化及迭代计算对迭代计算进行初始化，也就是为整37迭代计算

进行迭代计算，直到方程收敛。而收敛前的迭代次数，和模型求解的难度、网格网格细密程度、使用的算法、收敛判据等有关38PPT课件迭代计算进行迭代计算，直到方程收敛。而收敛前的迭代次38结果显示除尘器内的流线，电场端面的流速分布