《研究生CFD课程讲》课件

研究生CFD课程讲本课程将深入探讨计算流体力学（CFD）的基本原理和应用。您将学习使用CFD软件模拟和分析各种流体流动问题，并掌握CFD在工程领域的应用。CFD简介流体力学仿真CFD是一种利用计算机模拟流体流动的方法，广泛应用于航空航天、汽车、能源等领域。数值分析CFD基于数值分析方法，将流体力学方程离散成代数方程，并利用计算机求解。复杂问题CFD可以解决许多难以用实验方法解决的流体力学问题，例如湍流、多相流等。CFD的应用领域CFD在各个领域都有广泛应用，尤其是在航空航天、汽车、能源、机械和生物医学领域。例如，CFD用于设计飞机机翼、汽车外形，优化风力涡轮机叶片，模拟血流动力学等。基本控制方程质量守恒方程描述了流体中质量的变化，保证流体质量守恒。动量守恒方程描述了流体中动量的变化，反映流体的运动规律。能量守恒方程描述了流体中能量的变化，反映流体的热量变化。离散化方法有限差分法将连续的微分方程转换为离散的差分方程，利用差分近似微分，在网格节点上进行计算。有限体积法将计算域划分为有限个控制体积，对每个控制体积进行积分，并利用离散化方法求解。有限元法将计算域划分为有限个单元，并利用插值函数将控制方程转化为矩阵方程，再进行求解。网格生成与优化网格生成是CFD中重要的步骤，它将连续的物理空间离散化为有限个单元，为后续的数值求解提供基础。网格质量对计算结果的准确性和效率有重要影响。1网格生成结构化网格、非结构化网格2网格质量正交性、光滑性、均匀性3网格优化网格自适应、网格重构4网格无关性验证网格精度网格优化可以提高计算精度，缩短计算时间。常见的网格优化方法包括网格自适应和网格重构。边界条件设置速度边界条件指定流体进入或离开计算域的速度值。常见类型包括速度入口、压力出口和滑移边界。压力边界条件用于指定流体在计算域边界上的压力值。通常用于出口边界，设置一个压力值或压力梯度。温度边界条件指定流体在边界上的温度值或热通量。用于模拟热传导或对流，例如设定恒温或热通量边界。其他边界条件包括壁面边界条件、对称边界条件等。根据具体问题需要设定不同的边界条件，以准确模拟流体流动。湍流模型湍流模型湍流是一种非常复杂的流动现象，很难直接用数学方法求解。为了简化计算，人们发展了一系列湍流模型。雷诺应力模型雷诺应力模型是最精确的湍流模型，但计算成本高。它能捕捉到湍流的复杂特征，如各向异性。k-ε模型k-ε模型是一种常用的湍流模型，计算成本相对较低。它假设湍流各向同性，适用于大多数工程应用。常见求解算法11.迭代法求解线性方程组或非线性方程组，通过反复迭代得到近似解，例如：雅可比迭代法，高斯-赛德尔迭代法等。22.直接法求解线性方程组，直接得到精确解，例如：高斯消元法，LU分解法等。33.时间推进法用于求解瞬态问题，通过时间步长推进的方式，逐步计算得到每个时间步的解，例如：欧拉方法，龙格-库塔方法等。44.混合方法将不同的求解方法结合起来，例如：采用迭代法求解稳态问题，采用时间推进法求解瞬态问题。稳态问题求解1迭代求解稳态问题通常通过迭代方法求解，直到解收敛到一个稳定状态。2残差值迭代过程中的残差值用于衡量解的收敛程度，当残差值低于设定阈值时，迭代停止。3收敛加速为了提高收敛速度，可以采用各种加速技术，例如多重网格方法和预条件。4稳定性分析在求解过程中需要进行稳定性分析，以确保数值解的稳定性。瞬态问题求解1时间步长时间步长的大小会影响求解的精度和稳定性。2时间积分常用的时间积分方法包括显式方法和隐式方法。3时间推进时间推进方法包括欧拉方法和龙格-库塔方法。瞬态问题是指随时间变化的流动问题。例如，飞机起飞或降落过程中的气流、发动机运行过程中的燃烧室气流等。瞬态问题的求解需要考虑时间因素，并进行时间积分和时间推进。数值误差分析数值误差分析是CFD计算中不可缺少的一部分。计算结果的准确性和可靠性依赖于对数值误差的理解和控制。数值误差主要包括截断误差和舍入误差。截断误差源于方程的近似求解，而舍入误差源于计算机有限精度计算。误差分析的目的是评估计算结果的不确定性，并采取措施来减小误差的影响。常见的误差分析方法包括网格细化分析、时间步长分析和收敛性分析。网格依赖性分析网格尺寸计算结果误差粗网格不准确高细网格更准确低极细网格收敛最小网格尺寸影响计算结果精度，选择合适网格至关重要。网格依赖性分析用于确定网格对结果的影响。结果可视化CFD模拟结果可视化是分析理解计算结果的关键步骤。可视化技术可以帮助研究人员直观地展示流场结构、压力分布、速度分布等信息，便于深入理解计算结果。等值线图矢量图动画案例分析-流动绕过圆柱本案例模拟流体绕过圆柱的流动，展示了CFD方法的应用。分析圆柱后的流场变化，并观察绕流产生的升力与阻力。通过参数分析，例如雷诺数和圆柱直径，可以探索流体流动规律。该案例有助于理解流体动力学理论，并验证CFD模型的准确性。案例分析-气动力计算气动力计算是CFD应用的关键领域之一，涉及到计算流体对物体产生的力，例如升力、阻力和侧向力。例如，可以模拟飞机机翼在不同速度和迎角下的气动力，优化机翼形状，降低阻力，提高升力，从而提升飞机性能。案例分析-流动分离问题流动分离是指流体在物体表面流经时，由于压力梯度或其他因素导致流体不再紧贴物体表面，而是从表面分离的现象。分离流会导致流体阻力增大，以及其他性能降低。本案例分析将探讨几种常见的流动分离问题，包括翼型失速、圆柱绕流，以及湍流边界层分离。自主CFD软件开发11.核心算法开发自主CFD软件，需要实现核心算法，包括求解偏微分方程、网格生成、边界条件设置等。22.用户界面提供友好的用户界面，方便用户设置计算参数、查看结果、进行后处理。33.代码优化优化代码，提高计算效率，减少内存占用，并考虑并行计算技术，提升软件性能。44.功能扩展根据实际应用需求，不断扩展软件功能，例如添加新的湍流模型、多相流模型等。全不可压缩流体CFD不可压缩流体密度变化可以忽略，体积基本恒定。适用场景空气动力学、水动力学、气象学、海洋学等。应用领域飞机、汽车、船舶、风力机、管道等。研究方向流动特性、压力分布、阻力计算、热量传递等。可压缩流体CFD密度变化可压缩流体CFD模拟考虑流体密度的变化，适用于高速流动问题，例如航空航天和火箭推进。高马赫数流动可压缩流体CFD广泛应用于超音速和高超音速飞行器设计，例如战斗机和航天器。湍流模拟可压缩流体CFD能够模拟高雷诺数下的湍流流动，例如燃气轮机和喷气发动机。多相流CFD混合物模型混合物模型将多相流视为单一连续相，其特性是各相的平均值。例如，气液两相流中，将混合物的密度和粘度作为气相和液相的加权平均值计算。欧拉-欧拉模型欧拉-欧拉模型将每相视为连续相，使用各自的控制方程进行模拟。该模型适用于各相相互穿插，并存在显著相互作用的流动。欧拉-拉格朗日模型欧拉-拉格朗日模型将分散相视为离散粒子，使用拉格朗日方法进行模拟。该模型适用于分散相的体积分数较小，且粒子之间相互作用较弱的流动。化学反应CFD燃烧模拟例如，模拟燃烧过程中的火焰传播、热量释放和污染物生成。化学反应动力学模拟化学反应速率、平衡常数和反应产物的生成。催化反应模拟催化剂表面上的化学反应，如汽车尾气净化和石油化工生产。多相反应模拟气相、液相和固相之间的化学反应，如生物反应器和电池。热传导与传热CFD传热机制热传导、对流和辐射是三种主要的传热方式。CFD可以模拟这三种方式，分析其相互作用。应用领域发动机冷却系统电子设备散热建筑物热量分析温度场分析CFD可以模拟温度场的变化，并预测热量的传递路径和效率。结构力学CFD耦合流固耦合流体动力学和结构力学相互作用。结构变形流体压力导致结构变形，改变流场。应用领域桥梁、建筑、航空航天设计。湍流模型选择与评估11.湍流特性首先，要分析模拟的湍流特性，例如雷诺数、湍流强度和湍流尺度。22.计算成本不同的湍流模型计算成本差异很大，需要根据实际情况选择合适的模型。33.模型精度模型精度对模拟结果有直接影响，需要根据具体应用场景选择合适的模型。44.模型适用性不同的模型适用于不同的湍流类型和流体性质，需要根据实际情况进行选择。边界条件设置技巧入口条件设置准确设置速度、温度等参数，确保物理模型的真实性。出口条件设置考虑流体压力、温度等参数，避免反射波的干扰。壁面边界条件设置考虑壁面摩擦、热量传递等因素，影响流体流动状态。并行计算加速1划分任务将计算任务分解成多个子任务。2分配资源将子任务分配到不同的处理器上。3并发执行多个处理器同时执行子任务。4结果整合将子任务的结果合并成最终结果。并行计算可以显著提高CFD模拟的效率，尤其是在处理大型复杂问题时。例如，可以将计算域分成多个子域，每个子域由一个处理器负责计算。高性能CFD编程并行计算采用MPI或OpenMP等技术，将计算任务分配到多个处理器上，以提高效率。分布式内存