计算流体力学在工程中的应用

计算流体力学在工程中的应用目录ListABCDCFD背景介绍软件使用原理介绍在暖通工程中的应用CFD模型性能优化对比CFD背景介绍APPT模板下载：/moban/行业PPT模板：/hangye/节日PPT模板：/jieri/PPT素材下载：/sucai/PPT背景图片：/beijing/PPT图表下载：/tubiao/优秀PPT下载：/xiazai/PPT教程：/powerpoint/Word教程：/word/Excel教程：/excel/资料下载：/ziliao/PPT课件下载：/kejian/范文下载：/fanwen/试卷下载：/shiti/教案下载：/jiaoan/PPT论坛：

CFD背景介绍计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,简称CFD)是基于计算机技术的一种数值计算工具,用于求解流体的流动和传热问题。具体表现为求解固定几何形状空间内的流体的动量、热量和质量方程以及相关的其它方程,并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关数据。CFD最早运用于汽车制造业、航天事业及核工业,用离散方程解决空气动力学中的流体力学问题。直到1974年丹麦学者PVNilsen首次将CFD技术用于计算室内空气流动,数值模拟技术开始应用于暖通空调(HVAC）工程领域。相比传统的模型实验和经验公式预测流体的流动和传热而言,CFD技术具有众多优点,逐渐受到人们的青睐,尤其是随着计算机技术和数值模拟技术的发展,CFD已被广泛用于解决工程中的实际题。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本CFD技术优势较容易地改变实验条件、参数,以获取大量在传统实验中很难得到的信息资料更细致地分析、研究流体的流动、物质和能量的传递等过程;整个研究设计所花的时间减少;可方便地用于那些无法实现具体测量的场合,如高温、危险的环境根据模拟数据,可以全方位的控制过程和优化设计。1234软件使用原理介绍B点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本CFD处理过程一般结构前处理求解器后处理a.几何模型b.划分网格a.确定CFD方法的控制方程（N-S方程）b.选择离散型方法进行离散（有限容积/差分，有限元）c.选用数值计算方法d.输入相关参数速度场、温度场、压力场以及其他参数的计算机可视化及动画处理点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本CFD处理过程——前处理a.几何模型b.划分网格首先，利用CAD软件几何造型对需要流动分析的对象进行建模。其次，为了便于分析，还需对几何模型近似与简化便。同时，还应该对实施仿真的流域范围做一个确定,流域的部分边界应与几何模型曲面保持一致。（注：建模过程中通常需要考虑网格生成的结构和拓扑。）将流域离散成为网格时，网格生成包括结构和拓扑确定，然后在该拓扑上生成网格。然而，这些网格块可能是对接的，连续的，非连续的或者重叠的。网格必须满足最低的网格质量要求，如正交性（尤其是在边界上），相对网格间距（最大值不能超过15%到20%），网格扭曲率等等。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本CFD处理过程——求解器a.建立数学物理模型（确定控制方程）在CFD中所的建立数学物理模型是对所研究的流动问题进行数学描述，对于暖通空调工程领域内的流体流动一般满足连续性方程、动量方程和能量方程,且通常是不可压流体的粘性流体流动的控制微分方程（N-S方程）。黏性流动方程（N-S方程）点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本CFD处理过程——求解器a.建立数学物理模型（确定控制方程）黏性流动方程（N-S方程）点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本CFD处理过程——求解器a.建立数学物理模型（湍流模型）一般而言，湍流运动物理上近乎无穷多尺度漩涡流动和数学上的强烈非线性，使得理论实验和数值模拟都很难解决湍流问题。虽然N-S方程能够准确地描述湍流运动地细节，但求解这样一个复杂的方程会花费大量的精力和时间。在实际求解过程中，往往采用平均N-S方程来描述工程和物理学问题中遇到的湍流运动。当我们对三维非定常随机不规则的有旋湍流流动的N-S方程平均后，得到相应的平均方程，此时平均方程中增加了六个未知的雷诺应力项，从而形成了湍流基本方程的不封闭问题（通俗讲就是解不了）。研究表明，虽然湍流运动十分复杂，但是它仍然遵循连续介质运动的特征和一般力学规律，因此，雷诺提出用时均值概念来研究湍流运动的方法，导出了以时间平均速度场为基础的雷诺时均方程。从雷诺方程可以看出，由于湍流运动采用了时均方法，在运动方程中出现了雷诺应力，从而增加了方程中的未知量。因此需要补充新的关系式才能求解。如果补充的关系式是一个代数方程，而不需要补充任何附加的微分方程来求解时均流场，则称这种模型为零方程模型；CFD处理过程——求解器湍流模型一、湍流运动的连续方程

由于湍流流动中各物理量都具有某种统计特征的规律，所以基本方程中任一瞬间物理量都可用平均物理量和脉动物理量之和来代替，并且可以对整个方程进行时间平均的运算。在湍流运动中，瞬时运动的速度应满足粘性流体的基本方程。其连续方程为：经过时均运算后，可压缩湍流运动的连续方程为与瞬时值的连续方程相比，多出了三个脉动量乘积的导数的时均值经过一系列推导后，连续方程可化为：对不可压湍流运动，时均运动和脉动运动的连续方程和瞬时运动的连续方程具有相同的形式。CFD处理过程——求解器湍流模型二、雷诺方程

对于不可压缩粘性流动，在不考虑质量力的情况下，N-S方程具有下列形式：

利用不可压流瞬时运动的连续方程，可推导不可压缩流体作湍流运动时的时均运动方程（雷诺方程）为：雷诺方程与N-S方程在形式上是相同的，在粘性应力（雷诺应力）项中多出了附加的湍流应力项。

非定常项对流项单位质量流体压力差黏性力项CFD处理过程——求解器湍流模型三、普朗特混合长度理论（零方程模型）

从雷诺方程可以看出，由于湍流运动采用了时均方法，在运动方程中出现了雷诺应力，从而增加了方程中的未知量，因此需要补充新的关系式才能求解。如果补充的关系式是一个代数方程，而不需要补充任何附加的微分方程来求解时均流场，则称这种模型为零方程模型；

混合长度理论是基于经验性的一个经过实验验证的理论模型。在许多问题中得到了较好的应用。其基本思想是如果能够找出湍流应力与其它流场参数之间的关系，即找到了这些物理量的补充关系式，就可以使方程组封闭。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本CFD处理过程——求解器b.选用离散方法进行离散c.选用数值计算方法上述的各微分方程相互耦合，具有很强的非线性特征，目前只能利用数值方法进行求解。这就需要对实际问题的求解区域进行离散。数值方法中常用的离散形式有：有限容积，有限元、差分法。目前这三种方法在暖通空调工程领域的CFD技术中均有应用。总体而言，对于暖通空调领域中的低速，不可压流动和传热问题，采用有限容积法进行离散的情形较多。它具有物理意义清楚，总能满足物理量的守恒规律的特点。离散后的微分方程组就变成了代数方程组，表现为如下形式可见，通过离散之后使得难以求解的微分方程变成了容易求解的代数方程，采用一定的数值计算方法求解式表示的代数方程，即可获得流场的离散分布，从而模拟关心的流动情况。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本CFD处理过程——后处理a.图形后视化b.选用数值计算方法上述代数方程求解后的结果是离散后的各网格节点上的数值，这样的结果不直观，难以为一般工程人员或其他相关人员理解。因此将求解结果的速度场、温度场或浓度场等表示出来就成了CFD技术应用的必要组成部分。通过计算机图形学等技术，就可以将我们所求解的速度场和温度场等形象、直观地表示出来。右图所示即为某会议室侧送风时的速度场与温度场。（颜色的暖冷表示温度高低，矢量箭头的大小表示速度大小。）可见，通过可视化的后处理，不仅能显示静态的速度、温度场图片，而且能显示流场的流线或迹线动画，非常形象生动，甚至非专业人士也可理解。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本常用软件

目前,数值模拟最主要的问题就是计算精度问题。网格的形状、结构和所采用的湍流模型和计算方法都对精度有影响。因而我们在利用CFD软件处理问题时,采用什么样的网格形式、坐标形式、网格密度及湍流模型都是需要研究者慎重考虑的。应在能保证模拟准确度、精确度的前提下,尽可能地选用简单的方法和模型。这样不仅可以简化问题,而且可以节约计算机资源,减少计算时间。随着CFD在工程技术中应用的推广,CFD也逐渐软件化、商业化。CFD商业软件中既有通用的也有作为特殊用途的专业软件,而且这些软件大多数都能在一般高性能计算机的UNIX、LINUX、WINDOWS操作系统上运行,这为这些软件的推广使用打下了良好的基础。表1中列出了主要的一些商用CFD软件。暖通行业使用较多的FLUENT和PHOENICS,其它软件的可以见表1中给出的网址。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本常用软件在暖通工程中的运用C点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本CFD在暖通工程中的应用建筑内环境的设计和优化分析建筑外环境的评价分析和自然通风设计特殊空间内环境的分析和设计建筑设备内流体流动和传热分析、指导设计设备1432点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本CFD在暖通工程中的应用CFD模型优化对比CFD模型优化比暖通空调设计优化气流组织设计是通风空调系统的关键,合理的气流组织可以达到满意的空调效果,并且节省能耗。图1为某会议室变风量系统侧送风示意图。由于变风量系统在部分负荷下送风速度很小,对于这种侧送风情形很可能出现冷风下坠现象,于是利用STACH-3对夏季两种不同气流组织工况做了模拟对比分析，如表2所示。建筑内环境的设计和优化分析2点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本CFD在暖通工程中的应用由两工况中心的计算结果对比可见，工况1确实出现了冷风下坠的现象，容易造成吹风感，调整风口出风方向斜向上的工况2改善了室内的气流组织，速度温度分布较为合理，而采用传统的射流理论分析无法做出类似分析，对于冬季也可采用不同方案得到合理的气流组织形式，由此可见CFD对室内环境的气流设计方面有着独特的优点。建筑内环境的设计和优化分析点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本CFD在暖通工程中的应用1建筑外环境的评价分析和自然通风设计2

用CFD方法对建筑外来流风绕流作用下的风环境进行数值模拟，可以了解建筑室外环境的优劣，以及知道自然通风设计。图4为某建筑室外风环境的模拟结果。由图可知，我们可以根据该建筑外来空气流动情况合理组织自然通风，而如果采用模型实验对该问题进行研究的话，则存在周期长，价格昂贵的缺陷，无法适应工程需要。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本CFD在暖通工程中的应用1建筑外环境的评价分析和自然通风设计2点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本CFD在暖通工程中的应用1特殊空间内环境的分析和设计3

用CFD方法也可对特殊空间的流体流动和传热数值模拟。图5所示为某客车空间内夏季空调送风形成的温度场分布进行计算的结果。由图可见，借助CFD模拟所得结果，可以形象直观地分析该空间内的空气分布是否符合人体热舒适的要求，借此知道和优化其空调系统设计。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本CFD在暖通工程中的应用1建筑设备内流体流动和传热分析、指导设计设备3设备内的流动和传热也是暖通空调工程领域常见的问题。借助CFD可以对风机，冷藏柜，蓄冰槽等建筑设备内的流体流动和传热问题进行数值分析。3MW主控热设计仿真计算案例从下方往上流的空气，在经过中隔板的孔后沿着斜面方向往斜上方流，在靠近电源处附近空气流量较小且速度较低。点击添加文本点击添