CFD知识简介

CFD知识简介目录一：什么是CFD-----------------------1二：CFD软件的分类和简单说明---------6三：FLUENT软件介绍-------------------73.1Fluent计算过程介绍--------------133.2Fluent数据分析示例--------------14什么是CFDCFD软件是计算流体力学（ComputationalfluidDynamics）软件的简称，是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。空气、水、粉尘或泥浆等易于流动的物质被统称为流体。在力的作用下，流体的流动可以引起能量的传递、转换和物质的传送等情况。流体力学就是一门研究流体流动规律以及流体与固体相互作用的一门学科。自从1687年牛顿定律公布以来，直到上世纪70年代初，研究流体运动规律的主要方法只有2种：一是实验研究，以实验为研究手段；另一种是理论分析方法，利用简单流动模型假设，给出某些问题的解析解。什么是CFD前者耗费巨大，而后者对于较复杂的非线性流动现象目前还有些无能为力。20世纪70年代以来，飞速发展起来的计算机技术为流体力学的实验研究和理论研究都起到了巨大的促进作用，为简化流动模型提供了更多的依据，使很多分析方法得到发展和完善。实验研究、理论分析和数值模拟已成为当前研究流体运动规律的三种基本方法。任何流体运动的规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律为基础的。这些基本定律可由数学方程组来描述、如欧拉方程、N-S方程等。采用数值计算方法，通过计算机求解这些控制流体流动的数学方程，进而研究流体的运动规律，这样的学科就是计算流体力学。什么是CFD随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于现有流动理论的商用CFD软件。商用CFD软件使许多不擅长CFD的其它专业研究人员能够轻松地进行流动数值计算，从而使研究人员从编制繁杂、重复性的程序中解放出来，以更多的精力投入到考虑所计算的流动问题的物理本质、问题的提法、边界（初值）条件和计算结果的合理解释等重要方面，这样最佳地发挥了商用CFD软件开发人员和其它专业研究人员各自的智力优势，为解决实际工程问题开辟了道路。什么是CFDCFD软件通常有三种功能，分别着重用于：1、前端处理（Preprocessing）,2、计算和结果数据生成（computeanresult）3、后处理(Postprocessing).前端处理通常要生成计算模型所必需的数据，这一过程通常包括建模，数据录入（或者从cad中导入），生成网格等；做完了前处理后，CFD的核心解释器（SOLVER）将根据具体的模型，完成相应的计算任务，并生成结果数据；后处理过程通常是对生成的结果数据进行组织和诠释，一般以直观可视的图形形式给出来。CFD软件的分类和简单说明著名的CFD处理工具有以下一些：用于前处理：Gambit,Tgrid,GridPro,GridGen,ICEMCFD用于计算分析：Fluent,FIDAP,POLYFLOW用于后处理：Ensight,IBMOpenVisulizationExplorer,FieldView,AVS提供综合的处理能力：Ansys，MAYA特殊领域的应用：Icepak,Airpak,MixsimFLUENT软件介绍FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%。举凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。其在石油天然气工业上的应用包括：燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散/聚积、多相流、管道流动等等。我司目前使用的CFD软件也是FLUENT，所以，下文以FLUENT为对象，讲解一下CFD软件的使用过程。Fluent的软件设计基于CFD软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，FLUENT软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，Fluent开发了适用于各个领域的流动模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。FLUENT软件介绍其各软件模块包括：GAMBIT——专用的CFD前置处理器，FLUENT系列产品皆采用FLUENT公司自行研发的Gambit前处理软件来建立几何形状及生成网格，是一具有超强组合建构模型能力之前处理器，然后由Fluent进行求解。也可以用ICEMCFD进行前处理，由TecPlot进行后处理。FLUENT软件介绍Fluent5.4——基于非结构化网格的通用CFD求解器，针对非结构性网格模型设计，是用有限元法求解不可压缩流及中度可压缩流流场问题的CFD软件。可应用的范围有紊流、热传、化学反应、混合、旋转流（rotatingflow）及震波（shocks）等。在涡轮机及推进系统分析都有相当优秀的结果，并且对模型的快速建立及shocks处的格点调适都有相当好的效果。（目前是6.0，含turbo模块）FLUENT软件介绍Fidap——基于有限元方法的通用CFD求解器，为一专门解决科学及工程上有关流体力学传质及传热等问题的分析软件，是全球第一套使用有限元法于CFD领域的软件，其应用的范围有一般流体的流场、自由表面的问题、紊流、非牛顿流流场、热传、化学反应等等。FIDAP本身含有完整的前后处理系统及流场数值分析系统。对问题整个研究的程序，数据输入与输出的协调及应用均极有效率。FLUENT软件介绍Polyflow——针对粘弹性流动的专用CFD求解器，用有限元法仿真聚合物加工的CFD软件，主要应用于塑料射出成形机，挤型机和吹瓶机的模具。Mixsim——针对搅拌混合问题的专用CFD软件，是一个专业化的前处理器，可建立搅拌槽及混合槽的几何模型，不需要一般计算流力软件的冗长学习过程。它的图形人机接口和组件数据库，让工程师直接设定或挑选搅拌槽大小、底部形状、折流板之配置，叶轮的型式等等。FLUENT软件介绍Fluent计算过程简介：1.建模——物理空间到计算空间的映射。2.网格划分——连续空间的离散化3.求解器——差分方程的求解。4.后处理——求解结果的可视化与整理。FLUENT软件介绍示例：B21混合状态模拟分析1.从HVAC3D数模里，抽出其中的流场区域，作为计算对象。FLUENT软件介绍2.用Gambit对抽出的流场区域进行网格划分处理。3.用Fluent对处理好的分析对象进行边界设定，参数定义，选择合适的计算方程，然后开始计算。4.计算完毕，得到计算结果，输出需要的各种图表，进行分析验证。FLUENT软件介绍5.根据CFD计算结果，指导设计，改进产品。根据设定不同的混合风门热交换量，对比讨论风门热传导系数对出口温度的影响，具体见下表。根据下表可见，若使各出口温度差距小于5℃，混合风门处热交换量需小于500W，相应的混合风门的热传导系数需要降低到0.2以下。不同热交换量对应出口温度表混合风门处热交换量/混合风门热传导系数/吹面出口面上平均温度/℃后吹风口面上平均温度/℃吹面与吹后出风口温差/℃10000.512030106650.30132075300.24121863800.17121642300.1011132WFLUENT软件介绍