计算流体力学-z1

1计算流体力学（CFD）ComputationalFluidDynamicsCFD基础知识2主要参考书•陶文铨编著.数值传热学.西安交通大学出版社•王福军编著,《计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用》,清华大学出版社,2004年09月第1版•PatankarSV.NumericalHeatTransferandFluidFlow.N.Y.,McGraw-Hill,1980•ShihTM.NumericalHeatTransfer,Washington,HemispherePublishingCo.,1984•陶文铨著.计算传热学的近代进展.科学出版社，2000年•AndersonJDJR.ComputationalFluidDynamics.McGraw-Hill,19953计算流体动力学（CFD）基础知识流体流动现象大量存在于自然界及多种工程领域中，所有这些过程都受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律的支配。本章向读者介绍这些守恒定律的数学表达式，在此基础上提出数值求解这些基本方程的思想，阐述计算流体力学的任务及相关基础知识,最后简要介绍目前常用的计算流体动力学商用软件。1.1计算流体动力学概述1.1.1什么是计算流体动力学计算流体动力学(computationalFluidDynamics,简称CFD)是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD的基本思想可以归结为：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，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。CFD可以看做是在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。还可据此算出相关的其他物理星，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。此外，与CAD联合，还可进行结构优化设计等。4CFD方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体系图1.1给出了表征三者之间大系的“三维”流体力学示意图。5理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结果。实验测量方法所得到的实验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础，其重要性不容低估。然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过试验方法得到结果。此外，实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。而CFD方法恰好克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现—个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理实验。例如，机翼的绕流，通过计算并将其结果在屏幕上显示，就可以看到流场的各种细节：如激波的运动、强度，涡的生成与传播，流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时间的变化等。数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有什么区别。6数值方法、分析解法与实验研究•分析解法–成本最低–结果最理想–影响因素表达清楚–缺点：局限与非常简单的问题•数值方法–成本较低：数值实验–适用范围宽–缺点：可靠性差，表达困难•实验研究–可靠–成本高将三种方法有机结合，互为补充，必然会取得相得益彰的效果71.1.2计算流体动力学的工作步骤采用CFD的方法对流体流动进行数值模拟，通常包括如下步骤：(1)建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。具体地说就是要建立反映问题各个量之间关系的微分方程及相应的定解条件，这是数值模拟的出发点。没有正确完善的数学模型，数值模拟就毫无意义。流体的基本控制方程通常包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，以及这些方程相应的定解条件。(2)寻求高效率、高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。这里的计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条件的处理等。这些内容，可以说是CFD的核心。(3)编制程序和进行计算。这部分工作包括计算网格划分、初始条件和边界条件的输入、控制参数的设定等。这是整个工作中花时间最多的部分。由于求解的问题比较复杂，比如N－S方程就是一个十分复杂的非线性方程，数值求解方法在理论上不是绝对完善的，所以需要通过实验加以验证。正是从这个意义上讲，数值模拟又叫数值试验。应该指出，这部分工作不是轻而易举就可以完成的。(4)显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示，这对检查和判断分析质量和结果有重要参考意义。以上这些步骤构成了CFD数值模拟的全过程。其中数学模型的建立是理论研究的课题，一般由理论工作者完成。8CFD：总体步骤•给出物理模型（Physicalmodel/description)•借助基本原理/定律给出数学模型（Mathematicalmodel)–质量守恒（MassConservation）–能量守恒（EnergyConservation）–动量守恒（MomentumConservation）–傅立叶定律（Fourier’sheatconductionlaw)–菲克定律（Fick’smassdiffusionlaw）–牛顿内摩擦定律（Newton’sfrictionlaw）–。。。。。。。出发点和基础！9•对数学模型进行简化和化简–简化：物理上的–化简：数学上的VeryImportant！求解区域的离散化(discretization)数学模型的离散化恰当的方法建立结点（代表点）处待求变量近似值（未知！！）之间的代数关系：离散化方程核心内容，成败关键10•求解离散化方程–制约因素•可靠性检验–与分析解对比（简单问题）–实验结果–前人结果（Benchmarkproblems）•结果表达与分析–成品阶段–图线–拟合–分析讨论111.1.3计算流体动力学的特点CFD的长处是适应性强、应用面广。首先，流动问题的控制方程一般是非线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，而用CFD方法则有可能找出满足工程需要的数值解；其次，可利用计算机进行各种数值试验，例如，选择不同流动参数进行物理方程中各项有效性和敏感性试验，从而进行方案比较。再者，它不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、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。CFD也存在一定的局限性。首先，数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的数值解，并有一定的计算误差；第二，它不像物理模型实验一开始就能给出流动现象并定性地描述，往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参数，并需要对建立的数学模型进行验证；第三，程序的编制及资料的收集、整理与正确利用，在很大程度上依赖于经验与技巧。此外，因数值处理方法等原因有可能导致计算结果的不真实，例如产生数值粘性和频散等伪物理效应。当然，某些缺点或局限性可通过某种方式克服或弥补，这在本书中会有相应介绍。此外，CFD因涉及大量数值计算，因此，常需要较高的计算机软硬件配置。CFD有自己的原理、方法和特点，数值计算与理论分析、实验观测相互联系、相互促进，但不能完全替代，三者各有各的适用场合，在实际工作中，需要注意三者有机的结合，争取做到取长补短。121.1.4计算流体动力学的应用领域近十多年来，CFD有了很大的发展，替代了经典流体力学中一些近似计算法和图解法；过去的一些典型教学实验，如Reynolds实验，现在完全可以借助CFD手段在计算机上实现。所有涉及流体流动、热交换、分子输运等现象的问题，几乎都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟。CFD不仅作为一个研究工具，而且还作为设计工具在水利工程、土木工程、环境工程、食品工程、海洋结构工程、工业制造等领域发挥作用。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●河流中污染物的扩散●汽车尾气对街道环境的污染●食品中细菌的运移对这些问题的处理，过去主要借助于基本的理论分析和大量的物理模型实验，而现在大多采用CFD的方式加以分析和解决，CFD技术现已发展到完全可以分析三维粘性湍流及旋涡运动等复杂问题的程度。13141516171.1.5计算流体动力学的分支经过四十多年的发展，CFD出现了多种数值解法。这些方法之间的主要区别在于对控制方程的离散方式。根据离散的原理不同，CFD大体上可分为三个分支：●有限差分法(FiniteDifferentMethod，FDM)●有限元法(FiniteEIementMethod，FEM)●有限体积法(FiniteVolumeMethod，FVM)有限差分法是应用最早、最经典的CFD方法，它将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分方程的导数用差商代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。求出差分万程组的解，就是微分方程定解问题的数值近似解。它是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法。这种方法发展较早，比较成熟，较多地用于求解双曲型和抛物型问题。在此基础上发展起来的方法有PIC(Particle-in-cell)法、MAC(Marker-and-Cell)法，以及南美籍华人学者陈景广提出的有限分析法(FiniteAnalyticMethod)等.18有限元法是20世纪80年代开始应用的—种数值解法，它吸收了有限差分法中离散处理的内核，又采用了变分计算中选择逼近函数对区域进行积分的合理方法。有限元法因求解速度较有限差分法和有限体积法慢，因此应用不是特别广泛。在有限元法的基础上，英国CA．BBrebbia等提出了边界元法和混合元法等方法。有限体积法是将计算区域划分为一系列控制体积，将待解微分方程对每一个控制体积积分得出离散方程。有限体积法的关键是在导出离散方程过程中，需要对界面上的被求函数本身及其导数的分布作出某种形式的假定。用有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒特性，而且离散方程系数物理意义明确，计算量相对较小。1980年，S.V.Patanker在其专著《NumericaclHeatTransferandFluidFlow》中对有限体积法作了全面的阐述。此后，该方法得到了广泛应用，是目前CFD应用最广的一种方法。当然，对这种方法的研究和扩展也在不断进行，如PChow提出了适用于任意多边形非结构网格的扩展有限体积法。考虑到目前的CFD商用软件大多采用有限体积法，我们后续内容主要讨论有限体积法。19离散方法分类小结•有限差分法（Finitedifferencemethod）–用差商与代替导数–经典、成熟–数学理论基础明确–主导方法•有限容积法(Finitevolumemethod)–控制容积法（Controlvolumemethod）–基本上属于有限差分法的范畴•有限单元法（Finiteelementmethod)–将求解区域分成若干个小的单元（element）–设定待求变量在单元上的分布函数–适应性强，适用于复杂的求解区域–一度有取代有限差分法的趋势–程序技巧要求高–数学基础不如有限差分法明确20•边界单元法（Boundaryelementmethod)–对数学模型在边界上离散化–基于数学模型的基础解–不需要全区域求解–