CFD

计算流体动力学CFD一、CFD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。0)()()(zyvxut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等于外界作用在该微元体上的的各种力之和。zzzyzxzyzyyyxyxzxyxxxFzyxzpudivtFzyxypvudivtvFzyxxpuudivtu)()()()()()(CFD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。TpSTgradckdivuTdivtT)()(CFD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。sssxsScgradDdivucdivtc))(()()(二、CFD软件介绍2020/10/247序号软件名称简介功能和应用领域通用软件FLUENTFluent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。主要的软件模块有：Icepak专用的热控分析CFD软件；Airpak专用的供暖通风和空气调节软件；Mixsim是面向搅拌装置设计的专业流体分析软件；BladeModeler是涡轮机械叶片设计软件；CoolSim是虚拟数据中心制冷审核服务软件。航空航天、燃料电池、生物医药、钢铁冶金、船舶、电子电气、汽车、机械、化工、电力、环境、石油、建筑、空调玻璃、搅拌ABAQUSABAQUS等是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料库，可以模拟典型工程材料的性能。作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题。ABAQUS有两个主求解器模块-ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。ABAQUS还包含一个全面支持求解器的图形界面，即人机交互前后处理模块-ABAQUS/CAE。ABAQUS对某些特殊问题还提供了专用模块加以解决。ABAQUS/Standard是各种线性和非线性工程模拟能够有效、精确、可靠地实现。ABAQUS/Explicit（显示积分）为模拟广泛的动力学问题和准静态问题提供精确、强大和高效的有限元求解技术。ABAQUS/CAE能够快速有效的创建、编辑、监控、诊断和后处理先进的ABAQUS分析，将建模、分析、工作管理以及结果显示于一个一致的、使用方便的环境中。橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料及土壤和岩石问题、热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析、压电解质分析、航空、汽车、船舶、土木、电子、材料成型加工、石化CFXCFX是通用计算流体力学分析软件。CFX是全球第一个在复杂几何、网格、求解这三个CFD传统瓶径问题上均获得重大突破的商业CFD软件。借助于其独一无二的技术特点，领导着新一代高性能CFD商业软件的整体发展趋势。精确的数值方法和大多数CFD软件不同的是，CFX采用了基于有限元的有限体积法，在保证了有限体积法的守恒特性的基础上，吸收了有限元法的数值精确性。CFX拥有包括流体流动、传热、辐射、多相流、化学反应、燃烧等问题丰富的通用物理模型；还拥有诸如气蚀、凝固、沸腾、多孔介质、相间传质、非牛顿流、喷雾干燥、动静干涉、真实气体等大批复杂现象的实用模型。CFX的前处理模块ICEMCFD是一个高度智能化的、为专业CFD分析软件提供高质量网格的软件，具有两大特点：先进的网格剖分技术和一劳永逸的CAD模型处理工具航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、冶金、环保等LS-DYNALS-DYNA是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。LS-DYNA是功能齐全的几何非线性（大位移、大转动和大应变）、材料非线性（140多种材料动态模型）和接触非线性（50多种）程序。它以Lagrange算法为主，兼有ALE和Euler算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流体-结构耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能（如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算）。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包，与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性，开创了显式算法的先河，被公认为显式算法的鼻祖汽车工业:碰撞分析、气囊设计、乘客被动安全、部件加工；航空航天：鸟撞、叶片包容、飞机结构冲击动力分析、碰撞、坠毁、冲击爆炸及动态载荷、火箭级间分离模拟分析、宇宙垃圾碰撞、特种复合材料设计；制造业：冲压、锻造、铸造、切割；市政工程：地震安全、混凝土结构、爆破拆除、公路桥梁设计；国防：内弹道和终点弹道、装甲和反装甲系统、穿甲弹与破甲弹设计、战斗部结构设计、冲击波传播、侵彻与开坑、空气，水与土壤中爆炸、核废料容器设计等；电子领域：跌落分析、包装设计、热分析、电子封装；石油工业：液体晃动、完井射孔、管道设计、爆炸切割、事故模拟、海上平台设计；其它应用：玻璃成型、生物医学、体育器材；三、CFD的起源作为流体力学的一个分支产生于第二次世界大战前后，在20世纪60年代左右逐渐形成了一门独立的学科。总的来说随着计算机技术及数值计算方法的发展，我们可以将其划分为三个阶段：2020/10/248•第一，初始阶段（1965～1974）这期间的主要研究内容是解决计算流体力学中的一些基本的理论问题，如模型方程（湍流、流变、传热、辐射、气体－颗粒作用、化学反应、燃烧等）、数值方法（差分格式、代数方程求解等）、网格划分、程序编写与实现等，并就数值结果与大量传统的流体力学实验结果及精确解进行比较，以确定数值预测方法的可靠性、精确性及影响规律。同时为了解决工程上具有复杂几何区域内的流动问题，人们开始研究网格的变换问题，如Thompson,Thams和Mastin提出了采用微分方程来根据流动区域的形状生成适合坐标体系，从而使计算流体力学对不规则的几何流动区域有了较强的适应性，逐渐在CFD中形成了专门的研究领域：“网格形成技术”。2020/10/249•第二，工业应用阶段(1975～1984年)随着数值预测、原理、方法的不断完善，关键的问题是如何得到工业界的认可，如何在工业设计中得到应用，因此，该阶段的主要研究内容是探讨CFD在解决实际工程问题中的可行性、可靠性及工业化推广应用。同时，CFD技术开始向各种以流动为基础的工程问题方向发展，如气固、液固多相流、非牛顿流、化学反应流、煤粉燃烧等。但是，这些研究都需要建立在具有非常专业的研究队伍的基础上，软件没有互换性，自己开发，自己使用，新使用的人通常需要花相当大的精力去阅读前人开发的程序，理解程序设计意图，改进和使用。1977年，Spalding等开发的用于预测二维边界层内的迁移现象的GENMIX程序公开，其后，他们首先意识到公开计算源程序很难保护自己的知识产权，因此，在1981年，组建的CHAM公司将包装后的计算软件（PHONNICS－凤凰）正式投放市场，开创了CFD商业软件的先河，但是，在当时，该软件使用起来比较困难，软件的推广并没有达到预期的效果。我国80年代初期，随着与国外交流的发展，科学院、部分高校开始兴起CFD的研究热潮。2020/10/2410•第三，快速发展阶段（1984至今）CFD在工程设计的应用以及应用效果的研究取得了丰硕的成果，在学术界得到了充分的认可。同时Spalding领导的CHAM公司在发达国家的工业界进行了大量的推广工作，Patankar也在美国工程师协会的协助下，举行了大范围的培训，皆在推广应用CFD，然而，工业界并没有表现出太多的热情。1985年的第四界国际计算流体力学会议上，Spalding作了CFD在工程设计中的应用前景的专题报告，在该报告中，他将工程中常见的流动、传热、化学反应等过程分为十大类问题，并指出CFD都有能力加以解决，分析了工业界不感兴趣，是因为软件的通用性能不好，使用困难。如何在CFD的基础研究与工程开发设计研究之间建立一个桥梁?如何将研究结果为高级工程设计技术人员所掌握，并最大限度地应用于工程咨询、工程开发与设计研究?这正是本时期应用基础研究所追求的目标。此后，随着计算机图形学、计算机微机技术的快速进步，CFD的前后处理软件得到了迅速发展，如GRAPHER，GRAPHERTOOL，ICEM－CFD等等。2020/10/2411四、CFD的基本原理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，计算流体力学可以看做是在流动基本方程，控制对流体的数值仿真模拟。通过这些数值模拟，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，以及这些量随时间变化的情况，确定是否产生涡流，涡流分布特性及脱流区域等。计算流体力学以理论流体力学和计算数学为基础，是这两门学科的交叉学科。主要研究把描述流体运动的连续介质数学模型离散成大型代数方程，建立可在计算机上求解的算法。CFD包括对各种类型的流体（气体、液体及特殊情况下的固体），在各种速度范围内的复杂流动在计算机上进行数值模拟的计算。它涉及用计算机寻求流动问题的解和流体动力学研究中计算机的应用两方面问题。计算机科学及超级计算机的发展为CFD技术的发展提供了舞台。2020/10/24122020/10/2413•现代科学研究的三大基本方法及其关系流体力学研究方法数值模拟实验研究理论分析计算流体力学计算机技术飞速发展动力条件五、CFD的方法2020/10/2414（1）理论分析（Analytical）：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。2020/10/2415（2）实验研究（Experimental）：结果真实可信，它是理论分析和数值计算方法的基础。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。（3）数值模拟（Numerical）：恰好克服了前面两种方法的缺点，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实验。CFD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。六、CFD的应用方案设计详细设计制造样机测试评估；性能；质量；可通过否？投产不通过通过•传统的设计方法流程：•应用C