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RISEANASYS基础培训上海工程技术大学锐狮电动方程式■问题定义1.确定模拟的目的2.确定计算域■前处理（ICEM）3创建代表计算域的几何实体4设计并划分网格■求解过程（FLUENT）5设置物理问题（物理模型、材料属性、域属性、边界条件…）6定义求解器（数值格式、收敛控制…）7求解并监控■后处理过程8.查看计算结果9.修订模型CFD是计算流体动力学（Computationalfluiddynamics）的缩写，是预测流体流动、传热传质、化学反应及其他相关物理现象的一门学科，它通过计算机进行数值计算，模拟流体流动的各种相关物理现象。Fluent是目前CFD软件中较好的一款。■CFD基本求解步骤CFD一、空气动力学基础二、ICEM基础三、FLUENT基础一、空气动力学基础大气物理性质（Atmosphericphysicalproperty）空气密度：空气密度是指单位体积的空气质量，取决于分子数的多少，也就是空气稠密的程度。空气密度大，比较稠密，物体在空气中运动所受阻力越大；空气密度小，比较稀薄，物体所受阻力小。空气温度：空气温度表示空气的冷热程度，是分子不规则热运动的平均速度的表现形式。分子运动速度大，即分子的平均动能大，则空气温度高；分子运动速度小，即分子的平均动能小，则空气温度低。空气压强：空气压强指单位面积上所承受的空气垂直作用力。产生空气压强的原因是空气分子连续不断撞击物体表面作用的结果。它与分子热运动的平均动能成正比，取决于单位体积内的分子数目、分子质量和分子运动的平均速度。A.理想流体（IdealFluid）和粘性流体（ViscousFluid）：流体在静止时虽不能承受切应力，但在运动时，对相邻的两层流体间的相对运动，即相对滑动速度却是有抵抗的，这种抵抗力称为粘性应力。流体所具备的这种抵抗两层流体相对滑动速度，或普遍说来抵抗变形的性质称为粘性。粘性的大小依赖于流体的性质，并显著地随温度变化。实验表明，粘性应力的大小与粘性及相对速度成正比。当流体的粘性较小（实际上最重要的流体如空气、水等的粘性都是很小的），运动的相对速度也不大时，所产生的粘性应力比起其他类型的力如惯性力可忽略不计。此时我们可以近似地把流体看成无粘性的，这样的流体称为理想流体。十分明显，理想流体对于切向变形没有任何抗拒能力。这样对于粘性而言，我们可以将流体分为理想流体和粘性流体两大类。应该强调指出，真正的理想流体在客观实际中是不存在的，它只是实际流体在某些条件下的一种近似模型。B.牛顿流体（NewtonianFluid）和非牛顿流体（non-NewtonianFluid）：依据内摩擦剪应力与速度变化率的关系不同，黏性流体又分为牛顿流体和非牛顿流体。牛顿内摩擦定律表示：流体内摩擦剪应力和单位距离上的两层流体间的相对速度成比例。比例系数µ称为流体动力黏度，常简称为黏度。它的值取决于流体的性质、温度和压力大小。若µ为常数，则称为牛顿流体，否则为非牛顿流体。在温度一定，流动速率不是很大的情况下，空气、水等可视为牛顿流体；聚合溶液、含有悬浮粒杂质或纤维的流体为非牛顿流体；但严格意义上的牛顿流体是不存在的。气体黏度分为动力黏度μ和运动粘度ν，运动粘度ν等于动力黏度μ与当前气体密度ρ之比。对于大多数气体，在压强不太高且保持不变时，动力黏度与温度的关系可以用Sutherland经验公式近似计算：μ0是气体在0℃时的动力黏度：1.71×105Pa▪s，T0=273.15K，T为气体绝对温度，系数K随气体不同而不同。C.可压缩流体（CompressibleFluid）和不可压缩流体（IncompressibleFluid）：在流体的运动过程中，由于压力、温度等因素的改变，流体质点的体积（或密度，因质点的质量一定），或多或少有所改变。流体质点的体积或密度在受到一定压力差或温度差的条件下可以改变的这个性质称为压缩性。真实流体都是可以压缩的。它的压缩程度依赖于流体的性质及外界的条件。例如水在100个大气压下，容积缩小0.5%，温度从20°变化到100°，容积降低4%。因此在一般情况下液体可以近似地看成不可压的。但是在某些特殊问题中，例如水中爆炸或水击等问题，则必须把液体看作是可压缩的。气体的压缩性比液体大得多，所以在一般情形下应该当作可压缩流体处理。但是如果压力差较小，运动速度较小，并且没有很大的温度差，则实际上气体所产生的体积变化也不大;此时，也可以近似地将气体视为不可压缩的。D.层流（LaminarFlow）和湍流（TurbulentFlow）：实验表明，粘性流体运动有两种形态，即层流和湍流。这两种形态的性质截然不同。层流是流体运动规则，各部分分层流动互不掺混，质点的轨线是光滑的，而且流动稳定。湍流的特征则完全相反，流体运动极不规则，各部分激烈掺混，质点的轨线杂乱无章，而且流场极不稳定。这两种截然不同的运动形态在一定条件下可以相互转化。E.定常流动（SteadyFlow）和非定常流动（UnsteadyFlow）：以时间为标准，根据流体流动的物理量（如速度、压力、温度等）是否随时间变化，将流动分为定常与非定常两大类。当流动的物理量不随时间变化，为定常流动；反之称为非定常流动。定常流动也称为恒定流动，或者稳态流动；非定常流动也称为非恒定流动、非稳态流动。许多流体机械在起动或关机时的流体流动一般是非定常流动，而正常运转时可看作是定常流动。F．雷诺数（Reynoldsnumber）、弗劳德数（Froudenumber）、马赫数（Machnumber）雷诺数是一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。Re=ρvd/μ，其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度。例如流体流过圆形管道，则d为管道的当量直径。利用雷诺数可区分流体的流动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力。弗劳德数是流体力学中表征流体惯性力和重力相对大小的一个无量纲参敦，记为Fr。它表示惯性力和重力量级的比，即：Fr=U2/gL,式中U为物体运动速度，g为重力加速度；L为物体的特征长度。马赫数是流体力学中表征流体可压缩程度的一个重要的无量纲参数，记为Ma，定义为流场中某点的速度v同该点的当地声速c之比，即Ma=v/c。。G.亚音速流动(Subsonic)与超音速流动（Supersonic）：当气流速度很大，或者流场压力变化很大时，流体就受到了压速性的影响。马赫数定义为当地速度与当地音速之比。当马赫数小于1时，流动为亚音速流动；当马赫数远远小于1（如M0.1）时，流体的可压速性及压力脉动对密度变化影响都可以忽略。当马赫数接近1时候（跨音速），可压速性影响就显得十分重要了。如果马赫数大于1，流体就变为超音速流动。FLUENT对于亚音速，跨音速以及超音速等可压流动都有模拟能力。H.热传导（HeatTransfer）及扩散（Diffusion）：除了粘性外，流体还有热传导及扩散等性质。当流体中存在温度差时，温度高的地方将向温度低的地方传送热量，这种现象称为热传导。同样地，当流体混合物中存在组元的浓度差时，浓度高的地方将向浓度低的地方输送该组元的物质，这种现象称为扩散。I.边界层理论（boundarylayertheory）▪流体在大雷诺数下作绕流流动时，在离固体壁面较远处，粘性力比惯性力小得多，可以忽略；但在固体壁面附近的薄层中,粘性力的影响则不能忽略,沿壁面法线方向存在相当大的速度梯度，这一薄层叫做边界层。▪边界层分为层流边界层、过度路流边界层、湍流边界层。流体的雷诺数越大，边界层越薄。从边界层内的流动过渡到外部流动是渐变的，所以边界层的厚度δ通常定义为从物面到约等于99%的外部流动速度处的垂直距离，它随着离物体前缘的距离增加而增大。▪根据雷诺数的大小，边界层内的流动有层流与湍流两种形态。一般上游为层流边界层，下游从某处以后转变为湍流，且边界层急剧增厚。层流和湍流之间有一过渡区。当所绕流的物体被加热（或冷却）或高速气流掠过物体时，在邻近物面的薄层区域有很大的温度梯度，这一薄层称为热边界层。▪大雷诺数的绕流流动可分为两个区，即很薄的一层边界层区和边界层以外的无粘性流动区。因此，处理粘性流体的方法是：略去粘性和热传导，把流场计算出来，然后用这样的初次近似求得的物体表面上的压力、速度和温度分布作为边界层外边界条件去解这一物体的边界层问题。算出边界层就可算出物面上的阻力和传热量。二、ICEM基础ANSYSCFD求解器是基于有限体积法的▪计算域离散化为一系列控制体积▪在这些控制体上求解质量、动量、能量组分等的通用守恒方程▪偏微分方程组离散化为代数方程组▪用数值方法求解代数方程组以获取流场解ControlVolume*Fluidregionofpipeflowisdiscretizedintoafinitesetofcontrolvolumes.CFD如何工作?▪因为ICEM求解器采用有限控制体积法，要对具体问题进行计算，首先就要对计算区域在空间进行网格划分。网格作为CFD模型的几何表达形式，网格的质量对CFD的计算结果有着重要的影响，可以说网格是CFD成功的前提条件。对于复杂的CFD问题，网格划分的难度极大，消耗的时间常常大于数值计算的时间。▪网格一般分为结构网格和非结构网格两大类，不管是何种结构的网格，通常都要按照建立几何模型、划分网格和制定边界条件三个步骤生成。对于复杂工程问题，结构化网格工作量大，但是计算机生成网格计算量小，易于较好控制网格质量同时保证边界层网格，计算更易达到收敛；非结构化网格对模型自适应性好，工作量小，但是计算量大，对计算机要求高，网格质量不好控制，边界层网格不好保证。▪从理论上讲，网格单元越小，即网格越密，计算精度越高，但计算时间也会增加。实际上，当网格的尺度达到足够小之后，求解结果对网格数量的增加不再敏感，因此，网格数只要满足计算精度即可。ICEMCFD的一般工作流程包括以下几个步骤：1、打开/创建一个工程2、创建/处理几何3、创建网格4、检查/编辑网格5、生成求解器的导入文件6、结果后处理ICEMCFD快速入门步骤：1、了解几何建模常识（如常用的CAD软件，常见的特征建模方式等）2、了解ICEMCFD的基本界面、基本鼠标操作方式。3、了解网格常识、网格质量评判指标。4、了解ICEMCFD的网格生成基本步骤（几何输入、网格生成、网格输出）5、了解ICEMCFD非结构网格生成方法、各种方法优缺点及适应性、网格质量改进方法、网格局部控制方法等6、了解ICEMCFD分块六面体网格生成方法。Ϩ等参数长方体外流场分析-网格划分实例（非结构网格）一、导入文件，建立part，设置容差，检查模型二、设置面网格三、设置密度体四、设置全局网格、边界层网格、定义边界层五、定义网格生成Body六、生成体网格，同时生成边界层网格七、检查网格质量,output导出网格三、Fluent基础在项目树中选择要设置的单元，输入窗口在中心打开GeneralModelsMaterialsBoundaryConditionsSolverSettingsInitializationandCalculationPostprocessingFLUENT用户界面导航Ϩ方程式赛车流体分析实例一、导入网格，缩放网格，选择量纲二、材料选择气体，湍流模型选择K-Ω，SST低雷诺数模型Ϩ湍流模型选择：湍流模型选择剪切应力运输k-ω模型，即SSTk-ω模型：▪式中，𝐺𝑘为湍动能k的生成项，Gω为耗散率ω的生成项；Γk和Γω分别为k和ω的有效扩散系数；Yk和Yω为由于紊流引起的k和ω的耗散；Dω为交叉扩散项；Sk和Sω为自定义源项。▪该模型综合了k-ω模型在近壁区计算的优点和k-ε模型在远场计算的优点，将k-ω和标准k-ε模型都乘以一个混合函数后再相加就得到这个模型。在近壁区，混合函数的数值等于1，因此在近壁区等价于k-ω。在远离近壁面的区域混合值函数等于0，因此自动转化为标准k-ε模型。与标准k-ω相比，SSTk-ω模型中增加了横向耗散导数项，同时在湍流粘度定义中考虑了湍流剪切应力的运输过程，模型