第1講 CFD緒論

1、第一講 CFD緒論 屠基元 教授 清華大學(xué) 墨爾本皇家理工大學(xué) 2 什么是什么是CFD? CFD是一種設(shè)計是一種設(shè)計 工具：通過使用工具：通過使用 計算軟件來解決計算軟件來解決 流體流動流體流動和和傳熱傳熱 中中廣泛存在的工廣泛存在的工 程技術(shù)程技術(shù)問題。問題。 3 什么是什么是CFD? CFD 是一種科研是一種科研 工具：通過大量工具：通過大量 的數(shù)值模擬，來的數(shù)值模擬，來 探索和研究探索和研究流體流體 流動流動和和傳熱傳熱中廣中廣 泛存在的學(xué)術(shù)問泛存在的學(xué)術(shù)問 題。題。 4 CFD的應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域 CFD的應(yīng)用領(lǐng)域？ 航空航天航空航天 家電行業(yè) 汽車工程 生物醫(yī)學(xué) 化工 暖通空調(diào) 水利

2、 船舶 采礦技術(shù) 能源 體育競技 F18 外載彈體脫離外載彈體脫離 翼身干擾翼身干擾 航天飛機航天飛機 5 家電行業(yè)家電行業(yè) CFD的應(yīng)用領(lǐng)域？ 航空航天 家電行業(yè)家電行業(yè) 汽車工程 生物醫(yī)學(xué) 化工 暖通空調(diào) 水利 船舶 采礦技術(shù) 能源 體育競技 無霜冰箱和冷藏室的表面熱通量模擬云圖有助于無霜冰箱和冷藏室的表面熱通量模擬云圖有助于 博世西門子的工程師來優(yōu)化空氣的進口位置。博世西門子的工程師來優(yōu)化空氣的進口位置。 6 汽車工程汽車工程 CFD的應(yīng)用領(lǐng)域？ 航空航天 家電行業(yè) 汽車工程汽車工程 生物醫(yī)學(xué) 化工 暖通空調(diào) 水利 船舶 采礦技術(shù) 能源 體育競技 外部空氣動力學(xué)外部空氣動力學(xué)底盤傳熱分析

3、底盤傳熱分析 內(nèi)部通風(fēng)內(nèi)部通風(fēng) 發(fā)動機冷卻發(fā)動機冷卻 7 生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué) CFD的應(yīng)用領(lǐng)域？ 航空航天 家電行業(yè) 汽車工程 生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué) 化工 暖通空調(diào) 水利 船舶 采礦技術(shù) 能源 體育競技 鼻腔給藥顆粒運動模擬鼻腔給藥顆粒運動模擬 鼻腔給藥顆粒運動分析鼻腔給藥顆粒運動分析 冠狀動脈血液動力學(xué)及流固耦合分析冠狀動脈血液動力學(xué)及流固耦合分析 8 化工化工 CFD的應(yīng)用領(lǐng)域？ 航空航天 家電行業(yè) 汽車工程 生物醫(yī)學(xué) 化工化工 暖通空調(diào) 水利 船舶 采礦技術(shù) 能源 體育競技 化工反應(yīng)器化工反應(yīng)器-反應(yīng)速反應(yīng)速 率優(yōu)化率優(yōu)化 換熱器換熱器-換熱性能分析換熱性能分析 9 暖通空調(diào)暖通空調(diào) CFD的

4、應(yīng)用領(lǐng)域？ 航空航天 家電行業(yè) 汽車工程 生物醫(yī)學(xué) 化工 暖通空調(diào)暖通空調(diào) 水利工程 船舶設(shè)計 采礦技術(shù) 能源 體育競技 復(fù)印機噴射粒子濃度的模擬復(fù)印機噴射粒子濃度的模擬. 送風(fēng)位置的模擬送風(fēng)位置的模擬 工作站通風(fēng)設(shè)備流線工作站通風(fēng)設(shè)備流線 管道系統(tǒng)內(nèi)的壓頭損失管道系統(tǒng)內(nèi)的壓頭損失 10 水利工程水利工程 CFD的應(yīng)用領(lǐng)域？ 航空航天 家電行業(yè) 汽車工程 生物醫(yī)學(xué) 化工 暖通空調(diào) 水利工程水利工程 船舶設(shè)計 采礦技術(shù) 能源 體育競技 11 船舶設(shè)計船舶設(shè)計 CFD的應(yīng)用領(lǐng)域？ 航空航天 家電行業(yè) 汽車工程 生物醫(yī)學(xué) 化工 暖通空調(diào) 水利工程 船舶設(shè)計船舶設(shè)計 采礦技術(shù) 能源 體育競技 12 采

5、礦技術(shù)采礦技術(shù) CFD的應(yīng)用領(lǐng)域？ 航空航天 家電行業(yè) 汽車工程 生物醫(yī)學(xué) 化工 暖通空調(diào) 水利工程 船舶設(shè)計 采礦技術(shù)采礦技術(shù) 能源 體育競技 海上石油鉆機海上石油鉆機 的氣流矢量和的氣流矢量和 壓力分布壓力分布 鉆頭表面泥漿的流動鉆頭表面泥漿的流動 旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒的旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒的 流動流動 13 能源能源 CFD的應(yīng)用領(lǐng)域？ 航空航天 家電行業(yè) 汽車工程 生物醫(yī)學(xué) 化工 暖通空調(diào) 水利 船舶 采礦技術(shù) 能源能源 體育競技 冷卻塔附近的流動冷卻塔附近的流動 核反應(yīng)堆數(shù)值模擬核反應(yīng)堆數(shù)值模擬 鍋爐燃燒室鍋爐燃燒室 不同工況模不同工況模 擬擬 14 體育競技體育競技 CFD的應(yīng)用領(lǐng)域？ 航

6、空航天 家電行業(yè) 汽車工程 生物醫(yī)學(xué) 化工 暖通空調(diào) 水利 船舶 采礦技術(shù) 能源 體育競技體育競技 15 影響影響CFD的重要因素的重要因素 計算能力的迅速提高； 數(shù)值計算模型的極大發(fā)展； 數(shù)值計算方法效率更高； 先進的可視化工具。 16 不斷增長的計算能力不斷增長的計算能力 17 高性能計算的需求高性能計算的需求 虛擬汽車設(shè)計理念 18 高可靠性模型的需求高可靠性模型的需求 在通用汽車公司（GM）的應(yīng)用 19 CFD的優(yōu)勢的優(yōu)勢 CFD作為一種工程設(shè)計和研究工具，有以下突出優(yōu)勢 成本低 通過物理實驗和測試來得到工程設(shè)計所需要的基本數(shù)據(jù)十分昂貴。 數(shù)值模擬相對便宜，并且隨著計算機能力的增強，數(shù)

7、值模擬的花費 也會降低。 速度快，周期短 CFD模擬所花費的時間較短。 模擬周期快意味著能夠在設(shè)計過程中較早的獲取工程數(shù)據(jù)。 可以模擬傳統(tǒng)實驗難以實現(xiàn)的工況 能夠（容易）測試許多流動和傳熱過程-例如，馬赫數(shù)為20的超音 速流動，核事故分析。 理論上CFD可以模擬任何物理過程。 20 CFD的優(yōu)勢的優(yōu)勢 可以模擬理想狀態(tài) CFD可以控制物理過程，單獨針對特殊的物理現(xiàn)象進行研究。 例如：可以對傳熱過程做理想化處理，絕熱、恒熱流或常溫邊界。 可以獲得全面綜合的結(jié)果信息 實驗往往通過儀器測得有限個位置 的數(shù)據(jù)（例如，壓力和溫度探針， 熱流密度測量儀，LDV等） CFD可以對任何感興趣的區(qū)域進行 分析，

8、并得到一系列復(fù)雜的流動參 數(shù)進行研究。 21 CFD的局限性的局限性 物理模型 CFD 求解依賴于對現(xiàn)實過程的物理建模 (例如，湍流，可壓性， 化學(xué)，多相流等等。） CFD求解的精確度依賴于物理模型的準(zhǔn)確性。 數(shù)值誤差 利用計算機來解方程總是會引入數(shù)值誤差 舍入誤差 由于計算機字符數(shù)有限而帶來的誤差 截斷誤差- 由于數(shù)值模型中的近似而帶來的誤差 舍入誤差總是存在 (雖然在大多數(shù)情況下很小) 截斷誤差隨著網(wǎng)格加密而減小 所以網(wǎng)格加密是減小截斷誤差的 方法，但有時也會引起數(shù)值計算上的不穩(wěn)定性。 22 CFD的局限性的局限性 邊界條件 CFD求解的精度不僅與物理模型有關(guān)，而且與初始值和邊界條 件相關(guān)

9、。 例如：突擴管道內(nèi)的流動 如果通過管道將流體輸送到主要的區(qū)域，應(yīng)該將入口邊界設(shè)為充分 發(fā)展后速度分布而不是均勻的流動。 poorbetter Fully Developed Inlet Profile Computational Domain Computational Domain Uniform Inlet Profile 計算機資源需求 即使計算機的運行速度越來越快，容量越來越大，但是模擬復(fù) 雜的工程系統(tǒng)仍然需要更多的計算機資源。 23 CFD的基本構(gòu)成的基本構(gòu)成 幾何模型 計算網(wǎng)格 物理性質(zhì) 數(shù)學(xué)模型 數(shù)值求解 后處理 冠狀動脈的CAD模型 波音777的CAD模型 24 幾何模型幾何

10、模型 25 計算網(wǎng)格計算網(wǎng)格 26 物理性質(zhì)物理性質(zhì) CFD需要的物理性質(zhì)參數(shù) 粘性 vs. 非粘性 (Re) 湍流 vs. 層流 (Re) 不可壓縮 vs. 可壓縮 (Ma) 單相 vs. 多相 (St) 熱效應(yīng)/密度效應(yīng)和能量方程 (Nu, Pr, Gr) 自由面流動和表面張力 (Fr, We) 化學(xué)反應(yīng)及成分 (C) 等等 建模的要求是由關(guān)鍵的物理現(xiàn)象決定的 27 基本物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型基本物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型 輸運方程 相互作用 j g g j g i g ij gl g j g i j gg j g i D i x ( u u) = p x + x ( x u) x (u uF ) (

11、 ) F f uu t D i p g i p i p 28 復(fù)雜物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型復(fù)雜物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型 kkkk kk kkk p k x 1 xxx ) ( )1( xx x x )( x ) ( x puu uu u uu u uuu uuuuuu t fuu u uu u uuuuuuuuu i pp f i fk p i p i ppk f i f i fi p k pp k fp i p i p f pi f i f i p i f f p p p i p i f fl f p i pi f k pp i fk f i pp i p i f k p k fp i p i f k

12、p = (I) + (II) + (III) + (IV) + (V) 29 數(shù)值求解數(shù)值求解 控制方程的數(shù)值解 依賴于模型方程和物理過程的方法 公式的組成 離散化和線性化 系統(tǒng)代數(shù)方程的組合 方程的解 30 更快的數(shù)值計算方法更快的數(shù)值計算方法 代數(shù)組合/解 通過捕捉穿過邊界層的點來建立矩陣方程 這是一個特殊的三對角矩陣，該矩陣可以直接求解（而不是 用Guass-Seidel迭代求解） ,2,2,2,2, ,3,3,3,3,3 222, max 2, max 2 1 ,1 11 00 00 00 iiiii j iiiii i,jmaxi,jmaxi,jmaxi ji j i,jmaxi,j

13、maxi,jmaxi,jmax-1i,jmax-1 i i,jmax BCUDA ABCUD ABCU U D ABUDCU no-slip edge velocity 31 后處理后處理 數(shù)據(jù)簡化、分析和可視化 導(dǎo)出變量的計算： 渦量， 壁面剪應(yīng)力， 積分參數(shù)的計算： 力，力矩 非穩(wěn)流的傅立葉分析 可視化可視化 (通常借助于商業(yè)軟件) 簡單的X-Y 坐標(biāo)曲線圖 簡單的 2D 云圖 3D地毯云圖 矢量圖和流線 動畫 U w Uy 32 CFD軟件軟件 CFD 軟件 建立在物理模型、數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計算方法基礎(chǔ)上 盲目使用商業(yè)軟件是危險的。因為軟件的適用性范圍有限， 所以具備相關(guān)背景知識非常重要。

14、 兩類可用軟件 商業(yè)版 (例如：Fluent, CFX, Star-CD) 研究版 (例如：大學(xué)或研究所的CFD 軟件和開源代碼 Openfoam) 使用C/C+或Fortran90/95編寫的軟件 并行計算的特殊編碼 33 計算結(jié)果分析實例計算結(jié)果分析實例1 藥物輸送設(shè)備的研究 人體上呼吸道中氣霧劑的輸送 34 計算結(jié)果分析實例計算結(jié)果分析實例2 鍋爐內(nèi)的氣鍋爐內(nèi)的氣-粒兩相流：粉塵速度和濃度分布粒兩相流：粉塵速度和濃度分布 35 研究與開發(fā)研究與開發(fā) (R&D) 工程工程 數(shù)學(xué)數(shù)學(xué) 計算科學(xué)計算科學(xué) 實驗流體力學(xué)實驗流體力學(xué) (EFD) 模型開發(fā)和驗證模型開發(fā)和驗證 計算流體力學(xué)計算流體力

15、學(xué) (CFD) 36 工程問題研究實例工程問題研究實例 物理過程物理過程 現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型 噴霧破碎噴霧破碎 液滴拖曳液滴拖曳 碰壁碰壁 湍流湍流 點火點火 燃燒燃燒 煤煙煤煙 NOx KH-RT 模型模型 液滴變形模型液滴變形模型 回彈回彈-滑動模型滑動模型 RNG k- 模型模型 Shell 自然模型自然模型 特征時間模型特征時間模型 Nagle-Stricland 模型模型 Extended Zeldovich 模型模型 37 流固耦合流固耦合 流體模擬流體模擬 (CFD) 固體模擬固體模擬 (FE) 耦合耦合 相互作用相互作用 湍流湍流 壓力波壓力波 波動波動 溫度溫度 振動振動 噪音噪音 形變形變 壓力壓力 共享共享 信息信息 38 創(chuàng)新的創(chuàng)新的 CFD-CAD 優(yōu)化優(yōu)化 計算流體力學(xué)計算