流體力學(xué)與CFD基礎(chǔ)課件

1、流體力學(xué)與CFD基礎(chǔ)1、流體力學(xué)基礎(chǔ)控制體控制表面 控制體指空間的一個(gè)區(qū)域 該區(qū)域被控制面所包圍 其大小和形狀是任意的 可以是管, 設(shè)備, 旋轉(zhuǎn)葉片等 適用于有限的和極小尺寸的區(qū)域控制體 1、流體力學(xué)基礎(chǔ)可在這兩種坐標(biāo)系下描述基本守衡定律方程拉格朗日原理研究流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動跟蹤這一部分流體質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間變化的空間位置和特性一般用于研究顆粒的空間運(yùn)動軌跡的研究等歐拉原理研究流體流過的控制體, 該控制體在空間位置是固定的獨(dú)立變量是空間坐標(biāo) (x,y,z) 和時(shí)間 (t)拉格朗日和歐拉坐標(biāo)系1、流體力學(xué)基礎(chǔ)流體運(yùn)動守衡方程質(zhì)量守衡方程動量守衡方程-牛頓運(yùn)動定律能量守衡方程-熱力學(xué)第一定律這三個(gè)守衡方程是C

2、FD的理論基石！1、流體力學(xué)基礎(chǔ) 質(zhì)量流入質(zhì)量流出質(zhì)量 總量控制體質(zhì)量增加率=流入的質(zhì)量 - 流出的質(zhì)量表述積分方程控制體控制面 例:均布, 1D, 穩(wěn)態(tài)流動質(zhì)量守衡1、流體力學(xué)基礎(chǔ)質(zhì)量守衡連續(xù)性方程： 任何流體問題都必須滿足質(zhì)量守恒定律。該定律可表達(dá)為：單位時(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元的凈質(zhì)量。 1、流體力學(xué)基礎(chǔ) 動量流入動量流出動量總量動量增加率=+ 流出的動量 - 流入的動量表述積分方程凈力凈力例: 均布, 1D, 穩(wěn)態(tài)流動動量守衡1、流體力學(xué)基礎(chǔ)動量守衡N-S方程(廣義動量方程)： 微元體中流體的動量對時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。1、

3、流體力學(xué)基礎(chǔ) 流入的總焓流出的總焓能量總量內(nèi)部能量變化率流入熱量 - 輸出功 =表述積分方程 流入熱量輸出功+ 流出的焓- 流入的焓例子:1D 穩(wěn)態(tài)流動能量守衡1、流體力學(xué)基礎(chǔ) 能量守衡能量方程： 有效粘度是層流粘度（層流粘度是流體的屬性）和湍流粘度（湍流粘度從湍流模型中計(jì)算所得）之和 。 微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功。2、CFD基礎(chǔ)2.1 CFD模型的數(shù)值求解方法概述 數(shù)值方法求解CFD模型的基本思想是：把原來在空間與時(shí)間坐標(biāo)中連續(xù)的物理量的場(如速度場、溫度場、濃度場等)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)(稱為節(jié)點(diǎn)，node)上的值的集合來代替，通過一定的

4、原則建立起這些離散點(diǎn)上變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程(稱為離散方程，discretization equation)，求解所建立起來的代數(shù)方程以獲得所求解變量的近似解。在過去的幾十年內(nèi)已經(jīng)發(fā)展了多種數(shù)值解法，其間的主要區(qū)別在于區(qū)域的離散方式、方程的離散方式及代數(shù)方程求解的方法這三個(gè)環(huán)節(jié)上。在CFD求解計(jì)算中用得較多的數(shù)值方法有：有限差分法(finite difference method，F(xiàn)DM)、有限體積法(finite volume method，F(xiàn)VM)、有限元法(finite element method，F(xiàn)EM)及有限分析法(finite analytic method，F(xiàn)AM)。 2、C

5、FD基礎(chǔ)2.1 CFD模型的數(shù)值求解方法概述 （1） 有限差分法 有限差分法是歷史上采用最早的數(shù)值方法，對簡單幾何形狀中的流動與換熱問題也是一種最容易實(shí)施的數(shù)值方法。其基本點(diǎn)是：將求解區(qū)域用與坐標(biāo)軸平行的一系列網(wǎng)格線的交點(diǎn)所組成的點(diǎn)的集合來代替，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，將控制方程中每一個(gè)導(dǎo)數(shù)用相應(yīng)的差分表達(dá)式來代替，從而在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上形成一個(gè)代數(shù)方程，每個(gè)方程中包括了本節(jié)點(diǎn)及其附近一些節(jié)點(diǎn)上的未知值，求解這些代數(shù)方程就獲得了所需的數(shù)值解。由于各階導(dǎo)數(shù)的差分表達(dá)式可以從Taylor(泰勒)展開式來導(dǎo)出，這種方法又稱建立離散方程的Taylor展開法。2、CFD基礎(chǔ)2.1 CFD模型的數(shù)值求解方法概述 （2）

6、有限體積法 在有限體積法中將所計(jì)算的區(qū)域劃分成一系列控制體積，每個(gè)控制體積都有一個(gè)節(jié)點(diǎn)作代表，通過將守恒型的控制方程對控制體積作積分來導(dǎo)出離散方程。在導(dǎo)出過程中，需要對界面上的被求函數(shù)本身及其一階導(dǎo)數(shù)的構(gòu)成作出假定，這種構(gòu)成的方式就是有限體積法中的離散格式。用有限體積法導(dǎo)出的離散方程可以保證具有守恒特性，而且離散方程系數(shù)的物理意義明確，是目前流動與傳熱問題的數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用最廣泛的一種方法。 Phoenics是最早投入市場的有限體積法軟件，F(xiàn)luent、STAR-CD和CFX都是常用的有限體積法軟件，它們在流動、傳熱傳質(zhì)、燃燒和輻射等方面應(yīng)用廣泛。2、CFD基礎(chǔ)2.1 CFD模型的數(shù)值求解方法概

7、述 （3）有限元法在有限元法中把計(jì)算區(qū)域劃分成一系列單元體(在二維情況下，單元體多為三角形或四邊形)，在每個(gè)單元體上取數(shù)個(gè)點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)，然后通過對控制方程做積分來獲得離散方程。它與有限體積法區(qū)別主要在于如下兩點(diǎn)。(1)要選定一個(gè)形狀函數(shù)(最簡單的是線性函數(shù))，并通過單元體中節(jié)點(diǎn)上的被求變量之值來表示該形狀函數(shù)，在積分之前將該形狀函數(shù)代入到控制方程中去。這一形狀函數(shù)在建立離散方程及求解后結(jié)果的處理上都要應(yīng)用。(2)控制方程在積分之前要乘上一個(gè)權(quán)函數(shù)，要求在整個(gè)計(jì)算區(qū)域上控制方程余量(即代入形狀函數(shù)后使控制方程等號兩端不相等的差值)的加權(quán)平均值等于零，從而得出一組關(guān)于節(jié)點(diǎn)上的被求變量的代數(shù)方程組。

8、2、CFD基礎(chǔ)2.2 有限體積法（1）計(jì)算區(qū)域的離散化所謂區(qū)域的離散化(domain discretization)實(shí)質(zhì)上就是用一組有限個(gè)離散的點(diǎn)來代替原來的連續(xù)空間。一般的實(shí)施過程是：把所計(jì)算的區(qū)域劃分成許多個(gè)互不重疊的子區(qū)域(sub-domain)，確定每個(gè)子區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)位置及該節(jié)點(diǎn)所代表的控制體積。區(qū)域離散后，得到以下四種幾何要素。節(jié)點(diǎn)(node)：需要求解的未知物理量的幾何位置?？刂企w積(control volume)：應(yīng)用控制方程或守恒定律的最小幾何單位。界面(face)：它定義了與各節(jié)點(diǎn)相對應(yīng)的控制體積的界面位置。網(wǎng)格線(grid line)：連接相鄰兩節(jié)點(diǎn)面形成的曲線簇。2、CF

9、D基礎(chǔ)2.2 有限體積法（1）計(jì)算區(qū)域的離散化一般把節(jié)點(diǎn)看成是控制體積的代表。在離散過程中，將一個(gè)控制體積上的物理量定義并存儲在該節(jié)點(diǎn)處。圖給出了一維問題的有限體積法計(jì)算網(wǎng)格，圖給出了二維問題的有限體積法計(jì)算網(wǎng)格。2、CFD基礎(chǔ)2.2 有限體積法（1）計(jì)算區(qū)域的離散化計(jì)算區(qū)域離散的網(wǎng)格有兩類：結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。節(jié)點(diǎn)排列有序，即當(dāng)給出了一個(gè)節(jié)點(diǎn)的編號后，立即可以得出其相鄰節(jié)點(diǎn)的編號，所有內(nèi)部節(jié)點(diǎn)周圍的網(wǎng)格數(shù)目相同。這種網(wǎng)格稱為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(structured grid)。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有實(shí)現(xiàn)容易、生成速度快、網(wǎng)格質(zhì)量好、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邊界區(qū)域的離散。而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的內(nèi)部

10、節(jié)點(diǎn)以一種不規(guī)則的方式布置在流場中，各節(jié)點(diǎn)周圍的網(wǎng)格數(shù)目不盡相同。這種網(wǎng)格雖然生成過程比較復(fù)雜，但卻有極大的適應(yīng)性，對復(fù)雜邊界的流場計(jì)算問題特別有效。2、CFD基礎(chǔ)2.2 有限體積法（2）控制方程的離散化前面給出的流體流動問題的控制方程，無論是連續(xù)性方程、動量方程，還是能量方程，都可寫成如式所示的通用形式，3、流體力學(xué)基本概念簡介 3.1理想流體與粘性流體 粘性定義：流體所具有的這種抵抗兩層流體間相對滑動速度，或普遍說來抵抗變形的性質(zhì)。 3.2 牛頓流體與非牛頓流體 區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)：是否為常數(shù) 內(nèi)摩擦剪應(yīng)力與速度變化率的關(guān)系3、流體力學(xué)基本概念簡介 3.3 可壓流體與不可壓流體 判定標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)密度是

11、否為常數(shù) 3.4定常與非定常流動 判定標(biāo)準(zhǔn)：流體流動的物理量(如速度、壓力、溫度等)是否隨時(shí)間變化不可壓密度為常數(shù) 定常流動流動的物理量不隨時(shí)間變化 3、流體力學(xué)基本概念簡介 3.5 層流與湍流 層流湍流流體在流動過程中兩層之間沒有相互混摻 流體不是處于分層流動狀態(tài) 判定標(biāo)準(zhǔn)：Reynolds數(shù)(也稱雷諾數(shù))是否超過臨 界雷諾數(shù)。 3、流體力學(xué)基本概念簡介 3.5 層流與湍流 層流湍流流體在流動過程中兩層之間沒有相互混摻 流體不是處于分層流動狀態(tài) 判定標(biāo)準(zhǔn)：Reynolds數(shù)(也稱雷諾數(shù))是否超過臨 界雷諾數(shù)。 4、FLUENT流體力學(xué)分析基本步驟劃分網(wǎng)格建立模型CAD軟件；DesignMod

12、elerMesh功能；專用網(wǎng)格劃分前處理設(shè)置求解器設(shè)置后處理查看結(jié)果FLUENT設(shè)置流體模型，邊界條件；流體參數(shù)等設(shè)置求解方法，求解控制查看流速，壓力等4、FLUENT流體力學(xué)分析基本步驟4.1 建立模型4、FLUENT流體力學(xué)分析基本步驟4.1 建立模型4、FLUENT流體力學(xué)分析基本步驟4.2 劃分網(wǎng)格建議一般用戶選用該種方式4、FLUENT流體力學(xué)分析基本步驟1.通用設(shè)置（General） 用戶可以使用通用設(shè)置完成，比例縮放網(wǎng)格，檢查網(wǎng)格，顯示網(wǎng)格，設(shè)置求解方法，設(shè)置流體分析類型，即穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)，此外還可以設(shè)置流體分析中是否考慮重力和流體分析過程中的單位。4.3 前處理設(shè)置4、FLUEN

13、T流體力學(xué)分析基本步驟4.3 前處理設(shè)置2.流體模型設(shè)置（Models） FLUENT提供豐富的流體分析模型，用戶使用該選項(xiàng)可以根據(jù)分析選擇是否激活多相流分析（Multiphase），能量方程（Energy），湍流模型（Viscous），流體輻射（Radiation），熱交換器（Heat Exchanger），多組份流體分析（Species），離散相流體分析（Discrete Phase），凝固和融合分析（Solidification&Melting），聲學(xué)模擬（Acoustics），Eulerian 薄膜模型（Eulerian Film Model ）4、FLUENT流體力學(xué)分析基本步驟4.

14、3 前處理設(shè)置3.流體材料參數(shù)（Materials）4、FLUENT流體力學(xué)分析基本步驟4.3 前處理設(shè)置4.設(shè)置流體相（Phase） 如果用戶在流體模型中激活了多相流分析選項(xiàng)，則可以使用該選項(xiàng)對多相流設(shè)置不同流體的材料參數(shù)。4、FLUENT流體力學(xué)分析基本步驟4.3 前處理設(shè)置5.設(shè)置計(jì)算的流體域條件（Cell Zone Conditions） 用戶可以使用該項(xiàng)為選定的流體區(qū)域設(shè)置流體類型，流體參數(shù)，參考坐標(biāo)系，動網(wǎng)格，多孔區(qū)域介質(zhì)，源項(xiàng)，多相等。4、FLUENT流體力學(xué)分析基本步驟4.3 前處理設(shè)置 6.設(shè)置邊界條件（Cell Zone Conditions） FLUENT提供了流體入口和

15、出口邊界條件，壁面邊界條件，重復(fù)邊界條件， Pole boundaries和內(nèi)表面邊界4、FLUENT流體力學(xué)分析基本步驟4.3 前處理設(shè)置7.設(shè)置網(wǎng)格界面（Mesh Interface） 網(wǎng)格界面功能允許用戶為滑動網(wǎng)格，多坐標(biāo)參考系設(shè)置和非一致邊界條件設(shè)置不同網(wǎng)格的界面。4、FLUENT流體力學(xué)分析基本步驟4.3 前處理設(shè)置8.設(shè)置動網(wǎng)格（Dynamic） 用戶使用該項(xiàng)功能可以模擬固體在流體區(qū)域運(yùn)動的流體動力學(xué)問題。4、FLUENT流體力學(xué)分析基本步驟4.3 前處理設(shè)置9.設(shè)置參考值（Reference Values） 通過該項(xiàng)面板，可以讓用戶為歸一化處理流場變量而設(shè)置參考值，此外也允許用戶

16、為后處理中的移動區(qū)域的相對速度指定參考區(qū)域。4、FLUENT流體力學(xué)分析基本步驟1.設(shè)置求解方法（Solution Methods） 通過該項(xiàng)面板，用戶可以設(shè)置求解流體流動離散后代數(shù)方程組的基本算法（Scheme），對流項(xiàng)的空間離散算法（Spatial Discretization），瞬態(tài)項(xiàng)的離散算法（Transient Formulation）4.4 求解4、FLUENT流體力學(xué)分析基本步驟4.4 求解2.設(shè)置求解控制參數(shù)（Solution Controls） 基于壓力求解流體流動方程的方法使用under-relaxation 系數(shù)，來控制每一次迭代的計(jì)算參數(shù)更新。FLUENT提供的默認(rèn)值可

17、以適用于大多數(shù)流體問題，但對于一些特殊問題，例如湍流，高雷諾數(shù)的自然對流問題，建議減少初始的 under-relaxation系數(shù)，這樣有利于求解收斂和保證一定的求解精度。4、FLUENT流體力學(xué)分析基本步驟4.4 求解3.設(shè)置監(jiān)視參數(shù)（Monitors） 使用該面板，用戶可以設(shè)置求解過程中的殘差，靜態(tài)和力的求解監(jiān)視，此外還可以設(shè)置表面量和體積量的求解過程中的監(jiān)視量。4、FLUENT流體力學(xué)分析基本步驟4.4 求解4.設(shè)置求解初始值（Solution Initialization） 因?yàn)镕LUENT求解器，需使用一個(gè)初始流場來進(jìn)行下一次的迭代計(jì)算，所有在流體計(jì)算前需進(jìn)行設(shè)置流場初始解。4、FLUENT流體力學(xué)分析基本步驟4.4 求解5、設(shè)置求解激活（Calculation Activities） 用戶可以使用該項(xiàng)功能，可以在求解過程中保存文件，輸出文件，創(chuàng)建求解動畫和執(zhí)行一些命令。4、FLUENT流體力學(xué)分析基本步驟4.5后處理查看