計算傳熱第講

計算傳熱第講第1頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容第一講：緒論第二講：傳熱問題的數(shù)學描述第三講：數(shù)學模型與求解區(qū)域的離散化第四講：擴散方程的數(shù)值解第五講：離散方程的求解、加速及注意事項第六講：對流擴散方程的離散化第七講：非邊界層對流換熱的數(shù)值計算第八講：網(wǎng)格生成技術簡介第九講：紊流模型第2頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月主要參考書陶文銓編著.數(shù)值傳熱學.西安交通大學出版社PatankarSV.NumericalHeatTransferandFluidFlow.N.Y.,McGraw-Hill,1980ShihTM.NumericalHeatTransfer,Washington,HemispherePublishingCo.,1984陶文銓著.計算傳熱學的近代進展.科學出版社，2000年AndersonJDJR.ComputationalFluidDynamics.McGraw-Hill,1995第3頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月學習與授課點滴學：自學動手作業(yè)考核：平時作業(yè)：獨立完成期末考試授課：畫龍點睛經(jīng)驗所得第4頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第一講LECTUREONE緒論INTRODUCTION第5頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月閱讀要求及作業(yè)陶文銓：數(shù)值傳熱學，第一章作業(yè)：陶文銓，P25題1－7第6頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)值模擬方法與研究進展(計算流體力學與計算傳熱學)第7頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第9頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第10頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第11頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)學模擬的方法較早提出的模型有零維模擬、一維模擬和零維加一維的板塊模擬。所謂零維模擬就是不考慮流體力學的熱力學模擬。假設溫度和濃度空間分布均勻。它常用與內(nèi)燃機中，在化工上稱之為良好攪拌反應器（well-stirredreactor,縮寫為WSR）模型。這類模型只能按熱力學原理對給定的初態(tài)找出終態(tài)（如總體傳熱和燃燒的外部特性與給定條件間的關系）。一維模擬可以預報出各類變量沿軸線方向的變化規(guī)律，假定橫截面上變量分布均勻。這類模擬雖然比零維模擬可以給出更多的信息，但這種方法所模擬的仍是簡化了的流動、傳熱和燃燒過程。這類模擬有時叫平推流（栓塞流）（plugflow）模擬。進一步發(fā)展的板塊模擬，其中把整個流場分成若干個平推流部分（代表向前流動）和良好攪拌反應器部分（代表回流流動）。這類模擬實際上就是零維加一維模擬。第12頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)值模擬大致分成如下步驟：（1）建立基本守衡方程由流體力學、傳熱學、燃燒學熱等離子體動力學及其他科學的基礎原理出發(fā)，建立基本守衡方程組，即連續(xù)方程、動量方程、能量方程、組分方程、湍流方程等。（2）確定邊界條件按給定的幾何形狀和尺寸，確定計算域并給定該計算域進出口、軸線（或?qū)ΨQ面）、各邊壁及自由面處的邊界條件。第13頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）選擇模型或封閉方法湍流兩相流的基本方程通常是不封閉的。由物理概念或某假說出發(fā)，提出模擬理論是必要的。這些模型有氣相和顆粒相的湍流模型、顆粒相的整體模型、湍流流動中的氣相反應模型、輻射換熱模型、污染物生成模型等。（4）建立有限差分方程組用數(shù)值法求解偏微分方程組，必須使方程離散化，湍流兩相流模擬的常用離散化方法是有限差分法，也可以選用其他離散方法，如有限元法、有限分析法。第14頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）制定求解方法對單相流動已有各種不同的差分方程組求解方法，如對拋物型流動（邊界層、射流、管流和噴管流等）有GENMIX前進積分算法，對橢圓問題（回流流動等）有渦量-流函數(shù)算法、壓力-速度修正算法（SIMPLE系列解法）等。對湍流兩相流，有更專門的解法，如PSIC、IPSA、GEMCHIP、PCGC-2、LEAGAP等。（6）研究計算技巧合理經(jīng)濟的網(wǎng)格劃分，迭代方法確定等。第15頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（7）編寫計算程序（8）調(diào)試程序（9）模擬結(jié)果與實驗的對比（10）改進模型及解法可見，數(shù)值模擬不僅是計算方法和計算技巧的問題，而且還包含一整套物理和化學過程理論，也包括深入細致的實驗測量。數(shù)值模擬的建立乃是反復的理論設想、計算實踐與實驗測量三者相互效核的最終結(jié)果。第16頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月CFD、NHT的發(fā)展史

計算傳熱學或數(shù)值傳熱學（NumericalHeatTransfer,NHT）與計算流體動力學（ComputationalFluidDynamics,CFD）的主要研究內(nèi)容是一致的，不少文獻把熱流問題的數(shù)值計算一概稱為CFD。因而計算傳熱的發(fā)展史在很大程度上也就是計算流體動力學的發(fā)展史。CFD與NHT之間也還有不少區(qū)別：計算傳熱學不討論無粘流動及跨、超音速流動數(shù)值計算中的一些特殊問題（如激波的捕獲等），而后者卻是CFD中的一個重要研究內(nèi)容。第17頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月CFD/NHT的發(fā)展過程分為三階段早在1933年，英國科學家Thom應用手搖計算機完成了對一個外掠圓柱流動的數(shù)值計算，但應用計算機和數(shù)值方法求解流動及傳熱問題在全世界范圍內(nèi)逐漸形成規(guī)模而且得出有益的結(jié)果，大致始于60年代。因而這里的討論從60年代開始。從60年代開始至今，我們可以把NHT的發(fā)展過程分為三階段，每一個階段中的主要發(fā)展事件如下。第18頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月一、萌芽初創(chuàng)時期（1965-1974）（1）交錯網(wǎng)格的提出。初期的NHT發(fā)展過程中所碰到的兩個主要困難之一是，網(wǎng)格設置不適當時會得出具有不合理的壓力場的解。1965年美國Harlow/Welch提出了交錯網(wǎng)格的思想，即把速度分量與壓力存放在相差半個步長的網(wǎng)格上，使每個速度分量的離散方程中同時出現(xiàn)相鄰兩點間的壓力差這樣有效地解決了速度與壓力存放在同一套網(wǎng)格上時會出現(xiàn)的棋盤式不合理壓力場的問題，促使了求解Navier-Stokes方程（不可壓縮粘性流體的運動微分方程）的原始變量法（即以速度、壓力為求解變量的方法）的發(fā)展。第19頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）對流項差分迎風格式的再次確認。初期的發(fā)展過程中所遇到的另一困難是，對流項采用中心差分時，對流速較高的情況的計算會得出振蕩的解。早在1952年，Courant,Issacson和Rees三人已經(jīng)在數(shù)值求解雙曲型微分方程中引入了迎風差分的思想，但迎風差分對克服振蕩的應用并未得到重視。1966年，Gentry,Martin及Daly三人，以及Barakat和Clark等，各自撰寫介紹了迎風格式在求解可壓縮流及非穩(wěn)態(tài)層流流動中的應用。交錯網(wǎng)絡的提出及對流項迎風差分的采用，使流動與對流換熱的求解建立在一個比較健壯的數(shù)值方法基礎上。

第20頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）世界上第一本介紹計算流體及計算傳熱學的雜志——“JournalofComputationalPhysics”于1966年創(chuàng)刊。Gentry等關于確認迎風差分的論文]就發(fā)表在該刊第1卷第1期。（4）Patankar與Spalding于1967年發(fā)表了求解拋物型流動的P－S方法。

在P－S方法中，把x-y平面上的計算區(qū)域（邊界層）轉(zhuǎn)換到x-w平面上（w為無量綱流函數(shù)），從而不論在邊界層的起始段還是在其后的發(fā)展段，所設置的計算節(jié)點均可落在邊界層范圍內(nèi)。（5）1969年Spalding在英國帝國理工學院（ImperialCollege）創(chuàng)建了CHAM（Concentration,HeatandMass,Limited），旨在把他們研究組的成果推廣應用到工業(yè)界。第21頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）1972年SIMPLE算法問世在求解不可壓縮流體的流動問題時，如果對所形成的包含速度分量及壓力的代數(shù)方程仍采用直接求解的方法，則就可以同時得出速度與壓力的解。但這樣的求解方法，即使在今天尚未得到廣泛采用。于是所謂分離式的求解方法應運而生，即先求解有關一個速度分量，而把其他作為常數(shù)，隨后再逐一求解其它變量。于是就產(chǎn)生了這樣的問題：就是所謂速度與壓力的耦合問題。SIMPLE算法成功地解決了這一問題。SIMPLE算法的一個基本思想是，在流場迭代求解的任何一個層次上，速度場都必須滿足質(zhì)量守恒方程，這是保證流場迭代計算收斂的一個十分重要的原則。第22頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（7）1974年美國學者Thompson,Thames及Mastin提出了采用微分方程來生成適體坐標的方法（TTM方法）。TTM方法的提出，為有限差分法與有限容積法處理不規(guī)則邊界問題提供了一條嶄新的道路——通過變換把物理平面上的不規(guī)則區(qū)域（二維問題）變換到計算平面上的規(guī)則區(qū)域，從而在計算平面上完成計算，再將結(jié)果傳遞到物理平面上。在TTM方法提出后，逐漸地在CFD/NHT領域中形成了“網(wǎng)格生成技術”這一分支，并成為目前世界上很活躍的研究方向。每隔2~3年，世界上要舉行一次專門會議（ConferenceonNumericalGridGenerationinCFDandRelatedFields）。

第23頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月二、走向工業(yè)應用階段（1975-1984）

1977年由Spalding及其學生開發(fā)的ENMIX程序公開發(fā)行。1979年在計算傳熱學的發(fā)展進程中有三件大事應載入史冊：（1）由美國Illinois大學的Minkowycz教授任主編的國際雜志“NumericalHeatTranster”創(chuàng)刊雜志分為兩種：A：Appications（應用篇）及B：Fundamentals（基礎篇）。

第24頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）由Spalding教授及其合作者開發(fā)的流動傳熱計算的大型通用軟件PHOENICS第一版問世。PHOENICS是英語Parabolic,HyperbolicorEllipticNumericalIntegrationCodeSeries的縮寫（意為對拋物型、雙曲型、橢圓型方程進行數(shù)值積分的系列程序）。（3）Leonard在1979年發(fā)表了著名的QUICK格式[56]。這是一個具有三階精度的（從界函面數(shù)插值而言）的對流項離散格式，其穩(wěn)定性優(yōu)于中心差分。目前QUICK已在CFD/NHT研究與應用中得到廣泛的應用。第25頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1980年Patankar教授的名著“NumericalHeatTransferandFluidFlow”出版。這本書內(nèi)容精煉，說理透徹，注重物理概念的闡述，深受全世界數(shù)值傳熱的研究者與使用者的歡迎。出版后不久，被相繼譯成俄文、日文、波蘭文及中文等，成為數(shù)值傳熱學領域中的一本經(jīng)典著作。1981年英國的CHAM公司把PHOENICS軟件正式投入市場，開創(chuàng)了CFD/NHT商用軟件市場的先河。第26頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月隨著計算機工業(yè)的進一步發(fā)展，CFD/NHT的計算逐步由二維向三維，由規(guī)則區(qū)域向不規(guī)則區(qū)域，由正交坐標系向非正交坐標系發(fā)展。于是，為克服棋盤形壓力場而引入的交錯網(wǎng)格的一些弱點，1982年Rhie與Chou提出了同位網(wǎng)格方法[50]。這種方法吸取了交錯網(wǎng)格成功的經(jīng)驗而又把所有的求解變量布置在同一套網(wǎng)格上，目前在非正交曲線坐標系的計算中得到廣泛的應用。關于處理不可壓縮流場計算中流速與壓力的耦合關系的算法，在這一段時期內(nèi)也有進一步的發(fā)展，先后提出了SIMPLER[1,57,60]，SIMPLEC[61]算法。

在這10年期間，我國的CFD/NHT研究工作也有顯著進步。

第27頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月三、興旺發(fā)達的近期（1985年至今）

（1）Singhal撰文指出了促使CFD/NHT應用于工程實際應解決的問題。

他認為當時工業(yè)界的應用之所以不夠踴躍，除了數(shù)值計算方法及模型有待完善外，軟件使用的方便及友好性不夠完善也是重要原因。（2）前后處理軟件的迅速發(fā)展。

所謂前處理，是指生成計算網(wǎng)格的技術；所謂后處理，主要是指流場溫度場等計算結(jié)果的繪圖或可視化的手段。

（3）巨型機的發(fā)展促使了并行算法及紊流直接數(shù)值模擬（DNS）與大渦模擬（LES）的發(fā)展。第28頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）PC機成為CFD/NHT研究領域中的一種重要工具是該時期的一個特色。

（5）多個計算傳熱與流動問題的大型商業(yè)通用軟件陸續(xù)投放市場。繼1981年PHOENICS上市以后，相繼有FLUENT（1983年），F(xiàn)IDAP（1983年），STAR-CD（1987），F(xiàn)LOW-3D（1991年，現(xiàn)改為CFX）等進入市場，其中除FIDAP為有限元法外，其余產(chǎn)品均采用有限容積法。FIDAP以后又與FLUENT合并，成為該軟件家族中的一個部分。1989年著名學者PatankarSV教授推出了計算流動傳熱-燃燒等過程的Compact系列軟件第29頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）一批CFD/NHT新的教材、參考書及期刊出版或創(chuàng)刊。

（7）歐共體解除對PHOENICS的禁運，商用軟件正式進入中國的市場。（1993年底）（8）數(shù)值計算方法向更高的計算精度、更好的區(qū)域適應性及更強的健壯性（魯棒性）的方向發(fā)展。

第30頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月E4465Computationalfluiddynamicswithheatandmasstransfer第31頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月ConservationofmassConservationofmomentumConservationofenergyConservationofchargep-v-trelationsturbulenceboundarylayerapproximationsFundamentalsoftransferprocesses第32頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月NumericaltechniquesfortransferprocessesDiscretizationmethodsfor:conductionconvectivediffusionBasicequationsGridNonlinearityBoundaryconditionsTransientsRelaxationCalculationofthe:flowfieldtemperaturedistributionconcentrationfield第33頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月Vehicle-CFDComputationalFluidDynamics(CFD)isadisciplinethatsolvesasetofequationsgoverningthefluidflowoveranygeometricalconfiguration.Theequationscanrepresentsteadyorunsteady,compressibleorincompressible,andinviscidorviscousflows,includingnonidealandreactingfluidbehavior.Theparticularformchosendependsontheintendedapplication.Thestateoftheartischaracterizedbythecomplexityofthegeometry,theflowphysics,andthecomputertimerequiredtoobtainasolution.第34頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月ApplicationsinPowerIndustryHeatfluxdistributioninaboilerHeattransferandpressurelossinaheatexchangerFlow,heattransferanderosioninacondenserPerformanceofagasturbinecombustionchamberandflowthroughagasturbinetestcellFlowthroughahighpressuresteamturbinevalveHazardanalysis第35頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月VariousapplicationsAnimationshowingtheeffectsofbicycledrafting.,datacourtesyFluentInc.Hypervelocityimpactstudyforthespaceshuttle.DatacourtesyNASAJohnson.Animationofamodelofsubmarine.CourtesyFLUENT/UNSfromFluent,Inc.Simulationofaracingyachtkeeldesign.CourtesySiliconGraphics.第36頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月CarsFourviewsofcylinderintakeflow.DatacourtesyFordMotorCo.Sideandtopviewsoffuelsprayinadieselengine.Sequencefromacarinawindtunnelanimation.DatacourtesyFluent,Inc.Animationofflowoveracarinawindtunnel.DatacourtesyFordMotorCo.Twoviewsofacarcrash.第37頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月CivilandEnvironmentalEnvironmentalImpactAssessment

FloodAnalysisandDamBreachSimulationHydro-PowerSystemsWind

Interaction

with

Structures

PollutantDispersalandAirQuality

FireandSmokeSpread

HeatingandAirConditioning

WasteWaterTreatmentandWaterQuality

第38頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月OilandGasFluidsloshingintankers

DrillingoperationsandequipmentsimulationFluidflowaroundplatforms

WindandwaveloadingonstructuresFireriskandhazardanalysis

Industrialseparationprocesses

第39頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月TransportationAerodynamicsofAirplanesandtrainsCarsandtrucksMotorcyclesHydrodynamicsofshipsandsubmarinesDesignofcarcomponentsexhaustvalveModelingofsupersonic/hypersonicflowPassengersafetyanalysis

Fuelsloshinganalysis第40頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月OtherapplicationsFlowthroughporousmediaMixingvesseldesignCyclonedesignMetalcastingTurbinebladedesignPolymerizationreactorvesseldesignCoatingprocessesInkjetdesignCoolingofelectroniccomponents第41頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月什么是計算傳熱學借助計算機用數(shù)值方法求解傳熱問題傳熱學的基本任務：給出數(shù)學模型數(shù)學模型的求解：數(shù)學家問題：實際問題及其復雜性特殊問題：數(shù)學家也無能為力出路：借助實驗或近似方法求解數(shù)值方法是一種典型的近似方法數(shù)學家發(fā)展起來的數(shù)值方法：不能奏效計算傳熱學：獨具特色的數(shù)值方法推動了計算方法的發(fā)展第42頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月計算傳熱學：內(nèi)涵計算傳熱學是一種近似方法其基礎是數(shù)值方法離散化的近似算法解：非連續(xù)的（分析解是連續(xù)的）求解區(qū)域代表點上待求變量的近似值數(shù)值方法的核心：一系列的點代表連續(xù)的求解區(qū)域離散的待求變量的數(shù)值逼近或近似待求變量（連續(xù)函數(shù)）計算傳熱學的內(nèi)涵：離散連續(xù)第43頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月計算傳熱學：總體步驟給出物理模型（Physicalmodel/description)借助基本原理/定律給出數(shù)學模型（Mathematicalmodel)質(zhì)量守恒（MassConservation）能量守恒（EnergyConservation）動量守恒（MomentumConservation）傅立葉定律（Fourier’sheatconductionlaw)菲克定律（Fick’smassdiffusionlaw）牛頓內(nèi)摩擦定律（Newton’sfrictionlaw）。。。。。。。出發(fā)點和基礎！第44頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月求解區(qū)域的離散化(discretization)數(shù)學模型的離散化恰當?shù)姆椒ń⒔Y(jié)點（代表點）處待求變量近似值（未知?。。┲g的代數(shù)關系：離散化方程計算傳熱學：總體步驟對數(shù)學模型進行簡化和化簡簡化：物理上的化簡：數(shù)學上的VeryImportant！核心內(nèi)容，成敗關鍵第45頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月計算傳熱學：總體步驟求解離散化方程制約因素可靠性檢驗與分析解對比（簡單問題）實驗結(jié)果前人結(jié)果（Benchmarkproblems）結(jié)果表達與分析成品階段圖線擬合分析討論第46頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月歷史與現(xiàn)狀基本思想源遠流長Newton&Leibniz20世紀30年代出現(xiàn)了有限差分法；圖解法影響計算傳熱學發(fā)展的主要因素實際需求，計算機的發(fā)展20世紀30年代的有限差分法30～60年代的大空白物理現(xiàn)象深入透徹的理解70年代對流換熱計算技術的快速發(fā)展物理機理（physicalmechanism）明確數(shù)學上確定數(shù)值方法的發(fā)展：相輔相成，互為促進第47頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)狀與分類現(xiàn)狀成熟的藝術，滿足工程與科學研究的需要向系統(tǒng)化、通用化和商業(yè)化發(fā)展多種商業(yè)軟件網(wǎng)上資源Blackboxprogramskilleasyreading第48頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月分類有限差分法（Finitedifferencemethod）用差商與代替導數(shù)經(jīng)典、成熟數(shù)學理論基礎明確主導方法有限容積法(Finitevolumemethod)控制容積法（Controlvolumemethod）基本上屬于有限差分法的范疇第49頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月分類有限單元法（Finiteelementmethod)將求解區(qū)域分成若干個小的單元（element）設定待求變量在單元上的分布函數(shù)適應性強，適用于復雜的求解區(qū)域一度有取代有限差分法的趨勢程序技巧要求告數(shù)學基礎不如有限差分法明確第50頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月分類邊界單元法（Boundaryelementmethod)對數(shù)學模型在邊界上離散化基于數(shù)學模型的基礎解不需要全區(qū)域求解數(shù)學技巧要求高通用性差數(shù)學基礎不是非常明確第51頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月分類樣條邊界單元法（Samplespectrum~)改進的邊界單元法用樣條插值解決邊界元的基礎解問題應用范圍大大拓寬靈活性更強缺點：同邊界單元法第52頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月分類有限分析法（Finiteanalyticalmethod)將求解區(qū)域分成若干個子區(qū)域給出在各個子區(qū)域上的分析解利用邊界條件耦合各個子區(qū)域上的分析解從而得到離散化方程最大限度地引入了分析解的成分一般可以提高求解效率和精度數(shù)學技巧非常高與問題的性質(zhì)有關很難形成通用程序第53頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月分類數(shù)值積分變換法（Numericalintegrationtransformmethod)將積分變換法引入各類問題的求解將問題進行分解：可以得到分析解的輔助問題多個（無限多個）常微分方程無需整體求解數(shù)學要求高前期準備工作量非常大很難形成通用的求解程序第54頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)值方法

分析解法與實驗研究分析解法成本最低結(jié)果最理想影響因素表達清楚缺點：局限與非常簡單的問題數(shù)值方法成本較低：數(shù)值實驗適用范圍寬缺點：可靠性差，表達困難實驗研究可靠成本高將三種方法有機結(jié)合，互為補充，必然會取得相得益彰的效果第55頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月CFD與FLUENT第56頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1、CFD是什么計算流體動力學（CFD）通過求解流場控制方程組，以及計算機數(shù)值計算和圖像顯示的方法，在時間和空間上定量描述流場的數(shù)值解，從而達到對物理問題研究的目的。應用CFD可以預測流體的行為，同時還可以得到傳質(zhì)（如分離和溶解），傳熱，相變（如凝固和沸騰），化學反映（如燃燒），機械運動（渦輪機），以及相關結(jié)構(gòu)的壓力和變形（如風中桅桿的彎曲）等等的性質(zhì)。第57頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月CFD的基本思想CFD的基本思想可以歸結(jié)為：把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。最理想的數(shù)值模擬結(jié)果應可以形象地再現(xiàn)流動情景，與做實驗沒有什么差別。第58頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)值模擬、實驗、理論分析的關系做理論的目的是為了盡可能了解事物本質(zhì)；做數(shù)值模擬則是在盡可能了解的基礎上近似，用求解的方法來反演事實，這肯定是不準確的，但如果方法正確，應該是近似準確的；數(shù)值模擬的結(jié)果應該采用實驗來進行驗證。單純實驗測試單純理論分析計算流體動力學第59頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月CFD的局限性數(shù)值解法是一種離散近似的計算方法，依賴于物理上合理、數(shù)學上適用、適合于在計算機上進行計算的離散的有限數(shù)學模型，且最終結(jié)果不能提供任何形式的解析表達式，只能是有限個離散點上的數(shù)值解，并有一定的誤差；它不像物理模型實驗一開始就能給出流動現(xiàn)象并定性地描述，往往需要由原體觀測或物理模型試驗提供某些流動參數(shù)，并需要對建立的數(shù)學模型進行驗證；程序的編制及資料的收集、整理和正確利用，在很大程度上依賴于經(jīng)驗和技巧。第60頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月CFD工作過程輸運方程質(zhì)量動量能量封閉方程底層物理模型求解器物理模型湍流燃燒輻射多相流相變動網(wǎng)格技術劃分網(wǎng)格材料特性邊界條件初始條件求解設置前處理物理模型后處理在網(wǎng)格的基礎上求解方程第61頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月CFD的基本步驟分析問題及前處理

1.確定數(shù)值模擬的目標

2.確定計算區(qū)域

3.建立數(shù)值模擬物理模型和網(wǎng)格求解執(zhí)行過程

4.建立數(shù)學模型

5.計算并監(jiān)控結(jié)果后處理

6.檢查結(jié)果

7.修正模型第62頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月確定數(shù)值模擬的目標需要得到的結(jié)果以及結(jié)果的用途建立物理模型時需要考慮的問題：在分析中需要建立什么形式的物理模型?采取什么樣的簡化措施？是否需要采用新的修正模型?FLUENT6

中用User-definedfunctions(C語言編寫)實現(xiàn)需要什么樣的計算精度？對計算時間有無要求?第63頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月確定計算區(qū)域GasRiserCycloneL-valveGas怎么樣將研究對象進行孤立化處理?計算區(qū)域的初始和結(jié)束位置?在計算區(qū)域的邊界上是否有存在的邊界信息?邊界的形式能否容納這些信息?是否可以根據(jù)實驗測量得到邊界的信息?計算區(qū)域可否簡化成二維或者軸對稱形式?第64頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月建立數(shù)值模擬物理模型和網(wǎng)格能否采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格？幾何形狀以及流動的復雜程度?在各個控制區(qū)域內(nèi)需要什么樣的網(wǎng)格精度對于這個幾何形體需要什么樣的網(wǎng)格精度?大的網(wǎng)格梯度是否能預測流場?是否需要采用網(wǎng)格自適應技術?計算機的內(nèi)存容量是否滿足要求?需要多少的計算網(wǎng)格?計算模型的數(shù)量?第65頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月HybridmeshforanICenginevalveporttetmeshhexmeshwedgemesh模型和網(wǎng)格欣賞第66頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月建立數(shù)學模型對于一個給定的問題，需要解決的問題有：選擇合適的物理模型湍流，燃燒，多相流等確定材料的特性流體固體混合物給定操作工況給定所有邊界條件給定初始條件給定數(shù)值計算的控制參數(shù)設置監(jiān)視點第67頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月計算并監(jiān)控結(jié)果迭代求解離散方程組.通過迭代計算使結(jié)果收斂什么情況達到收斂：求解變量在連續(xù)幾個迭代次數(shù)中不發(fā)生改變：從殘差方面可以大體監(jiān)視這一過程滿足守恒定律收斂解的精度取決于：物理模型的簡化程度和精度網(wǎng)格的精度第68頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月檢查結(jié)果檢查結(jié)果并提取出有效數(shù)據(jù).可視化工具能得到：整個流場的特性發(fā)生流場突變的位置流場的關鍵特征數(shù)學報告工具能夠得到：力和動量界面交換系數(shù)表面和體上變量的積分值流量平衡關系第69頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月修正模型物理模型是否合適流動的湍流程度流動是否為非穩(wěn)定流動是否需要考慮壓縮性是否需要考慮流體的渦結(jié)構(gòu)（3D）邊界條件是否合適所選取的計算區(qū)域是否能滿足問題要求邊界條件是否合適邊界上變量值是否合理網(wǎng)格的精度是否滿足要求能否通過網(wǎng)格的自適應技術提高計算精度網(wǎng)格是否是獨立于計算之外對近壁處的處理是否需要修正第70頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月FLUENT中CFD過程的實現(xiàn)創(chuàng)建幾何模型和網(wǎng)格模型（在GAMBIT或其它前處理軟件中完成）；啟動FLUENT求解器。導入網(wǎng)格模型；檢查網(wǎng)格模型是否存在問題；選擇求解器及運行環(huán)境；決定計算模型，即是否考慮熱交換，是否考慮粘性等；設置材料特性；設置邊界條件；調(diào)整用于控制求解的有關參數(shù)；初始化流場；開始求解；顯示求解結(jié)果；保存求解結(jié)果；如有必要，修改網(wǎng)格或計算模型，重復上述過程重新進行計算。第71頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月FLUENT程序簡介第72頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月FLUENT所能求解的問題采用三角形、四邊形、四面體、六面體及其混合網(wǎng)格計算二維和三位流動問題；計算過程中，網(wǎng)格可以自適應可壓縮與不可壓縮流動問題穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動問題無粘流，層流及湍流問題牛頓流體及非牛頓流體對流換熱問題（包括自然對流和混合對流）導熱與對流換熱耦合問題輻射換熱化學組分混合與反應用Lagrangian軌道模型模擬稀疏相（顆粒，水滴，氣泡等）兩相流問題復雜表面形狀下的自由面流動第73頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月FLUENT的本質(zhì)Fluent本質(zhì)是做CFD計算fluent上所有的面板，最基本的功能就是實現(xiàn)兩個目的：1).選擇問題的物理和數(shù)值方法（數(shù)值算法、粘性模型、輻射、多相等）；2).邊界的處理（fluent給定的各種邊界，UDF）第74頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月FLUENT基本程序結(jié)構(gòu)GAMBIT，網(wǎng)格生成TGrid，額外的處理器，用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格Gridgen前處理器FLUENT解法器prePDF，用于模擬PDF燃燒過程FLUENTGAMBITTGridFLUENT解法器FLUENT程序軟件包應該包括以下幾個部分：第75頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月GAMBIT設置幾何形狀生成2D或3D網(wǎng)格

其它軟件包如CAD等FLUENT網(wǎng)格輸入及調(diào)整物理模型邊界條件