CFD基礎(chǔ)講座課件

CFD基礎(chǔ)概要CFD基礎(chǔ)概要一、傳統(tǒng)的CFD方法二、CFD問題分類。汽車工業(yè)中的CFD問題三、N-S方程處理方式四、CFD解題的一般步驟五、與FEA的對比六、常見CFD軟件及其結(jié)構(gòu)七、常用前處理工具介紹與演示與CFD軟件的接口八、網(wǎng)格類型介紹九、LBM方法簡介十、部分應(yīng)用算例目錄一、傳統(tǒng)的CFD方法目錄一、傳統(tǒng)的CFD方法

基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理

認(rèn)為在所考慮的空間，流體是連續(xù)分布的流體的運動規(guī)律服從N-S方程組（連續(xù)）傳統(tǒng)CFD方法的特點：

主要用有限體積法（FVM）離散、求解RANS方程組連續(xù)問題→離散化→求解→近似的連續(xù)結(jié)果（少數(shù)軟件采用有限元方法）

對于特定的問題添加相應(yīng)的方程（連續(xù)）能量、組分、聲學(xué)、燃燒、輻射等

體網(wǎng)格與面網(wǎng)格相關(guān)共用壁面節(jié)點（依賴關(guān)系）一、傳統(tǒng)的CFD方法基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理傳統(tǒng)CFD方法的HistoryofCAE/CAD商品化CFD軟件出現(xiàn)于80年代，90年代后期進入中國汽車行業(yè)。一、傳統(tǒng)的CFD方法HistoryofCAE/CAD商品化CFD軟件出現(xiàn)于8二、問題分類從CFD角度：時間相關(guān)：定常，非定常（穩(wěn)態(tài)，瞬態(tài)）熱能相關(guān)：流場分析，流場+溫度場分析壓縮性：低速流動（如汽車），高速流動物相：連續(xù)相，離散相

單相流，多相流組分：單組分，多組分網(wǎng)格狀態(tài)：固定網(wǎng)格，動網(wǎng)格專門問題：噪聲、燃燒、除霜、制動…………二、問題分類從CFD角度：二、問題分類：汽車工業(yè)中的CFD問題從汽車工業(yè)應(yīng)用角度：外流場分析：給出氣動力與流場（速度/壓力場）結(jié)果。含附加裝置汽車外形優(yōu)化。減阻降耗。提高車輛穩(wěn)定性。減小風(fēng)噪。給出部件風(fēng)載荷內(nèi)流分析：給出流量分配/速度場/壓力場/溫度場。

空調(diào)風(fēng)路優(yōu)化，提高乘員舒適性，除霜，通風(fēng)口設(shè)計機艙分析：內(nèi)外流結(jié)合，系統(tǒng)級熱流分析結(jié)合。主要解決發(fā)動機冷卻問題部件散熱：給出部件/周圍的速度場/壓力場/溫度場。提高散熱效率（制動器、大燈等）氣動噪聲：給出整車或部件的氣動噪聲。提高舒適性發(fā)動機相關(guān)：缸內(nèi)燃燒、進排氣道、冷卻系統(tǒng)、旋風(fēng)除塵、污染……

專門問題：泵、氣/油路、輪胎、……二、問題分類：汽車工業(yè)中的CFD問題從汽車工業(yè)應(yīng)用角度：三、N-S方程處理方式LES大渦模擬（氣動噪聲）RANS雷諾平均RSM雷諾應(yīng)力模型渦粘模型雙方程單方程零方程標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型RNG

k-ε模型realizable

k-ε模型k-ω模型主要模擬方式三、N-S方程處理方式LES大渦模擬（氣動噪聲）RA四、CFD解題的一般步驟1.確定問題的性質(zhì)與分析目標(biāo)，制定分析方案

方案比較or絕對值？簡化方式？

（散熱中的輻射，除霜中的相變）……2.建模幾何模型（Catia.Pro/E…）→CFD模型（面網(wǎng)格）。根據(jù)問題性質(zhì)。常用工具：HyperMesh,ANSA,IcemCFD,CFD前處理模塊……

汽車行業(yè)的復(fù)雜幾何需要強大的建模工具

3.生成體網(wǎng)格含邊界層網(wǎng)格。通常在CFD軟件中生成。4.設(shè)定各種求解條件與模型邊界條件，材料屬性，計算模型，求解方式，監(jiān)視變量等5.求解監(jiān)視收斂情況，進行必要的調(diào)整6.提取結(jié)果，后處理生成需要的數(shù)表與圖形7.撰寫報告四、CFD解題的一般步驟1.確定問題的性質(zhì)與分析目標(biāo)，CFD≠FEA（有限元分析）五、與FEA的對比結(jié)構(gòu)分析流動分析處理對象固體結(jié)構(gòu)本身流體（氣體，液體，…），無固定形狀，沒有“大變形”概念

固體（如車）只是邊界，通常不須考慮其屬性力學(xué)模型與數(shù)學(xué)模型彈、塑性體固體力學(xué)方程組

(平衡/動力學(xué)方程)

（位移、應(yīng)力）粘性流體（牛頓流體與非牛頓流體）三維N-S方程組（二階非線性方程組）動量方程

能量方程

連續(xù)性方程

湍流方程

……（速度、壓強）求解方法有限單元法(FEM)多采用

有限體積法(FVM)網(wǎng)格性質(zhì)固定于介質(zhì)－拉格朗日方法不固定于介質(zhì)（固定于計算域）－歐拉方法

方程屬性線性/非線性非線性網(wǎng)格數(shù)量幾萬－幾十萬百萬－千萬CFD的難點：非線性計算量大（網(wǎng)格百萬－千萬）

物理機制（湍流，分離，多相，燃燒等）數(shù)值算法問題（有時不易收斂）CFD≠FEA（有限元分析）五、與FEA的對比結(jié)構(gòu)分析五、與FEA的對比五、與FEA的對比

常見商品化CFD軟件軟件公司方法FluentCFXStarCCM+/StarCDAVLFIRE……

美國ANSYS

英國CD-adapco

奧地利AVL

有限體積法FVM

CFDesign……

美國BlueRidgeNumerics

有限單元法FEMPowerFLOW美國EXALBM六、常見CFD軟件及其結(jié)構(gòu)常見商品化CFD軟件軟件公司方法Fluent美國六、常見CFD軟件及其結(jié)構(gòu)Fluent軟件結(jié)構(gòu)：Gambit

建模生成2D/3D網(wǎng)格Tgrid3D網(wǎng)格生成器Fluent

網(wǎng)格調(diào)整物理模型邊界條件求解后處理3D網(wǎng)格2D網(wǎng)格3D網(wǎng)格StarCCM+軟件結(jié)構(gòu)：一體化環(huán)境，含2D/3D網(wǎng)格生成、設(shè)置、求解、后處理2D網(wǎng)格幾何六、常見CFD軟件及其結(jié)構(gòu)Fluent軟件結(jié)構(gòu)：Gamb七、常用前處理工具介紹與演示與CFD軟件的接口常用前處理工具介紹

CAD幾何數(shù)據(jù)

Catia、Pro/E等

HyperMesh建模生成2D網(wǎng)格Fluent

網(wǎng)格調(diào)整物理模型邊界條件求解后處理*.hmascii*.nastran*.igs/stp/stlHyperMesh、ANSA、IemCFD、AVLFame…，配合CFD軟件的前處理模塊以HyperMesh+Fluent為例的流程：

Tgrid

生成3D網(wǎng)格（含邊界層）設(shè)置邊界質(zhì)量檢查3D網(wǎng)格2D網(wǎng)格*.mshCAS文件

其它FEA2D網(wǎng)格2D網(wǎng)格

七、常用前處理工具介紹與演示與CFD軟件的接口常用前處理七、常用前處理工具介紹與演示與CFD軟件的接口用FEA模型作為輸入的前處理示例有限元模型CFD面網(wǎng)格Tgrid

生成

CFD體網(wǎng)格HyperMeshANSA…*.hmascii*.nastran做出計算域邊界網(wǎng)格*.igs/stp/stl2D網(wǎng)格七、常用前處理工具介紹與演示與CFD軟件的接口用FEA模七、常用前處理工具介紹與演示與CFD軟件的接口用HyperMesh建模示例

1.車身建模

2.內(nèi)流建模七、常用前處理工具介紹與演示與CFD軟件的接口用Hyp

面網(wǎng)格：三角形。盡量接近正三角形

八、網(wǎng)格類型介紹體網(wǎng)格：

四面體六面體六面體核心多面體Trimmed網(wǎng)格邊界層網(wǎng)格面網(wǎng)格：三角形。盡量接近正三角形

八、網(wǎng)格類八、網(wǎng)格類型介紹多面體網(wǎng)格：由四面體聚合而成改善網(wǎng)格質(zhì)量，減少網(wǎng)格數(shù)量生成時占用內(nèi)存很大八、網(wǎng)格類型介紹多面體網(wǎng)格：由四面體聚合而成Trim網(wǎng)格八、網(wǎng)格類型介紹Trim網(wǎng)格八、網(wǎng)格類型介紹八、網(wǎng)格類型介紹邊界層網(wǎng)格由物體表面沿法向拉伸而成（三棱柱）捕捉物理量在壁面附近的急劇變化混合網(wǎng)格八、網(wǎng)格類型介紹邊界層網(wǎng)格混合網(wǎng)格

LBM方法：大量位于網(wǎng)格節(jié)點上的離散流體質(zhì)點粒子，按碰撞和遷移規(guī)則在網(wǎng)格上運動，通過對各網(wǎng)格流體質(zhì)點及運動特征的統(tǒng)計，獲得流體宏觀運動規(guī)律（速度、壓力溫度場……）。粒子分布函數(shù)（粒子數(shù)密度）粒子分布函數(shù)滿足LatticeBoltzmann方程：九、LBM方法簡介

LBM

－格子Boltzmann方法（LatticeBoltzmannMethod）

LBM從微觀動力學(xué)角度出發(fā)，將流體的宏觀運動看作是大量微觀粒子運動的統(tǒng)計平均結(jié)果。宏觀的物理量可由微觀粒子的統(tǒng)計平均得到。

軟件：PowerFlow…LBM方法：大量位于網(wǎng)格節(jié)點上的離散流體質(zhì)點粒子，按格子結(jié)構(gòu)九、LBM方法簡介格子結(jié)構(gòu)九、LBM方法簡介LBM的計算過程是一個循環(huán)演化的過程，每個演化過程包括碰撞和流動（遷移）兩個分步。九、LBM方法簡介LBM的計算過程LBM的計算過程是一個循環(huán)演化的過程，每個演LBM（格子-波爾茲曼方法）開發(fā)的CFD求解器的特點：可適應(yīng)復(fù)雜的CAD模型非定常模擬可模擬大渦幾乎線性的并行效率精確度極高另外還具有在初始結(jié)構(gòu)上增加并減少部件方便地進行參數(shù)化研究、利用同一個模型可以進行空氣動力學(xué)、氣動聲學(xué)和熱管理等多學(xué)科模擬等獨特優(yōu)勢。*體網(wǎng)格不依賴于面網(wǎng)格節(jié)點九、LBM方法簡介LBM（格子-波爾茲曼方法）開發(fā)的CFD求解器的特點：九、L十、部分應(yīng)用算例部分CFD算例（來自一汽）外流：風(fēng)阻計算準(zhǔn)確度可達(dá)2－5％底部精確模擬十、部分應(yīng)用算例部分CFD算例（來自一汽）底部精確模擬十、部分應(yīng)用算例內(nèi)流：十、部分應(yīng)用算例內(nèi)流：十、部分