《研究生CFD課程講》課件

研究生CFD課程講本課程將深入探討計算流體力學(xué)（CFD）的基本原理和應(yīng)用。您將學(xué)習(xí)使用CFD軟件模擬和分析各種流體流動問題，并掌握CFD在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。CFD簡介流體力學(xué)仿真CFD是一種利用計算機模擬流體流動的方法，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、能源等領(lǐng)域。數(shù)值分析CFD基于數(shù)值分析方法，將流體力學(xué)方程離散成代數(shù)方程，并利用計算機求解。復(fù)雜問題CFD可以解決許多難以用實驗方法解決的流體力學(xué)問題，例如湍流、多相流等。CFD的應(yīng)用領(lǐng)域CFD在各個領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，尤其是在航空航天、汽車、能源、機械和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。例如，CFD用于設(shè)計飛機機翼、汽車外形，優(yōu)化風(fēng)力渦輪機葉片，模擬血流動力學(xué)等。基本控制方程質(zhì)量守恒方程描述了流體中質(zhì)量的變化，保證流體質(zhì)量守恒。動量守恒方程描述了流體中動量的變化，反映流體的運動規(guī)律。能量守恒方程描述了流體中能量的變化，反映流體的熱量變化。離散化方法有限差分法將連續(xù)的微分方程轉(zhuǎn)換為離散的差分方程，利用差分近似微分，在網(wǎng)格節(jié)點上進行計算。有限體積法將計算域劃分為有限個控制體積，對每個控制體積進行積分，并利用離散化方法求解。有限元法將計算域劃分為有限個單元，并利用插值函數(shù)將控制方程轉(zhuǎn)化為矩陣方程，再進行求解。網(wǎng)格生成與優(yōu)化網(wǎng)格生成是CFD中重要的步驟，它將連續(xù)的物理空間離散化為有限個單元，為后續(xù)的數(shù)值求解提供基礎(chǔ)。網(wǎng)格質(zhì)量對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和效率有重要影響。1網(wǎng)格生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格2網(wǎng)格質(zhì)量正交性、光滑性、均勻性3網(wǎng)格優(yōu)化網(wǎng)格自適應(yīng)、網(wǎng)格重構(gòu)4網(wǎng)格無關(guān)性驗證網(wǎng)格精度網(wǎng)格優(yōu)化可以提高計算精度，縮短計算時間。常見的網(wǎng)格優(yōu)化方法包括網(wǎng)格自適應(yīng)和網(wǎng)格重構(gòu)。邊界條件設(shè)置速度邊界條件指定流體進入或離開計算域的速度值。常見類型包括速度入口、壓力出口和滑移邊界。壓力邊界條件用于指定流體在計算域邊界上的壓力值。通常用于出口邊界，設(shè)置一個壓力值或壓力梯度。溫度邊界條件指定流體在邊界上的溫度值或熱通量。用于模擬熱傳導(dǎo)或?qū)α鳎缭O(shè)定恒溫或熱通量邊界。其他邊界條件包括壁面邊界條件、對稱邊界條件等。根據(jù)具體問題需要設(shè)定不同的邊界條件，以準(zhǔn)確模擬流體流動。湍流模型湍流模型湍流是一種非常復(fù)雜的流動現(xiàn)象，很難直接用數(shù)學(xué)方法求解。為了簡化計算，人們發(fā)展了一系列湍流模型。雷諾應(yīng)力模型雷諾應(yīng)力模型是最精確的湍流模型，但計算成本高。它能捕捉到湍流的復(fù)雜特征，如各向異性。k-ε模型k-ε模型是一種常用的湍流模型，計算成本相對較低。它假設(shè)湍流各向同性，適用于大多數(shù)工程應(yīng)用。常見求解算法11.迭代法求解線性方程組或非線性方程組，通過反復(fù)迭代得到近似解，例如：雅可比迭代法，高斯-賽德爾迭代法等。22.直接法求解線性方程組，直接得到精確解，例如：高斯消元法，LU分解法等。33.時間推進法用于求解瞬態(tài)問題，通過時間步長推進的方式，逐步計算得到每個時間步的解，例如：歐拉方法，龍格-庫塔方法等。44.混合方法將不同的求解方法結(jié)合起來，例如：采用迭代法求解穩(wěn)態(tài)問題，采用時間推進法求解瞬態(tài)問題。穩(wěn)態(tài)問題求解1迭代求解穩(wěn)態(tài)問題通常通過迭代方法求解，直到解收斂到一個穩(wěn)定狀態(tài)。2殘差值迭代過程中的殘差值用于衡量解的收斂程度，當(dāng)殘差值低于設(shè)定閾值時，迭代停止。3收斂加速為了提高收斂速度，可以采用各種加速技術(shù)，例如多重網(wǎng)格方法和預(yù)條件。4穩(wěn)定性分析在求解過程中需要進行穩(wěn)定性分析，以確保數(shù)值解的穩(wěn)定性。瞬態(tài)問題求解1時間步長時間步長的大小會影響求解的精度和穩(wěn)定性。2時間積分常用的時間積分方法包括顯式方法和隱式方法。3時間推進時間推進方法包括歐拉方法和龍格-庫塔方法。瞬態(tài)問題是指隨時間變化的流動問題。例如，飛機起飛或降落過程中的氣流、發(fā)動機運行過程中的燃燒室氣流等。瞬態(tài)問題的求解需要考慮時間因素，并進行時間積分和時間推進。數(shù)值誤差分析數(shù)值誤差分析是CFD計算中不可缺少的一部分。計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性依賴于對數(shù)值誤差的理解和控制。數(shù)值誤差主要包括截斷誤差和舍入誤差。截斷誤差源于方程的近似求解，而舍入誤差源于計算機有限精度計算。誤差分析的目的是評估計算結(jié)果的不確定性，并采取措施來減小誤差的影響。常見的誤差分析方法包括網(wǎng)格細化分析、時間步長分析和收斂性分析。網(wǎng)格依賴性分析網(wǎng)格尺寸計算結(jié)果誤差粗網(wǎng)格不準(zhǔn)確高細網(wǎng)格更準(zhǔn)確低極細網(wǎng)格收斂最小網(wǎng)格尺寸影響計算結(jié)果精度，選擇合適網(wǎng)格至關(guān)重要。網(wǎng)格依賴性分析用于確定網(wǎng)格對結(jié)果的影響。結(jié)果可視化CFD模擬結(jié)果可視化是分析理解計算結(jié)果的關(guān)鍵步驟。可視化技術(shù)可以幫助研究人員直觀地展示流場結(jié)構(gòu)、壓力分布、速度分布等信息，便于深入理解計算結(jié)果。等值線圖矢量圖動畫案例分析-流動繞過圓柱本案例模擬流體繞過圓柱的流動，展示了CFD方法的應(yīng)用。分析圓柱后的流場變化，并觀察繞流產(chǎn)生的升力與阻力。通過參數(shù)分析，例如雷諾數(shù)和圓柱直徑，可以探索流體流動規(guī)律。該案例有助于理解流體動力學(xué)理論，并驗證CFD模型的準(zhǔn)確性。案例分析-氣動力計算氣動力計算是CFD應(yīng)用的關(guān)鍵領(lǐng)域之一，涉及到計算流體對物體產(chǎn)生的力，例如升力、阻力和側(cè)向力。例如，可以模擬飛機機翼在不同速度和迎角下的氣動力，優(yōu)化機翼形狀，降低阻力，提高升力，從而提升飛機性能。案例分析-流動分離問題流動分離是指流體在物體表面流經(jīng)時，由于壓力梯度或其他因素導(dǎo)致流體不再緊貼物體表面，而是從表面分離的現(xiàn)象。分離流會導(dǎo)致流體阻力增大，以及其他性能降低。本案例分析將探討幾種常見的流動分離問題，包括翼型失速、圓柱繞流，以及湍流邊界層分離。自主CFD軟件開發(fā)11.核心算法開發(fā)自主CFD軟件，需要實現(xiàn)核心算法，包括求解偏微分方程、網(wǎng)格生成、邊界條件設(shè)置等。22.用戶界面提供友好的用戶界面，方便用戶設(shè)置計算參數(shù)、查看結(jié)果、進行后處理。33.代碼優(yōu)化優(yōu)化代碼，提高計算效率，減少內(nèi)存占用，并考慮并行計算技術(shù)，提升軟件性能。44.功能擴展根據(jù)實際應(yīng)用需求，不斷擴展軟件功能，例如添加新的湍流模型、多相流模型等。全不可壓縮流體CFD不可壓縮流體密度變化可以忽略，體積基本恒定。適用場景空氣動力學(xué)、水動力學(xué)、氣象學(xué)、海洋學(xué)等。應(yīng)用領(lǐng)域飛機、汽車、船舶、風(fēng)力機、管道等。研究方向流動特性、壓力分布、阻力計算、熱量傳遞等?？蓧嚎s流體CFD密度變化可壓縮流體CFD模擬考慮流體密度的變化，適用于高速流動問題，例如航空航天和火箭推進。高馬赫數(shù)流動可壓縮流體CFD廣泛應(yīng)用于超音速和高超音速飛行器設(shè)計，例如戰(zhàn)斗機和航天器。湍流模擬可壓縮流體CFD能夠模擬高雷諾數(shù)下的湍流流動，例如燃氣輪機和噴氣發(fā)動機。多相流CFD混合物模型混合物模型將多相流視為單一連續(xù)相，其特性是各相的平均值。例如，氣液兩相流中，將混合物的密度和粘度作為氣相和液相的加權(quán)平均值計算。歐拉-歐拉模型歐拉-歐拉模型將每相視為連續(xù)相，使用各自的控制方程進行模擬。該模型適用于各相相互穿插，并存在顯著相互作用的流動。歐拉-拉格朗日模型歐拉-拉格朗日模型將分散相視為離散粒子，使用拉格朗日方法進行模擬。該模型適用于分散相的體積分?jǐn)?shù)較小，且粒子之間相互作用較弱的流動。化學(xué)反應(yīng)CFD燃燒模擬例如，模擬燃燒過程中的火焰?zhèn)鞑ァ崃酷尫藕臀廴疚锷??；瘜W(xué)反應(yīng)動力學(xué)模擬化學(xué)反應(yīng)速率、平衡常數(shù)和反應(yīng)產(chǎn)物的生成。催化反應(yīng)模擬催化劑表面上的化學(xué)反應(yīng)，如汽車尾氣凈化和石油化工生產(chǎn)。多相反應(yīng)模擬氣相、液相和固相之間的化學(xué)反應(yīng)，如生物反應(yīng)器和電池。熱傳導(dǎo)與傳熱CFD傳熱機制熱傳導(dǎo)、對流和輻射是三種主要的傳熱方式。CFD可以模擬這三種方式，分析其相互作用。應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)動機冷卻系統(tǒng)電子設(shè)備散熱建筑物熱量分析溫度場分析CFD可以模擬溫度場的變化，并預(yù)測熱量的傳遞路徑和效率。結(jié)構(gòu)力學(xué)CFD耦合流固耦合流體動力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)相互作用。結(jié)構(gòu)變形流體壓力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，改變流場。應(yīng)用領(lǐng)域橋梁、建筑、航空航天設(shè)計。湍流模型選擇與評估11.湍流特性首先，要分析模擬的湍流特性，例如雷諾數(shù)、湍流強度和湍流尺度。22.計算成本不同的湍流模型計算成本差異很大，需要根據(jù)實際情況選擇合適的模型。33.模型精度模型精度對模擬結(jié)果有直接影響，需要根據(jù)具體應(yīng)用場景選擇合適的模型。44.模型適用性不同的模型適用于不同的湍流類型和流體性質(zhì)，需要根據(jù)實際情況進行選擇。邊界條件設(shè)置技巧入口條件設(shè)置準(zhǔn)確設(shè)置速度、溫度等參數(shù)，確保物理模型的真實性。出口條件設(shè)置考慮流體壓力、溫度等參數(shù)，避免反射波的干擾。壁面邊界條件設(shè)置考慮壁面摩擦、熱量傳遞等因素，影響流體流動狀態(tài)。并行計算加速1劃分任務(wù)將計算任務(wù)分解成多個子任務(wù)。2分配資源將子任務(wù)分配到不同的處理器上。3并發(fā)執(zhí)行多個處理器同時執(zhí)行子任務(wù)。4結(jié)果整合將子任務(wù)的結(jié)果合并成最終結(jié)果。并行計算可以顯著提高CFD模擬的效率，尤其是在處理大型復(fù)雜問題時。例如，可以將計算域分成多個子域，每個子域由一個處理器負責(zé)計算。高性能CFD編程并行計算采用MPI或OpenMP等技術(shù)，將計算任務(wù)分配到多個處理器上，以提高效率。分布式內(nèi)存