計(jì)算流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用

計(jì)算流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用目錄ListABCDCFD背景介紹軟件使用原理介紹在暖通工程中的應(yīng)用CFD模型性能優(yōu)化對(duì)比CFD背景介紹APPT模板下載：/moban/行業(yè)PPT模板：/hangye/節(jié)日PPT模板：/jieri/PPT素材下載：/sucai/PPT背景圖片：/beijing/PPT圖表下載：/tubiao/優(yōu)秀PPT下載：/xiazai/PPT教程：/powerpoint/Word教程：/word/Excel教程：/excel/資料下載：/ziliao/PPT課件下載：/kejian/范文下載：/fanwen/試卷下載：/shiti/教案下載：/jiaoan/PPT論壇：

CFD背景介紹計(jì)算流體力學(xué)(ComputationalFluidDynamics,簡(jiǎn)稱CFD)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種數(shù)值計(jì)算工具,用于求解流體的流動(dòng)和傳熱問(wèn)題。具體表現(xiàn)為求解固定幾何形狀空間內(nèi)的流體的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量方程以及相關(guān)的其它方程,并通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬獲得某種流體在特定條件下的有關(guān)數(shù)據(jù)。CFD最早運(yùn)用于汽車制造業(yè)、航天事業(yè)及核工業(yè),用離散方程解決空氣動(dòng)力學(xué)中的流體力學(xué)問(wèn)題。直到1974年丹麥學(xué)者PVNilsen首次將CFD技術(shù)用于計(jì)算室內(nèi)空氣流動(dòng),數(shù)值模擬技術(shù)開始應(yīng)用于暖通空調(diào)(HVAC）工程領(lǐng)域。相比傳統(tǒng)的模型實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)流體的流動(dòng)和傳熱而言,CFD技術(shù)具有眾多優(yōu)點(diǎn),逐漸受到人們的青睞,尤其是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展,CFD已被廣泛用于解決工程中的實(shí)際題。點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本CFD技術(shù)優(yōu)勢(shì)較容易地改變實(shí)驗(yàn)條件、參數(shù),以獲取大量在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中很難得到的信息資料更細(xì)致地分析、研究流體的流動(dòng)、物質(zhì)和能量的傳遞等過(guò)程;整個(gè)研究設(shè)計(jì)所花的時(shí)間減少;可方便地用于那些無(wú)法實(shí)現(xiàn)具體測(cè)量的場(chǎng)合,如高溫、危險(xiǎn)的環(huán)境根據(jù)模擬數(shù)據(jù),可以全方位的控制過(guò)程和優(yōu)化設(shè)計(jì)。1234軟件使用原理介紹B點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本CFD處理過(guò)程一般結(jié)構(gòu)前處理求解器后處理a.幾何模型b.劃分網(wǎng)格a.確定CFD方法的控制方程（N-S方程）b.選擇離散型方法進(jìn)行離散（有限容積/差分，有限元）c.選用數(shù)值計(jì)算方法d.輸入相關(guān)參數(shù)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)以及其他參數(shù)的計(jì)算機(jī)可視化及動(dòng)畫處理點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本CFD處理過(guò)程——前處理a.幾何模型b.劃分網(wǎng)格首先，利用CAD軟件幾何造型對(duì)需要流動(dòng)分析的對(duì)象進(jìn)行建模。其次，為了便于分析，還需對(duì)幾何模型近似與簡(jiǎn)化便。同時(shí)，還應(yīng)該對(duì)實(shí)施仿真的流域范圍做一個(gè)確定,流域的部分邊界應(yīng)與幾何模型曲面保持一致。（注：建模過(guò)程中通常需要考慮網(wǎng)格生成的結(jié)構(gòu)和拓?fù)洹＃⒘饔螂x散成為網(wǎng)格時(shí)，網(wǎng)格生成包括結(jié)構(gòu)和拓?fù)浯_定，然后在該拓?fù)渖仙删W(wǎng)格。然而，這些網(wǎng)格塊可能是對(duì)接的，連續(xù)的，非連續(xù)的或者重疊的。網(wǎng)格必須滿足最低的網(wǎng)格質(zhì)量要求，如正交性（尤其是在邊界上），相對(duì)網(wǎng)格間距（最大值不能超過(guò)15%到20%），網(wǎng)格扭曲率等等。點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本CFD處理過(guò)程——求解器a.建立數(shù)學(xué)物理模型（確定控制方程）在CFD中所的建立數(shù)學(xué)物理模型是對(duì)所研究的流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，對(duì)于暖通空調(diào)工程領(lǐng)域內(nèi)的流體流動(dòng)一般滿足連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程,且通常是不可壓流體的粘性流體流動(dòng)的控制微分方程（N-S方程）。黏性流動(dòng)方程（N-S方程）點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本CFD處理過(guò)程——求解器a.建立數(shù)學(xué)物理模型（確定控制方程）黏性流動(dòng)方程（N-S方程）點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本CFD處理過(guò)程——求解器a.建立數(shù)學(xué)物理模型（湍流模型）一般而言，湍流運(yùn)動(dòng)物理上近乎無(wú)窮多尺度漩渦流動(dòng)和數(shù)學(xué)上的強(qiáng)烈非線性，使得理論實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬都很難解決湍流問(wèn)題。雖然N-S方程能夠準(zhǔn)確地描述湍流運(yùn)動(dòng)地細(xì)節(jié)，但求解這樣一個(gè)復(fù)雜的方程會(huì)花費(fèi)大量的精力和時(shí)間。在實(shí)際求解過(guò)程中，往往采用平均N-S方程來(lái)描述工程和物理學(xué)問(wèn)題中遇到的湍流運(yùn)動(dòng)。當(dāng)我們對(duì)三維非定常隨機(jī)不規(guī)則的有旋湍流流動(dòng)的N-S方程平均后，得到相應(yīng)的平均方程，此時(shí)平均方程中增加了六個(gè)未知的雷諾應(yīng)力項(xiàng)，從而形成了湍流基本方程的不封閉問(wèn)題（通俗講就是解不了）。研究表明，雖然湍流運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，但是它仍然遵循連續(xù)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的特征和一般力學(xué)規(guī)律，因此，雷諾提出用時(shí)均值概念來(lái)研究湍流運(yùn)動(dòng)的方法，導(dǎo)出了以時(shí)間平均速度場(chǎng)為基礎(chǔ)的雷諾時(shí)均方程。從雷諾方程可以看出，由于湍流運(yùn)動(dòng)采用了時(shí)均方法，在運(yùn)動(dòng)方程中出現(xiàn)了雷諾應(yīng)力，從而增加了方程中的未知量。因此需要補(bǔ)充新的關(guān)系式才能求解。如果補(bǔ)充的關(guān)系式是一個(gè)代數(shù)方程，而不需要補(bǔ)充任何附加的微分方程來(lái)求解時(shí)均流場(chǎng)，則稱這種模型為零方程模型；CFD處理過(guò)程——求解器湍流模型一、湍流運(yùn)動(dòng)的連續(xù)方程

由于湍流流動(dòng)中各物理量都具有某種統(tǒng)計(jì)特征的規(guī)律，所以基本方程中任一瞬間物理量都可用平均物理量和脈動(dòng)物理量之和來(lái)代替，并且可以對(duì)整個(gè)方程進(jìn)行時(shí)間平均的運(yùn)算。在湍流運(yùn)動(dòng)中，瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)的速度應(yīng)滿足粘性流體的基本方程。其連續(xù)方程為：經(jīng)過(guò)時(shí)均運(yùn)算后，可壓縮湍流運(yùn)動(dòng)的連續(xù)方程為與瞬時(shí)值的連續(xù)方程相比，多出了三個(gè)脈動(dòng)量乘積的導(dǎo)數(shù)的時(shí)均值經(jīng)過(guò)一系列推導(dǎo)后，連續(xù)方程可化為：對(duì)不可壓湍流運(yùn)動(dòng)，時(shí)均運(yùn)動(dòng)和脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)方程和瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)方程具有相同的形式。CFD處理過(guò)程——求解器湍流模型二、雷諾方程

對(duì)于不可壓縮粘性流動(dòng)，在不考慮質(zhì)量力的情況下，N-S方程具有下列形式：

利用不可壓流瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)方程，可推導(dǎo)不可壓縮流體作湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)的時(shí)均運(yùn)動(dòng)方程（雷諾方程）為：雷諾方程與N-S方程在形式上是相同的，在粘性應(yīng)力（雷諾應(yīng)力）項(xiàng)中多出了附加的湍流應(yīng)力項(xiàng)。

非定常項(xiàng)對(duì)流項(xiàng)單位質(zhì)量流體壓力差黏性力項(xiàng)CFD處理過(guò)程——求解器湍流模型三、普朗特混合長(zhǎng)度理論（零方程模型）

從雷諾方程可以看出，由于湍流運(yùn)動(dòng)采用了時(shí)均方法，在運(yùn)動(dòng)方程中出現(xiàn)了雷諾應(yīng)力，從而增加了方程中的未知量，因此需要補(bǔ)充新的關(guān)系式才能求解。如果補(bǔ)充的關(guān)系式是一個(gè)代數(shù)方程，而不需要補(bǔ)充任何附加的微分方程來(lái)求解時(shí)均流場(chǎng)，則稱這種模型為零方程模型；

混合長(zhǎng)度理論是基于經(jīng)驗(yàn)性的一個(gè)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的理論模型。在許多問(wèn)題中得到了較好的應(yīng)用。其基本思想是如果能夠找出湍流應(yīng)力與其它流場(chǎng)參數(shù)之間的關(guān)系，即找到了這些物理量的補(bǔ)充關(guān)系式，就可以使方程組封閉。點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本CFD處理過(guò)程——求解器b.選用離散方法進(jìn)行離散c.選用數(shù)值計(jì)算方法上述的各微分方程相互耦合，具有很強(qiáng)的非線性特征，目前只能利用數(shù)值方法進(jìn)行求解。這就需要對(duì)實(shí)際問(wèn)題的求解區(qū)域進(jìn)行離散。數(shù)值方法中常用的離散形式有：有限容積，有限元、差分法。目前這三種方法在暖通空調(diào)工程領(lǐng)域的CFD技術(shù)中均有應(yīng)用?？傮w而言，對(duì)于暖通空調(diào)領(lǐng)域中的低速，不可壓流動(dòng)和傳熱問(wèn)題，采用有限容積法進(jìn)行離散的情形較多。它具有物理意義清楚，總能滿足物理量的守恒規(guī)律的特點(diǎn)。離散后的微分方程組就變成了代數(shù)方程組，表現(xiàn)為如下形式可見(jiàn)，通過(guò)離散之后使得難以求解的微分方程變成了容易求解的代數(shù)方程，采用一定的數(shù)值計(jì)算方法求解式表示的代數(shù)方程，即可獲得流場(chǎng)的離散分布，從而模擬關(guān)心的流動(dòng)情況。點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本CFD處理過(guò)程——后處理a.圖形后視化b.選用數(shù)值計(jì)算方法上述代數(shù)方程求解后的結(jié)果是離散后的各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值，這樣的結(jié)果不直觀，難以為一般工程人員或其他相關(guān)人員理解。因此將求解結(jié)果的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)或濃度場(chǎng)等表示出來(lái)就成了CFD技術(shù)應(yīng)用的必要組成部分。通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)，就可以將我們所求解的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)等形象、直觀地表示出來(lái)。右圖所示即為某會(huì)議室側(cè)送風(fēng)時(shí)的速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)。（顏色的暖冷表示溫度高低，矢量箭頭的大小表示速度大小。）可見(jiàn)，通過(guò)可視化的后處理，不僅能顯示靜態(tài)的速度、溫度場(chǎng)圖片，而且能顯示流場(chǎng)的流線或跡線動(dòng)畫，非常形象生動(dòng)，甚至非專業(yè)人士也可理解。點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本常用軟件

目前,數(shù)值模擬最主要的問(wèn)題就是計(jì)算精度問(wèn)題。網(wǎng)格的形狀、結(jié)構(gòu)和所采用的湍流模型和計(jì)算方法都對(duì)精度有影響。因而我們?cè)诶肅FD軟件處理問(wèn)題時(shí),采用什么樣的網(wǎng)格形式、坐標(biāo)形式、網(wǎng)格密度及湍流模型都是需要研究者慎重考慮的。應(yīng)在能保證模擬準(zhǔn)確度、精確度的前提下,盡可能地選用簡(jiǎn)單的方法和模型。這樣不僅可以簡(jiǎn)化問(wèn)題,而且可以節(jié)約計(jì)算機(jī)資源,減少計(jì)算時(shí)間。隨著CFD在工程技術(shù)中應(yīng)用的推廣,CFD也逐漸軟件化、商業(yè)化。CFD商業(yè)軟件中既有通用的也有作為特殊用途的專業(yè)軟件,而且這些軟件大多數(shù)都能在一般高性能計(jì)算機(jī)的UNIX、LINUX、WINDOWS操作系統(tǒng)上運(yùn)行,這為這些軟件的推廣使用打下了良好的基礎(chǔ)。表1中列出了主要的一些商用CFD軟件。暖通行業(yè)使用較多的FLUENT和PHOENICS,其它軟件的可以見(jiàn)表1中給出的網(wǎng)址。點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本常用軟件在暖通工程中的運(yùn)用C點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本CFD在暖通工程中的應(yīng)用建筑內(nèi)環(huán)境的設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析建筑外環(huán)境的評(píng)價(jià)分析和自然通風(fēng)設(shè)計(jì)特殊空間內(nèi)環(huán)境的分析和設(shè)計(jì)建筑設(shè)備內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱分析、指導(dǎo)設(shè)計(jì)設(shè)備1432點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本CFD在暖通工程中的應(yīng)用CFD模型優(yōu)化對(duì)比CFD模型優(yōu)化比暖通空調(diào)設(shè)計(jì)優(yōu)化氣流組織設(shè)計(jì)是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵,合理的氣流組織可以達(dá)到滿意的空調(diào)效果,并且節(jié)省能耗。圖1為某會(huì)議室變風(fēng)量系統(tǒng)側(cè)送風(fēng)示意圖。由于變風(fēng)量系統(tǒng)在部分負(fù)荷下送風(fēng)速度很小,對(duì)于這種側(cè)送風(fēng)情形很可能出現(xiàn)冷風(fēng)下墜現(xiàn)象,于是利用STACH-3對(duì)夏季兩種不同氣流組織工況做了模擬對(duì)比分析，如表2所示。建筑內(nèi)環(huán)境的設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析2點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本CFD在暖通工程中的應(yīng)用由兩工況中心的計(jì)算結(jié)果對(duì)比可見(jiàn)，工況1確實(shí)出現(xiàn)了冷風(fēng)下墜的現(xiàn)象，容易造成吹風(fēng)感，調(diào)整風(fēng)口出風(fēng)方向斜向上的工況2改善了室內(nèi)的氣流組織，速度溫度分布較為合理，而采用傳統(tǒng)的射流理論分析無(wú)法做出類似分析，對(duì)于冬季也可采用不同方案得到合理的氣流組織形式，由此可見(jiàn)CFD對(duì)室內(nèi)環(huán)境的氣流設(shè)計(jì)方面有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。建筑內(nèi)環(huán)境的設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本CFD在暖通工程中的應(yīng)用1建筑外環(huán)境的評(píng)價(jià)分析和自然通風(fēng)設(shè)計(jì)2

用CFD方法對(duì)建筑外來(lái)流風(fēng)繞流作用下的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，可以了解建筑室外環(huán)境的優(yōu)劣，以及知道自然通風(fēng)設(shè)計(jì)。圖4為某建筑室外風(fēng)環(huán)境的模擬結(jié)果。由圖可知，我們可以根據(jù)該建筑外來(lái)空氣流動(dòng)情況合理組織自然通風(fēng)，而如果采用模型實(shí)驗(yàn)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究的話，則存在周期長(zhǎng)，價(jià)格昂貴的缺陷，無(wú)法適應(yīng)工程需要。點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本CFD在暖通工程中的應(yīng)用1建筑外環(huán)境的評(píng)價(jià)分析和自然通風(fēng)設(shè)計(jì)2點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本CFD在暖通工程中的應(yīng)用1特殊空間內(nèi)環(huán)境的分析和設(shè)計(jì)3

用CFD方法也可對(duì)特殊空間的流體流動(dòng)和傳熱數(shù)值模擬。圖5所示為某客車空間內(nèi)夏季空調(diào)送風(fēng)形成的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。由圖可見(jiàn)，借助CFD模擬所得結(jié)果，可以形象直觀地分析該空間內(nèi)的空氣分布是否符合人體熱舒適的要求，借此知道和優(yōu)化其空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本CFD在暖通工程中的應(yīng)用1建筑設(shè)備內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱分析、指導(dǎo)設(shè)計(jì)設(shè)備3設(shè)備內(nèi)的流動(dòng)和傳熱也是暖通空調(diào)工程領(lǐng)域常見(jiàn)的問(wèn)題。借助CFD可以對(duì)風(fēng)機(jī)，冷藏柜，蓄冰槽等建筑設(shè)備內(nèi)的流體流動(dòng)和傳熱問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值分析。3MW主控?zé)嵩O(shè)計(jì)仿真計(jì)算案例從下方往上流的空氣，在經(jīng)過(guò)中隔板的孔后沿著斜面方向往斜上方流，在靠近電源處附近空氣流量較小且速度較低。點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添