機電一體化系統(tǒng)設計第三章計算流體力學(CFD)簡介.ppt

計算流體力學簡介ComputationalFluidDynamics CFD CFD的概念 計算流體力學 CFD 是流體力學的新興分支 是一個采用適當?shù)臄?shù)值方法求解流體流動的控制方程組 并通過得到的流場和其它物理場研究流動現(xiàn)象以及物理 化學過程的學科 預測流體流動 熱傳導 化學反應以及相關現(xiàn)象的學科控制方程組 包含質量 動量 能量 元素守恒方程等 控制方程組 質量守恒方程 連續(xù)性方程 動量守恒方程 運動方程 能量守恒方程 主要內容 流體的幾個基本概念什么是CFDFLUENT 通用CFD軟件CFD算例 流體的幾個基本概念 壓縮性 可壓縮流體 不可壓縮流體壓縮率粘性 粘性流體 非粘性流體 牛頓流體 非牛頓流體切向力表面力 大小與表面面積有關而且分布作用在流體表面上的力正壓力 理想流體 靜止流體只有正壓力切向力 粘性流體才有切向力 流體的幾個基本概念 絕對壓強 相對壓強 真空度標準大氣壓patm 101325Pa 760mmHg 絕對壓強ps 以0Pa為基準得到的壓強相對壓強 表壓強 pr 真空度pv 約定 對于液體 壓強用相對壓強 對于氣體 特別是馬赫數(shù)大于0 1的流動 應視為可壓縮流 壓強用絕對壓強靜壓 動壓 總壓由伯努利方程得 靜壓 動壓 總壓 流體的幾個基本概念 定常流動 非定常流動定常流動 流動過程中各物理量均與時間無關非定常流動 某一或多個物理量與時間有關層流 湍流層流 流體層與層之間沒有物質和能量的交換湍流 流動中層與層之間相互有干擾 什么是CFD 計算流體力學 計算機技術飛速發(fā)展 動力 條件 什么是CFD CFD的作用像在計算機上做實驗 故也稱數(shù)值實驗 它不但能取代很多實驗工作 而且能做實驗室無法進行的研究 CFD數(shù)值模擬的精度依賴于離散格式 計算網(wǎng)格 計算人員的經(jīng)驗于技巧CFD的發(fā)展依賴于計算機技術 什么是CFD CFD分析與下列情況相關 新設計方案的研究產(chǎn)品開發(fā)細節(jié)故障解決方案重新設計CFD分析補充了測試和實驗功能簡化了實驗設計和數(shù)據(jù)分析中所要求的工作量 什么是CFD 美國?？哲奆 35戰(zhàn)斗機所使用的無附面層隔道超音速進氣道就是CFD的成果之一 CFD的進展 計算流體力學的基本理論與算法已日趨成熟 能處理的物理問題也日漸復雜 并涌現(xiàn)了許多CFD通用軟件包 Phoenics Fluent CFX Star CD Ansys CFD技術 CAD技術與先進測試技術是構成現(xiàn)代設計 研發(fā)體系的三要素 涵蓋了絕大部分工業(yè)與工程領域 在先進工業(yè)國家 CFD數(shù)值模擬早己是許多新產(chǎn)品研發(fā)中不可缺少的環(huán)節(jié) FLUENT 通用CFD軟件 主要功能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 輻射換熱 慣性坐標系和非慣性坐標系下的流動問題模擬 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 多孔介質流動 兩相流問題 復雜表面形狀下的自由面流動 FLUENT 通用CFD軟件 Fluent軟件結構FLUENT解法器prePDF 用于模擬PDF燃燒過程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 Filters Translators 轉換其它程序生成的網(wǎng)格 用于FLUENT計算 可以接口的程序包括 ANSYS I DEAS NASTRAN PATRAN等 FLUENT 通用CFD軟件 基本程序結構示意圖 FLUENT 通用CFD軟件 Fluent如何工作 FLUENT求解器是基于有限體積法建立的旨在使控制體或控制單元區(qū)域離散化在控制體的區(qū)域內求解質量 動量 能量 元素等守恒方程偏微分方程通過離散處理成一系列的代數(shù)方程所有的代數(shù)方程根據(jù)計算域求解 管流動區(qū)域被離散為有限的控制單元 網(wǎng)格 FLUENT 通用CFD軟件 FLUENT求解模型 生成網(wǎng)格 前處理 實體模型 Solver 求解器設置 后處理 FLUENT 通用CFD軟件 Fluent基本步驟問題的鑒定及預處理定義你所需要的模型確定即將模擬的區(qū)域設計并創(chuàng)建網(wǎng)格求解建立數(shù)學模型計算并監(jiān)控后處理檢查結果考慮是否需要修改模型 FLUENT 通用CFD軟件 問題的鑒定及預處理確定即將模擬的區(qū)域 例如 除塵器 FLUENT 通用CFD軟件 問題的鑒定及預處理設計并創(chuàng)建網(wǎng)格 Quadrilateral FLUENT 通用CFD軟件 求解FLUENT求解器 FLUENT2d 二維單精度求解器 FLUENT3d 三維單精度求解器 FLUENT2ddp 二維雙精度求解器 FLUENT3ddp 三維雙精度求解器 FLUENT 通用CFD軟件 求解FLUENT中有兩種求解器 壓力基和密度基 壓力基求解器以動量和壓力為基本變量通過連續(xù)性方程導出壓力和速度的耦合算法只采用隱式方式對控制方程進行線性化壓力基求解器有兩種算法分離求解器 壓力修正和動量方程順序求解 耦合求解器 PBCS 壓力和動量方程同時求解 用哪種壓力梯度來計算控制方程中的導數(shù)項 FLUENT 通用CFD軟件 求解選擇合適的計算模型湍流 燃燒 多相流等定義材料液體固體混合體指定操作條件在所有邊界區(qū)域指定邊界條件提供初始條件設置求解控制器設置殘差 收斂性 監(jiān)控器 FLUENT 通用CFD軟件 后處理可視工具可以用于回答如下問題 整體的流動形式 是否有分流 震動 剪切層等來自于哪 流動的主要特征是否已解決 數(shù)據(jù)顯示工具可以用于計算定量解 力和力矩平均傳熱系數(shù)面積分量和體積分量 FLUENT 通用CFD軟件 后處理軟件 TecplotTecplot是Amtec公司推出的繪圖和數(shù)據(jù)分析的通用軟件 用于數(shù)值模擬 數(shù)據(jù)分析和測試 作為功能強大的數(shù)據(jù)顯示工具 Tecplot通過繪制XY 2 D和3 D數(shù)據(jù)圖以顯示工程和科學數(shù)據(jù) FLUENT 通用CFD軟件 線值圖 在二維或三維空間上 將橫坐標取為空間長度或時間歷程 將縱坐標取為某一物理量 然后用光滑曲線或曲面在坐標系內繪制出某一物理量沿空間或時間的變化情況 Ma 0 8的均勻場內靜止點聲源的聲輻射 觀察者位置 100m 0m 0m FLUENT 通用CFD軟件 矢量圖 直接給出二維或三維空間里矢量 如速度 的方向及大小 一般用不同顏色和長度的箭頭表示速度矢量 矢量圖能形象地顯示流動特征 某離心葉輪近輪蓋處的速度分布 FLUENT 通用CFD軟件 流線 FLUENT 通用CFD軟件 等值線圖 contour 同一線上的物理量 如壓強 相等 云圖 使用渲染的方式 將流場某個截面上的物理量 如壓力或溫度 用連續(xù)變化的顏色塊表示其分布 振蕩機翼附近的壓力等值分布 振蕩機翼附近的壓力云圖 CFD算例 閥門內部流動數(shù)值模擬 CFD算例 開度100 開度50 開度10 速度分布 CFD算例 壓力分布 開度100 開度50 開度10 CFD算例 開度100 開度50 壓力分布 開度10 CFD算例 導彈飛行器 CFD算例 大攻角下的分離流線 CFD算例 CFD算例 離心葉輪 CFD算例 葉輪通道內的壓力分布 93 葉高處相對速度矢量線