流体力学与CFD基础课件.ppt

1、流体力学与流体力学与CFD基础基础Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual1、流体力学基础控制体控制表面 控制体指空间的一个区域 该区域被控制面所包围 其大小和形状是任意的 可以是管,设备,旋转叶片等 适用于有限的和极小尺寸的区域控制体控制体 Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual1、流体力学基础可在这两

2、种坐标系下描述基本守衡定律方程拉格朗日原理 研究流体质点的运动 跟踪这一部分流体质点随时间变化的空间位置和特性 一般用于研究颗粒的空间运动轨迹的研究等欧拉原理 研究流体流过的控制体,该控制体在空间位置是固定的 独立变量是空间坐标(x,y,z)和时间(t)拉格朗日和欧拉坐标系Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual1、流体力学基础流体运动守衡方程 质量守衡方程 动量守衡方程-牛顿运动定律 能量守衡方程-热力学第一定律这三个守衡方程是CFD的理论基石！A

3、dvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual1、流体力学基础 质量流入质量流出质量 总量控制体质量增加率=流入的质量-流出的质量表述积分方程控制体控制面 例:均布,1D,稳态流动质量守衡质量守衡Av d 0dtcscv 21AVAV0Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual1、流体力学基础质量守衡质量守衡连续性方

4、程：任何流体问题都必须满足质量守恒定律。该定律可表达为：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元的净质量。0)()()(zvyvxvtzyxAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual1、流体力学基础 动量流入动量流出动量总量动量增加率=+流出的动量-流入的动量表述积分方程净力净力例:均布,1D,稳态流动动量守衡动量守衡Avvv t)v(dd dtmdFcscvAV=m V)m(V)m(APAPF122211xAdvanced Co

5、ntact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual1、流体力学基础动量守衡动量守衡N-S方程(广义动量方程)：xxexexexxxzxyxxxTzvzyvyxvxRxPgzvvyvvxvvtvyyeyeyeyyyzyyyxyTzvzyvyxvxRyPgzvvyvvxvvtvzzezezezzzzzyzxzTzvzyvyxvxRzPgzvvyvvxvvtv 微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。Advanced Contact&FastenersAdv

6、anced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual1、流体力学基础 流入的总焓流出的总焓能量总量内部能量变化率流入热量-输出功=表述积分方程 流入热量输出功+流出的焓-流入的焓例子:1D 稳态流动能量守衡能量守衡Av +d t)WQ(dHecscvAV=mH2v+u=2Pegze12H)m(H)m(0WQAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual1、流体力学基础 能量守衡能量

7、守衡能量方程：tPQEWzTKzyTKyxTKxTCvzTCvyTCvxTCtvkvpzpypxp0000000te 有效粘度是层流粘度（层流粘度是流体的属性）和湍流粘度（湍流粘度从湍流模型中计算所得）之和。微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual2、CFD基础2.1 CFD模型的数值求解方法概述 数值方法求解CFD模型的基本思想是：把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场(

8、如速度场、温度场、浓度场等)，用一系列有限个离散点(称为节点，node)上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代数方程(称为离散方程，discretization equation)，求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似解。在过去的几十年内已经发展了多种数值解法，其间的主要区别在于区域的离散方式、方程的离散方式及代数方程求解的方法这三个环节上。在CFD求解计算中用得较多的数值方法有：有限差分法(finite difference method，FDM)、有限体积法(finite volume method，FVM)、有限元法(finite element

9、 method，FEM)及有限分析法(finite analytic method，FAM)。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual2、CFD基础2.1 CFD模型的数值求解方法概述（1）有限差分法 有限差分法是历史上采用最早的数值方法，对简单几何形状中的流动与换热问题也是一种最容易实施的数值方法。其基本点是：将求解区域用与坐标轴平行的一系列网格线的交点所组成的点的集合来代替，在每个节点上，将控制方程中每一个导数用相应的差分表达式来代替，从而在每个

10、节点上形成一个代数方程，每个方程中包括了本节点及其附近一些节点上的未知值，求解这些代数方程就获得了所需的数值解。由于各阶导数的差分表达式可以从Taylor(泰勒)展开式来导出，这种方法又称建立离散方程的Taylor展开法。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual2、CFD基础2.1 CFD模型的数值求解方法概述（2）有限体积法 在有限体积法中将所计算的区域划分成一系列控制体积，每个控制体积都有一个节点作代表，通过将守恒型的控制方程对控制体积作积分来导

11、出离散方程。在导出过程中，需要对界面上的被求函数本身及其一阶导数的构成作出假定，这种构成的方式就是有限体积法中的离散格式。用有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒特性，而且离散方程系数的物理意义明确，是目前流动与传热问题的数值计算中应用最广泛的一种方法。Phoenics是最早投入市场的有限体积法软件，Fluent、STAR-CD和CFX都是常用的有限体积法软件，它们在流动、传热传质、燃烧和辐射等方面应用广泛。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual

12、2、CFD基础2.1 CFD模型的数值求解方法概述（3）有限元法在有限元法中把计算区域划分成一系列单元体(在二维情况下，单元体多为三角形或四边形)，在每个单元体上取数个点作为节点，然后通过对控制方程做积分来获得离散方程。它与有限体积法区别主要在于如下两点。(1)要选定一个形状函数(最简单的是线性函数)，并通过单元体中节点上的被求变量之值来表示该形状函数，在积分之前将该形状函数代入到控制方程中去。这一形状函数在建立离散方程及求解后结果的处理上都要应用。(2)控制方程在积分之前要乘上一个权函数，要求在整个计算区域上控制方程余量(即代入形状函数后使控制方程等号两端不相等的差值)的加权平均值等于零，从

13、而得出一组关于节点上的被求变量的代数方程组。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual2、CFD基础2.2 有限体积法（1）计算区域的离散化所谓区域的离散化(domain discretization)实质上就是用一组有限个离散的点来代替原来的连续空间。一般的实施过程是：把所计算的区域划分成许多个互不重叠的子区域(sub-domain)，确定每个子区域中的节点位置及该节点所代表的控制体积。区域离散后，得到以下四种几何要素。节点(node)：需要求解的未

14、知物理量的几何位置。控制体积(control volume)：应用控制方程或守恒定律的最小几何单位。界面(face)：它定义了与各节点相对应的控制体积的界面位置。网格线(grid line)：连接相邻两节点面形成的曲线簇。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual2、CFD基础2.2 有限体积法（1）计算区域的离散化一般把节点看成是控制体积的代表。在离散过程中，将一个控制体积上的物理量定义并存储在该节点处。图给出了一维问题的有限体积法计算网格，图给出了

15、二维问题的有限体积法计算网格。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual2、CFD基础2.2 有限体积法（1）计算区域的离散化计算区域离散的网格有两类：结构化网格和非结构化网格。节点排列有序，即当给出了一个节点的编号后，立即可以得出其相邻节点的编号，所有内部节点周围的网格数目相同。这种网格称为结构化网格(structured grid)。结构化网格具有实现容易、生成速度快、网格质量好、数据结构简单的优点，但不能实现复杂边界区域的离散。而非结构化网格的内

16、部节点以一种不规则的方式布置在流场中，各节点周围的网格数目不尽相同。这种网格虽然生成过程比较复杂，但却有极大的适应性，对复杂边界的流场计算问题特别有效。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual2、CFD基础2.2 有限体积法（2）控制方程的离散化前面给出的流体流动问题的控制方程，无论是连续性方程、动量方程，还是能量方程，都可写成如式所示的通用形式，()div()div(grad)uuSt Advanced Contact&FastenersAdvan

17、ced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual3、流体力学基本概念简介 3.1理想流体与粘性流体 粘性定义：流体所具有的这种抵抗两层流体间相对滑动速度，或普遍说来抵抗变形的性质。3.2 牛顿流体与非牛顿流体 区分标准：是否为常数 内摩擦剪应力与速度变化率的关系Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual3、流体力学基本概念简介 3.3 可压流体与不可压流体 判定标准：根据密度是

18、否为常数 3.4定常与非定常流动 判定标准：流体流动的物理量(如速度、压力、温度等)是否随时间变化不可压密度为常数 定常流动流动的物理量不随时间变化 Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual3、流体力学基本概念简介 3.5 层流与湍流 层流湍流流体在流动过程中两层之间没有相互混掺 流体不是处于分层流动状态 判定标准：Reynolds数(也称雷诺数)是否超过临 界雷诺数。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contac

19、t&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual3、流体力学基本概念简介 3.5 层流与湍流 层流湍流流体在流动过程中两层之间没有相互混掺 流体不是处于分层流动状态 判定标准：Reynolds数(也称雷诺数)是否超过临 界雷诺数。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual4、FLUENT流体力学分析基本步骤划分网格建立模型CAD软件；DesignModelerMesh功能；专用网格划分前处理设置求

20、解器设置后处理查看结果FLUENT设置流体模型，边界条件；流体参数等设置求解方法，求解控制查看流速，压力等Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual4、FLUENT流体力学分析基本步骤4.1 建立模型Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual4、FLUENT流体力学分析基本步骤4.1 建立模型Advanced

21、Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual4、FLUENT流体力学分析基本步骤4.2 划分网格建议一般用户选用该种方式Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual4、FLUENT流体力学分析基本步骤1.通用设置（General）用户可以使用通用设置完成，比例缩放网格，检查网格，显示网格，设置求解方法，设置流体分析类型，即稳态还是瞬

22、态，此外还可以设置流体分析中是否考虑重力和流体分析过程中的单位。4.3 前处理设置Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual4、FLUENT流体力学分析基本步骤4.3 前处理设置2.流体模型设置（Models）FLUENT提供丰富的流体分析模型，用户使用该选项可以根据分析选择是否激活多相流分析（Multiphase），能量方程（Energy），湍流模型（Viscous），流体辐射（Radiation），热交换器（Heat Exchanger），多组份流

23、体分析（Species），离散相流体分析（Discrete Phase），凝固和融合分析（Solidification&Melting），声学模拟（Acoustics），Eulerian 薄膜模型（Eulerian Film Model ）Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual4、FLUENT流体力学分析基本步骤4.3 前处理设置3.流体材料参数（Materials）Advanced Contact&FastenersAdvanced Contac

24、t&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual4、FLUENT流体力学分析基本步骤4.3 前处理设置4.设置流体相（Phase）如果用户在流体模型中激活了多相流分析选项，则可以使用该选项对多相流设置不同流体的材料参数。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual4、FLUENT流体力学分析基本步骤4.3 前处理设置5.设置计算的流体域条件（Cell Zone Conditions）用户可以使用该项

25、为选定的流体区域设置流体类型，流体参数，参考坐标系，动网格，多孔区域介质，源项，多相等。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual4、FLUENT流体力学分析基本步骤4.3 前处理设置 6.设置边界条件（Cell Zone Conditions）FLUENT提供了流体入口和出口边界条件，壁面边界条件，重复边界条件，Pole boundaries和内表面边界Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&Fasten

26、ersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual4、FLUENT流体力学分析基本步骤4.3 前处理设置7.设置网格界面（Mesh Interface）网格界面功能允许用户为滑动网格，多坐标参考系设置和非一致边界条件设置不同网格的界面。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual4、FLUENT流体力学分析基本步骤4.3 前处理设置8.设置动网格（Dynamic）用户使用该项功能可以模拟固体在流体区域运动的流体动力学

27、问题。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual4、FLUENT流体力学分析基本步骤4.3 前处理设置9.设置参考值（Reference Values）通过该项面板，可以让用户为归一化处理流场变量而设置参考值，此外也允许用户为后处理中的移动区域的相对速度指定参考区域。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual4

28、、FLUENT流体力学分析基本步骤1.设置求解方法（Solution Methods）通过该项面板，用户可以设置求解流体流动离散后代数方程组的基本算法（Scheme），对流项的空间离散算法（Spatial Discretization），瞬态项的离散算法（Transient Formulation）4.4 求解Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual4、FLUENT流体力学分析基本步骤4.4 求解2.设置求解控制参数（Solution Control

29、s）基于压力求解流体流动方程的方法使用under-relaxation 系数，来控制每一次迭代的计算参数更新。FLUENT提供的默认值可以适用于大多数流体问题，但对于一些特殊问题，例如湍流，高雷诺数的自然对流问题，建议减少初始的 under-relaxation系数，这样有利于求解收敛和保证一定的求解精度。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual4、FLUENT流体力学分析基本步骤4.4 求解3.设置监视参数（Monitors）使用该面板，用户可以设

30、置求解过程中的残差，静态和力的求解监视，此外还可以设置表面量和体积量的求解过程中的监视量。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual4、FLUENT流体力学分析基本步骤4.4 求解4.设置求解初始值（Solution Initialization）因为FLUENT求解器，需使用一个初始流场来进行下一次的迭代计算，所有在流体计算前需进行设置流场初始解。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&Fasteners

31、Advanced Contact&FastenersTraining Manual4、FLUENT流体力学分析基本步骤4.4 求解5、设置求解激活（Calculation Activities）用户可以使用该项功能，可以在求解过程中保存文件，输出文件，创建求解动画和执行一些命令。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual4、FLUENT流体力学分析基本步骤4.5后处理查看结果1.图形和动画显示结果（Graphics And Animations）通过该

32、项面板，用户可以设置查看流体网格，流体的不同求解结果的运行，例如压力，速度，等，此外对于瞬态流体，用户还可以查看流体的不同求解结果的动画。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual4、FLUENT流体力学分析基本步骤4.5后处理查看结果2.画图（Plots）通过该项面板，用户可以设置画出X-Y的平面图，一般选用X坐标为位置，Y轴为流体求解的结果，如温度，压力等。Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manual5、FLUENT范例计算模型为二维模型，流体介质为空气。该模型由两个入口，第一个入口速度为5m/s，第二入口速度为3m/s，出口为压力出口。