流体力学第十三章_计算流体力学基础.pptx

第十三章 计算流体力学基础13.1 问题的提出 什么是计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）以计算机为工具，采用数值方法求解流体力学基本方程组，从而获得流动现象的物理特征，以及各流动参数的时?空分布规律的一门学科。 CFD的作用和意义成本低、周期短、流场数据完备，具有模拟复杂真实流动和理想条件流动的能力，广泛应用于工程技术各领域。 CFD求解的基本思想把流场中在时?空上连续的物理量的场（分布），用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。13.2 流体力学基本方程组通用形式：对任一流动问题，基本方程组加上定解条件（初始和边界条件），理论上存在唯一（数值）解，这对层流流动是准确的，对湍流流动，则是不确定的。湍流问题数值求解的主要方法（1）直接数值模拟（ Direct Numerical Simulation：DNS ）（2）大涡模拟（ Large Eddy Simulation：LES）（3） Reynolds 平均方法（Reynolds Average Navier-Stokes：RANS）（4）概率密度函数方法（ probability density function : PDF）雷诺平均方法雷诺平均“－” 和Favre平均（密度加权平均）“~” 基于雷诺/Favre平均的基本方程组 湍流输运模型： （湍流应力或雷诺应力） （湍流输运通量）湍流燃烧模型 （平均化学反应速率）13.3 CFD求解的一般步骤采用CFD方法求解流体力学问题，一般包括前处理、计算求解和后处理三个步骤。 前处理（1）建立流动问题的几何模型，即计算区域确定计算区域的形状，结构及尺寸参数。简单模型可以在编制的计算程序中设定或利用网格生成软件来生成，复杂模型可以采用2D/3D专业作图软件绘制，然后导入计算程序或网格生成软件。（2）在几何模型中生成计算网格通过编制的网格生成程序或专用的网格划分软件对几何模型进行网格划分。网格的数量和质量直接影响求解的计算效率和计算结果的准确性。简单流动空间的正交结构化网格复杂流动空间的非结构化网格自适应网格动网格（3）定义边界条件对于生成网格的计算区域，对整个区域定义边界条件，边界条件不但会影响迭代求解的速度，还会影响迭代计算最终能否收敛以及结果是否准确。 计算求解确定求解问题的类型，定义各种物理模型（湍流模型，传热模型，燃烧模型，喷雾模型等），确定所要求解的方程组，对微分方程进行离散化处理。定义材料属性，定义初始条件和边界条件，定义或选择合适的求解算法，差分格式，松弛因子等等。最后进行迭代求解。 后处理对数值计算得到的结果进行处理，包括：（1）将计算结果和实验数据进行对比（以图形或表格的形式）验证，对模型和算法进行优化改进。（2）根据计算结果，以图、表或动画的形式来显示流场特征或流动现象，对其进行分析讨论，以揭示流动过程的有关机理。钝体后流线图13.4 通用CFD软件 前处理（网格生成）软件Fluent Gambit，ANSYS ICEM CFD， HyperMesh， Pointwise/Gridgen 等。 CFD求解器Phoenics，ANSYS Fluent，ANSYS CFX，Star-CD，OpenFOAM等。 后处理软件TecPlot，Fieldview，CEI Ensight等。