CFD的基本原理

《CFD的基本原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CFD的基本原理（120页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、计算流体动力学Computational fluid mechanics机械与动力工程学院凌祥 2 Aim 3 Objectivesl To learn how to solve problems in fluid dynamics using a commercial CFD codel To understand sufficiently the underlying fluid dynamics to appreciate the scope and limitations of solutionsl To be able to assess the errors involved in

2、 CFD simulationl To be able to interpret and present the results in an appropriate professional context 4 课 程 背 景l Who should learn this course?动力工程及工程热物理、机械工程、暖通、安全工程等专业研究生l prerequisite courses for this course流体力学、Pro/E、高等数学、数值计算方法 5 教 材l H K Versteeg and W Malalasekera. An Introduction to Computa

3、tional Fluid Dynamics: the Finite Volume Method. Harlow, England: Pearson Eduaction Ltd. (1 st Edition, 2 0 0 0 )l Anderson J D. Computational Fluid Dynamics: The basics with applications. Mcgraw-Hill Companies, Inc. (1 9 9 5 ) Uses finite difference approach Well written text excellent introduction

4、 6 参 考 书l Patankar S V. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. NY: Mcgraw-Hill Companies, Inc. (1 9 8 0 )l陶文銓. 数值传热学. 西安交通大学出版社(2 0 0 4 )l陶文銓. 传热与流动问题的多尺度数值模拟：方法与应用，科学出版社 ，2 0 0 9l Ferziger J H and peric M. Computational Methods for Fluid Dynamics. Springer 3 ed 2 0 0 1 excellent treatise on finite

5、 volume method for the mathematics and fluids expert 7 Important websitesl Http:/scholar.lib.vt.edu/ejournal/JFE/. Journal of Fluids Engineeringl Http:/www.CFD- Http:/www.e- http:/www.qnet- http:/ http:/ Fluent user manual 8 Important Journalsl Transactions of ASME Journal of Fluids Engineering Jour

6、nal of Engineering for Gas Turbines Journal of Heat Transferl AIAA Journall Journal of Fluids Mechanicsl Proceeding of the IMechE 9 Available Commercial Codes l Fluentl CFXl FIDAP(基于有限元方法和完全非结构化网格)l PHOENICSl AirPakl STAR-CDl FLOW3 Dl NUMECAl 10 学 习 与 授 课 l学自学动手大作业l考核大作业期末考试（待定）l教学方式教师授课学生实践讨论学生Pres

7、entation 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 第 一 章 计 算 流 体 动 力 学 的 基 本 原 理l什么是CFDl为什么要学习 CFDl作为研究工具的CFDl作为设计工具的CFD

8、lCFD应用实例lCFD研究范围 85 l CFD是英文Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称。l CFD是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。l CFD相当于虚拟地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。什么是CFD 86 l CFD基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。可以认为CFD是现代模拟仿真技术的一种。l 1 9 3 3年，英国人Thom首次用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微分方程，CFD由此而生。l 1 9 7 4年，丹麦的Nielsen首次将C

9、FD用于暖通空调工程领域，对通风房间内的空气流动进行模拟。 什么是CFD？ 87 l CFD软件是计算流体力学（Computational fluid Dynamics）软件的简称，是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。l著名的CFD处理工具有以下一些： 用于前处理： Gambit, Tgrid, GridPro, GridGen, ICEM CFD 用于计算分析：Fluend, FIDAP, POLYFLOW用于后处理： Ensight, IBM Open Visulization Explorer, Field View, AVS 提供综合的处理能力： Ansys，MAYA 特

10、殊领域的应用： Icepak, Airpak, Mixsim 什么是CFD？ 88 为什么要学习CFDl流体力学中有些问题采用实验和理论的方法无法解决空天飞机超声速燃烧冲压式喷气发动机高超声速（高马赫数-25，8000m/s）很高的气流温度没有风洞能模拟上述两方面 89 l空天飞机是既能航空又能航天的新型飞行器。它像普通飞机一样起飞，以高超音速在大气层内飞行，加速进入地球轨道后，成为航天飞行器，返回大气层后，像飞机一样在机场着陆l航天飞机返回再入大气层的空气动力学问题，曾经耗费了科学家们多年的心血，作了约10万小时的风洞试验。空天飞机的空气动力学问题比航天飞机复杂得多。因为飞机速度变化大，马赫

11、数从0变化到25；飞行高度变化大，从地面到几百公里高的外层空间；返回再入大气层时下行时间长，航天飞机只有十几分钟，空天飞机则为l2小时。 90 l解决空气动力学问题的基本手段是风洞。目前，就连美国也不具备马赫数可以跨越这样大范围的试验风洞。即使有了风洞还需要作上百万小时的试验，那意味着就是昼夜不停地试验，也需要花费100多年的时间。l只能求助于计算机，用CFD来解决，对那维尔斯托克斯方程进行求解 91 During the early morning hours, the Tacoma Narrows Bridge began to undulate violently in 3 5 + mp

12、h winds. After several hours (and luckily after the bridge had been closed by police), the oscillations took the form of a twisting motion that would cause the main section of the bridge to tilt at up to a 4 5 o angle from its original position. On November 7 , 1 9 4 0 , one of the most spectacular

13、engineering failures of the 2 0 th century occurred in Tacoma, Washington. 92The Tacoma Narrows Bridge disaster illustrates two main points: 1 ) that fluid dynamics can play a role in many critical phenomena outside the traditional spheres of aerospace and mechanical engineering and 2 ) that analysi

14、s of these phenomena during the design phase of a project can potentially save a lot of time and money. l The fundamental design flaw in the Tacoma bridge was a failure to account for the resonance vibrations generated in the structure due to the aerodynamic forces. l Subsequently, the replacement b

15、ridge design was tested a wind tunnel to measure potential wind effects before being built, and such type of testing became standard for all future bridge designs. 93 l The Tacoma Narrows Bridge disaster illustrates two main points: that fluid dynamics can play a role in many critical phenomena outs

16、ide the traditional spheres of aerospace and mechanical engineering and that analysis of these phenomena during the design phase of a project can potentially save a lot of time and money. 94 Bernouli(1667-1748) Euler(1667-1748)Stokes(1819-1903) Navier (1785-1836)Archimedes (BC287 - BC212) Reynolds (

17、1842-1912) Prandtl (1875-1953） Taylor(1886-1975)为什么要学习CFD 95 为什么要学习CFDl流体力学的三种研究方法 17世纪，实验流体力学（法国和英国) 18和19世纪，理论流体力学（欧洲） 20世纪70年代试 验 CFD 理 论 96 作为研究工具的CFDl数值风洞（Numerical Wind Tunnel）风载荷圆屋顶（Smooth and Rough Domes）Dome of the Rock Jerusalem, 684 AD Taj Mahal, AgraIndia 1631-1641 97 作为研究工具的CFDSt. Peter

18、s Rome 1546-1564北京国家大剧院 98Velocity Contours:Umax = 15 m/s 作为研究工具的CFD Wind-Tunnel Initial Conditions20 m 2 m1.8 mGrid: 86,000 cells nZ = 1mnZ = 0.8 mnASCE 7-98CnWindtunnel 99 Grid Systems: One and Two Domes18,000 Cells 33,000 Cells 16,400 Cells 43,000 Cells 10012,800 cells Grid Systems: One and Two D

19、omes 101 Hemisphere GridsBoundary layer & Hex Grid Boundary layer & Tet Grid 102 Single Dome Comparisons: Pressure Profiles 103 Single Dome Comparisons: Reynolds Number VariationlReynolds Number = (U H/) = 185,000lReynolds Number = (U H/ ) = 1,440,000Conclusion: No significant difference 104 Double

20、Dome ComparisonsApproach wind at 90o 105 Surface Pressures: Angles 0o, 45o & 90o 106 Cp Contours: numericalCp Contours: experimentalPressure Coefficient Contours: Experimental vs Numerical: Approach wind at 0o 107 作为设计工具的CFD 108 作为设计工具的CFD 109 作为设计工具的CFD 110 作为设计工具的CFD 111 作为设计工具的CFD 112 CFD应用实例 - A

21、utomobile 113 CFD应用实例 - Aerospace 114 CFD应用实例 - ChemicalFurnace Nox Reduction 115 CFD应用实例 Civil EngineeringLower Monumental Dam Forebay 116 CFD应用实例 - Multi-scale CFD applications Eye 10-5m Turbine Blade 10-2m Aircraft Engine 1m Oil Reservoir 103mOcean Flow 105mBinary Stars 1012m 117 l计算方法高精度、高分辨率的计算方法并行算法遗传算法无网格算法 CFD研究范围 118 CFD研究范围l计算物理模型新的湍流模型多相流模型化学非平衡问题太阳风问题 119 CFD研究范围l网格技术网格与流动特征的相容性：对于某些复杂流动问题, 如果使用传统的网格技术, 无限加密网格, 就可能使计算结果失真, 此时就要求有构造与特征相适应的网格, 例如在涡的周围镶嵌锥形网格。分块网格以及混合网格技术：分块网格主要用于处理复杂几何形式, 也用于并行计算。混合网格技术包括矩形网格和非结构网格的混合使用。 120 l应用领域拓展研究生物力学、生物医药航天航空，环境污染多相流动、微型机械流动电子技术高速火车高速船舶CFD研究范围