高等流体力学绪论.ppt

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1、流体基本方程的若干数学解张量表述及二阶张量的基本性质流体流动的基本概念 与基本方程湍流现象及湍流研究的基本方程粘性流体流动的数值分析方法课程主要内容离散化方法-导热问题的数值解（基于有限体积法的控制方程的离散）对流与扩散 流场计算CFD软件-CFX高等流体力学高等流体力学 绪绪 论论 计算机为计算流体力学的发展、流体力学中需探索的各种物理现象的研究以及应用计算流体力学解决各类工程实践问题等提供了强有力的物质基础和重要手段。随着计算方法及其相关技术的不断改进，计算流体力学已发展成了一门重要的学科。计算流体力学（CFD）是建立在经典流体力学与数值计算方法基础上的一门新型独立学科，通过计算机数值计算

2、和图像显示的方法，在时间和空间上定量描述流场的数值解，从而达到对物理问题研究的目的。它兼有理论性与实践性的双重特点，建立了许多理论和方法，为现代科学中许多复杂流动与传热问题提供了有效的计算技术 计算流体力学是多种领域的交叉学科，它所涉及的学科有流体力学、偏微分方程的数学理论、数值分析、计算机科学等。它的发展促进了这些学科的进一步发展。高等流体力学要求在本科工程流体力学课程学习的基础上，加深对流体力学的理性认识和理解，掌握流体力学中的思维特点和较综合的分析推理方法。本课程从应用角度讨论计算流体力学的内容以及计算流体软件（CFX）。第一节第一节 计算流体力学与数值模拟计算流体力学与数值模拟（Com

3、putational Fluid Dynamics and Numerical Simulation）任何流体运动的规律都是由以下三个定律为基础的：质量守恒定律 动量守恒定律 能量守恒定律 这些基本定律可由数学方程组来描述，如NS方程 计算流体力学计算流体力学:采用数值计算方法，通过计算机求解这些数学方程，研究流体运动特性，给出流体运动空间定常或非定常流动规律，这样的学科就是计算流体力学。流体力学研究工作的发展流体力学研究工作的发展:168720世纪50年代初1.实验研究实验研究以实验为研究手段2.理论分析方法理论分析方法利用简化的流动模型假设，给出所研究问题的解析解或简化方程。3.计算流体力

4、学计算流体力学 采用数值计算方法，通过计算机求解这些数学方程，研究流体运动特性，给出流体运动空间定常或非定常流动规律。近代CFD（Computational Fluid Dynamics）:在计算机上利用程序作模拟实验，可对温度场、速度场、湿度场、浓度场等各种流场进行分析、计算和预测，用以模拟仿真实际的流体流动情况，除此之外还应用于传热、传质、相变、化学反应等方面。可在相关行业领域中广泛应用，有运行成本低、速度快、效率高、结果能直观显示等优点，而且对于工况发生改变时程序的模拟就更为灵活和方便。促进了实验研究和理论分析方法的发展。将实验研究与理论分析方法联系起来，为简化流动模型的建立提供了更多的

5、依据，使很多简化方法得到了发展和完善。然而更重要的是计算流体力学采用它独有的新的研究方法数值模拟方法研究流体运动的物理特性 第二节第二节 预测方法预测方法流体流动过程的预测可以通过两个主要的方法：1.实验研究实验研究:采用全比例设备进行实验研究，可以预测由它完全复制的同类设备在相同的条件下如何运行,但代价大;缩小比例的模型上做实验。但是由这些实验所得到的结果必须外推到全比例的设备（空间）上，然而进行这种外推工作的一般规律往往是无法得到的，此外，这种缩小尺寸的模型并不总是能模拟实际情况的各方面。比如象模拟建筑火灾，燃烧这样一类重要特征可能在模型中就可能被忽略了，这样就进一步降低了模型试验结果的效

6、能。此外，在许多情况下还存在着测量上的严重困难，何况测量仪表本身还有误差。第二节第二节 预测方法预测方法2.理论计算理论计算 理论的预测是数学模型的结果而不是出自于一个实际的物理模型的结果。对于我们所要研究的物理过程，数学模型主要由一组微分方程组成。采用经典的数学方法来求解这些微分方程，那么对在工程实际中许多感兴趣的现象进行预测，只有相当小的一部分可以得到闭型解。数值方法的发展以及大型数字计算机的采用，使得人们有可能对几乎任何一个实际问题求出数学模型的隐含解。第二节第二节 预测方法预测方法1.成本低成本低：3.资料完备资料完备 2.速度快速度快：4.具有模拟真实条件的能力具有模拟真实条件的能力

7、：.5.具有模拟理想条件的能力具有模拟理想条件的能力：理理论论计计算算优优点点 理论计算的缺点理论计算的缺点:数学模型的适用程度限制着计算的效能。必须注意到，计算机使用者所得到的是与数学模型和数值分析两者都有关的最终结果如果所采用的数学模型不合适，那么，即便是一个完善而又令人满意的数值方法也只能产生毫无价值的结果。实际问题分成两大类是有用的：A 类：这是那些能够用合适的数学模型进行描述的一类 问题(如热传导、层流流动、简单的紊流边界层)。B 类：迄今还无法用合适的数学模型进行描述的一类问题(如复杂的紊流流动、某些非牛顿流体流动、某些两相流动等)第二节第二节 预测方法预测方法第三节第三节 计算流

8、体力学的能力及限制计算流体力学的能力及限制 计算流体力学是采用数值方法直接求解描述流体运动基本规律的非线性数学方程组，通过数值模拟方法研究流体运动的规律。不同于实验研究和理论分析方法。其特点主要有以下几点：1.扩大了研究范围 2.能给出较完整的定量结果 3.数值解总是离散似解第三节第三节 计算流体力学的能力及限制计算流体力学的能力及限制 首先，数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的数值解，并有一定的计算误差；第二，它不像物理模型实验一开始就能给出流动现象并定性地描

9、述，往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参数，并需要对建立的数学模型进行验证；第三，程序的编制及资料的收集、合理与正确利用，在很大程度上依赖于经验与技巧。此外，因数值处理方法等原因有可能导致计算结果的不真实，例如产生数值粘性和频散等伪物理效应。CFD也存在一定的局限性：此外，CFD因涉及大量数值计算，因此，常需要较高的计算机软硬件配置。第四节第四节 数值求解步骤与方法数值求解步骤与方法 CFD预测流动，简单地说就是对描述物理现象的基本方程式(运动方程、质量守恒、能量守恒微分方程)作离散化处理，实现数值解析。离散化处理的对象是作为独立变量的时间、空间变量，所求的对象是其对应的参数，如速度

10、、压力等。其中离散化处理(时间、空间的分割)直接与计算机的能力(计算速度、内存容量)相关。网格分割越细，解析精度也就相对越高。建立数学物理模型在计算区域离散控制微分方程组,变代数方程组直接或经简化后确定边界条件,如风口、壁面等边界条件结合边界条件,迭代求解离散所得代数方程组计算结果处理可视化第四节第四节 数值求解步骤与方法数值求解步骤与方法第四节第四节 数值求解步骤与方法数值求解步骤与方法 经过半个世纪的发展，形成了多种计算流体力学的数值解法。这些方法之间的主要区别在于对控制方程的离散方式。广泛应用的有以下三种解法：有限差分法(Finite Difference Method，FDM)有限元法

11、(Finite Element Method，FEM)有限体积法(Finite Volume Method，FVM)第五节第五节 CFD技术在暖通空调工程中的应用技术在暖通空调工程中的应用CFD可方便有效地应用于如下领域：1)建筑内环境的设计和优化分析；2)建筑外环境的评价分析和自然通风设计；3)特殊空间内环境的分析和设计；4)建筑设备内流体流动和传热的分析和指导设计设备。n气流组织设计是通风空调系统的关键，合理的气流组织可以达到满意的空调效果，并且节省能耗。CFD可以模拟不同气流组织形式，模拟对比不同方案得到合理的气流组织形式。n用CFD方法对建筑外来流风绕流作用下的风环境进行数值模拟，可以

12、解决建筑室外环境的优劣，以及指导自然通风设计。第五节第五节 CFD技术在暖通空调工程中的应用技术在暖通空调工程中的应用nCFD也可以应用于特殊空间的流体流动和传热数值模拟。比如空调客车、飞机座舱的空气分布，借助CFD模拟结果指导和优化其空调系统设计。n设备内的流动和传热也是暖通空调工程领域参见问题，借助CFD可以对风机、冷藏柜、蓄冰槽等建筑设备内的流体流动和传热问题进行数值分析。第五节第五节 CFD技术在暖通空调工程中的应用技术在暖通空调工程中的应用第六节第六节 CFD技术应用于暖通空调领域的缺陷与改进技术应用于暖通空调领域的缺陷与改进CFD的飞速发展的背景：的飞速发展的背景：1）流体数值模拟

13、是基于微观分析问题的，需对非线性方 程联立求解，物理现象复杂，计算量大。普遍存在的问题是收敛性难于保证，精度不高。2）通常工程中的问题较复杂，受影响的因素较多，从而 对问题建立的数学模型求分析解很困难，而数值求解则较容易做到，正是基于这一点CFD才能比别的手段更易描述问题的现象和本质。3）CFD能够较快速的给出“虚拟”实验的结果，一旦结果不理想，就可以在最短的时间内调整设计的参数，再进行模拟，直到得到最好的结果，因此就避免了昂贵的实验费用、缩短了开发周期。第六节第六节 CFD技术应用于暖通空调领域的缺陷与改进技术应用于暖通空调领域的缺陷与改进目前来看，应着重从以下四个方面加以研究改进:1)加强

14、CFD算法方面的理论研究，进一步提高计算精度，至少达到与热负荷计算之类模拟计算相当的精度。2)进一步统一与CFD相关联的数据库，提高使用效率，如加强与CAD数据的连接以提高其通用性。3)通过实测技术对CFD的解析结果进行验证，大力开发CFD软件，完善CFD软件产品。4)从考虑暖通空调的具体特征入手，进一步加强CFD在实际工程应用方面的研究。第六节第六节 CFD技术应用于暖通空调领域的缺陷与改进技术应用于暖通空调领域的缺陷与改进第七节第七节 计算流体力学软件的结构计算流体力学软件的结构1、前处理器：2、求解器：3、后处理器：用于完成前处理工作。前处理环节是向CFD软件输入所求问题的相关数据，该过

15、程一般是借助与求解器相对应的对话框等图形界面来完成的。核心是数值求解方案。常用的数值求解方案包括有限差分、有限元和有限体积法等。后处理的目的是有效地观察和分析流动计算结果。第八节第八节 常用的计算流体力学商用软件常用的计算流体力学商用软件 为了完成数值计算，过去多是用户自己编写计算程序，但由于流动问题的复杂性及计算机软硬件条件的多样性，使得用户各自的应用程序往往缺乏通用性，而流动问题本身又有其鲜明的系统性和规律性，因此，比较适合于被制成通用的商用软件。自1981年以来，出现了如PHOENICS，CFX、STAR-CD、FIDIP、FLUENT等多个商用CFD软件。PHOENlCS特点：1）开放

16、性。可根据需要添加用户程序、用户模型。2）CAD接口。可以读入几乎任何CAD软件的图形文件。3）运动物体功能。利用MOVOBJ，可以定义物体运动。4）多种模型选择。提供了多种湍流模型、多相流模型、多 流体模型、燃烧模型、辐射模型等。5）双重算法选择。既提供了欧拉算法，也提供了基于粒子运动轨迹的拉格朗日算法。6）多模块选择。提供了若干专用模块，用于特定领域的分析计算。如FLAIR用于小区规划设计及高大空间建筑设计模拟，HOTBOX用于电子元器件散热模拟等。CFX1）采用了基于有限元的有限体积法。特点：2）最先使用了大涡模拟(LES)和分离涡模拟（DES）等高级湍流模型。3）第一个发展和使用全隐式

17、多网格耦合求解技术的商业化软件。5）为用户提供了表达式语言(CEL)及用户子程序等不同层次的用户接口程序，允许用户加入自己的特殊物理模型。4）求解器在并行环境下获得了极好的可扩展性。STAR-CD 该软件基于有限体积法，适用于不可压流和可压流(包括跨音速流和超音速流)的计算、热力学的计算及非牛顿流的计算。FIDAP 与其他CFD软件不同的是，该软件完全基于有限元方法。FIDAP可用于求解聚合物、薄膜涂镀、生物医学、半导体晶体生长、冶金、玻璃加工以及其他领域中出现的各种层流和湍流的问题。FLUENT特点：1）是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的CFD软件之一。2）提供了非常灵活的网格特

18、性。3）使用GAMBIT作为前处理软件，它可读入多种CAD软件的三维几何模型和多种CAE软件的网格模型。4）可让用户定义多种边界条件，提供了用户自定义子程序功能。5）可实现动态内存分配及高效数据结构，具有很大的灵活性与很强的处理能力，使用ClientServer结构，它允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序。6）解的计算与显示可以通过交互式的用户界面来完成。FLUENT公司除了FLUENT软件外，还有一些专用的软件包，除了上面提到的基于有限元法的CFD软件FIDAP外，还有专门用于粘弹性和聚合物流动模拟的POLYFLOW，专门用于电子热分析的ICEPAK，专门用于分析搅拌混合的MIXSIM，专门用于通风计算的AIRPAK等。