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计算流体动力学

计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是通过计算机数值计算和图像显示，对包含流体流动和有热传导等相关物理现象的系统所做的分析。是预测流体流动、传热传质、化学反应及其他相关物理现象的一门学科。

 

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CFD的基本思想

CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理场（如速度场和压力场，以及热力场等），用一系列有限个离散点上变量值的集合来代替；并通过一定的原则和规律建立起关于这些离散点上的场变量之间关系，从而组成这些场变量之间关系的代数方程组；然后求解这种代数方程组，来获得这些场变量的近似值^[1-3]；这就是流动的数值计算。或者直观地说，通过数值计算中的各种离散方法，把描述连续流体运动的控制偏微分方程离散成代数方程组，由此建立该流动的数值模型；再根据问题的具体情况，设定边界条件和初始条件封闭方程组；然后通过计算机数值计算求解这种代数方程组，从而获得描述该流场场变量的某些运动参数的数值解。

 

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计算流体力学概述 

计算流体动力学是在经典流体力学、数值计算理论、计算方法，以及计算机科学与技术的基础上建立和发展起来的多学科、多领域交叉的流体力学中的一个新分支；或可以说是一门新学科。它将科学的理论知识与实际工程计算紧密地结合在了一起，是流体机械及流体工程学科和工程领域中目前科学研究与工程计算、分析或设计的高质、高效，短周期、低费用的强有力不可或缺的重要工具。

 

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CFD一般要通过数值方法求解以下的控制方程组

质量守恒方程

动量守恒方程

能量守恒方程

组分守恒方程

体积力

等等

 

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CFD 分析应用阶段

CFD 分析一般应用在以下阶段:

概念设计

产品的详细设计

发现问题

改进设计

 

 

CFD分析是物理试验的补充，但更节省费用和人力

 

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CFD仿真模拟研究过程（步骤）

1.问题定义

1)确定模拟的目的

2)确定计算域

 

2.前处理和求解过程

1)创建代表计算域的几何实体

2)设计并划分网格

3)设置物理问题（物理模型、材料属性、域属性、边界条件 …）

4)定义求解器 （数值格式、收敛控制 …）

5)求解并监控

 

3.后处理过程

1)查看计算结果

2)修订模型

 

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CFD数值模拟、实验、理论分析的关系

理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性和一定准确性，各种影响因素清晰可见，是指导实验研究和验证数值计算方法正确与否及其计算精确度的基础。但是，它往往需要对计算对象进行抽象和简化，且只有对较简单的流动问题才可能得出理论上的解析解；对于复杂的特别是非线性的问题，很难求解。因此，对存在于自然界和实际工程中的流动问题，只有其中的极少数才能给出解析结果。

实验测量方法所得到的实测结果一般真实可信，它是对理论分析和数值计算结果的验证依据。然而，实验往往受到试验条件（如模型尺寸、形状，流场扰动和测量精度等）的影响和限制，有时也很难得到很准确的结果。此外，实验还会遇到人力和物力的巨大耗费而受到经费投入及周期长等许多因素的制约。

CFD方法恰好克服了前面两种方法的弱点，它是在计算机上实现对某一流动系统或某一流动现象的一个特定的计算。这个特定的计算，就是用数值的方法所作的近似计算，即通过数值求解各种简化的或非简化的流体动力学基本方程，以获得流动在各种条件下的状态参数和作用在形成流道的边壁或绕流物上的力或力矩等数据，以及流场的分布与流动的状态等。这种计算就好像在计算机上做一次物理实验。

 

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Fluent软件的应用范围 

Fluent软件可以计算二维和三维流动问题，在计算过程中，网格可以自适应调整。Fluent软件的主要应用范围为： 

1．可压缩与不可压缩流动问题。

2．稳态和瞬态流动问题。

3．无黏流，层流及湍流问题。

4．牛顿流体及非牛顿流体。 

5．对流换热问题(包括自然对流和混合对流)。

6．导热与对流换热耦合问题。

7．辐射换热计算。 

8．惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟。 

9．多层次移动参考系问题，包括动网格界面和计算动子/静子相互干扰问题的混合面等问题。  10、化学组元混合与反应计算，包括燃烧模型和表面凝结反应模型。 

11．一维风扇、热交换器性能计算。

12．两相流问题。 

13．复杂表面问题中带自由面流动的计算。 

简而言之，FLUENT适用于各种复杂外形的可压和不可压流动计算。

 

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fluent 软件优点 

(1 )功能强 ,适用面广。包括各种优化物理模型 ,如 :计算流体流动和热传导模型 (包括自然对流、定常和非定常流动 ,层流 ,湍流 ,紊流 ,不可压缩和可压缩流动 ,周期流 ,旋转流及时间相关流等 ) ;辐射模型 ,相变模型 ,离散相变模型 ,多相流模型及化学组分输运和反应流模型等。对每一种物理问题的流动特点 ,有适合它的数值解法 ,用户可对显式或隐式差分格式进行选择 ,以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。

 

(2 )高效 ,省时。Fluent将不同领域的计算软件组合起来 ,成为CFD计算机软件群 ,软件之间可以方便地进行数值交换 ,并采用统一的前、后处理工具 ,这就省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动 ,而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。

 

(3 )建立了污染物生成模型。包括NOX 和ROX(烟尘 )生成模型。其中NOX 模型能够模拟热力型、快速型、燃料型及由于燃烧系统里回燃导致的NOX的消耗。而ROX 的生成是通过使用两个经验模型进行近似模拟 ,且只使用于紊流

 

(4) 同传统的CFD计算方法相比，稳定性好，FLUENT经过大量算例考核，同实验符合较好

 

(5) 同传统的CFD计算方法相比，适用范围广，FLUENT含有多种传热燃烧模型及多相流模型，可应用于从可压到不可压、从低速到高超音速、从单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎所有与流体相关的领域

 

(6) 同传统的CFD计算方法相比，精度提高，可达二阶精度。

 

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用FLUENT程序求解问题的步骤

利用FLUENT软件求解问题的步骤如下：

1）、创建几何模型和网格摸型；

求解前，必须首先确定求解问题的几何形状，并生成计算网格(用GAMBIT，也可以读入其他指定程序生成的网格)；

2）、输入并检查网格是否符合计算要求；

3）、选择求解器(2D或3D等)及运行环境；

4）、选择求解的方案，即计算模型：层流或湍流（或无粘流），化学组分或化学反应，传热模型等；确定其他需要的模型，如：风扇、热交换器、多孔介质模型，等；

5）、确定流体的材料物性，即是否考虑热交换、粘性和是否存在多相；

6）、设置边界类型及其边界条件；

7）、设置条件计算控制参数，即调整用于控制求解的有关参数；

8）、流场初始化；

9）、求解计算；

10）、对计算结果进行后处理；保存并显示计算和处理后的结果。

如果对计算结果并不满意或有必要的话，需修改网格或计算模型，再重复上述过程和步骤重新计算。

 

 

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