计算流体力学_CFD_的通用软件_翟建华

第26卷第2期河北科技大学学报Vol.26,No.2 2005年6月Journal of Hebei University of Science and T echnology June2005

文章编号:100821542(2005)022*******

计算流体力学(CFD)的通用软件

翟建华

(河北科技大学国际交流与合作处,河北石家庄050018)

摘要:对化学工程领域中的通用CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟软件Phoenics,Flu2 ent,CFX等的具体特点和应用情况进行了综述,指出了他们各自的结构特点、特有模块、包含的数学模型和成功应用领域;给出了选用CFD软件平台的7项准则,对今后CFD技术的发展进行了预测,指出,今后CFD研究的主要方向将集中在数学模型开发、工程改造和新设备开发及与工艺软件的匹配连用等方面。

关键词:计算流体力学;模拟软件;CFX;FLUENT;PH OENICS

中图分类号:T Q015.9文献标识码:A

Review of commercial CFD software

ZH AI Jian2hua

(Department of Int ernation Exchange and Cooperation,H ebei University of Science and Technology,Shijiazhuang H ebei 050018,China)

Abstr act:The paper summar izes the features and application of the CF D simulation software like Phoenics,F luent and CFX etc in chemical engineering,and discusses their str ucture features,special modules,mathematical models and successful application areas.It also puts forward seven r ules for the good choice of commercial CF D code for the CF D simulation resea rcher s.Based on t he predict ion of the technology development,it points out the possible r esear ch direction for CF D in the future will focus on the development of mathematical model,project transformat ion,new equipment and their matching application with technologi2 cal softwa re.

Key words:CF D;simulation software;CF X;FLUENT;P HOENICS

CFD(Computational Fluid Dynamics)软件是计算流体力学软件的简称,是用来进行流场分析、计算、预测的专用工具。通过CFD模拟,可以分析并且显示流体流动过程中发生的现象,及时预测流体在模拟区域的流动性能,并通过各种参数改变,得到相应过程的最佳设计参数。CFD的数值模拟,能使我们更加深刻地理解问题产生的机理,为实验提供指导,节省以往实验所需的人力、物力和时间,并对实验结果整理和规律发现起到指导作用。随着计算机软硬件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟,出现了基于现有流动理论的商用CFD软件。这使许多不擅长CFD工作的其他专业研究人员能够轻松地进行流体数值计算,从而使研究人员从编制繁杂、重复性的程序中解放出来,以更多的精力投入到研究问题的物理本质、问题提法、边界(初值)条件和计算结果的合理解释等重要方面上,充分发挥商用CFD软件开发人员和其他专业研究人员各自的智力优势,为解决实际工程问题开辟了道路。

CFD研究走过了相当漫长的过程。早期数值模拟阶段,由于缺乏模拟工具,研究者一般根据自身工作性质和研究过程,自行编制模拟程序,其优点是针对性强,对具体问题的解决有一定精度,但是,带来的问题

收稿日期:2004208221;修回日期:2004211221;责任编辑:张军

作者简介:翟建华(19642),男,河北平乡人,教授,主要从事化工CFD、高效传质与分离和精细化工方面的研究。

也非常明显:第一,大家使用的程序语言不尽相同,使得程序运行环境不尽兼容;第二,模拟介质不同,目的各异,从而造成研究者在信息交流上的困难和成果在实际应用推广中的迟缓;第三,由于方程求解和离散方法不同,程序运行速度相差很大,同时由于对问题认识差异,对方程简化处理方法不同,造成同一问题和条件下得到不同计算答案,使人们对CFD 的实用性产生误解和怀疑;第四,由于研究者计算机背景知识差异,造成相同参数的后处理方式不统一,研究结果缺乏可比性,从而失去可靠性;第五,重复研究造成大量时间和财产浪费,比如,在塔板液体流动模拟研究中,采用相同的描述方程,仅由于离散计算和编程缺陷,会得出不同结论,模拟结果不能再现塔板上液体流动的滞流区,从而得出数学方程适应性的差异结论,因而限制了模拟计算技术的发展。因此,以相对完善的商业模拟平台为基础,经二次开发使之适合一个过程的工作应该是CFD 的发展方向。

化学工程的模拟计算始于20世纪90年代后期。以前,虽然人们希望得到并想方设法寻找某些偏微分方程的精确数值解,但限于数值离散方法论和数值计算工具的条件,无法实现这一目的。我们知道,描写化工过程的传质、传热、动量传递方程都是高阶非线性偏微分方程,要想得到精确解十分困难,需要若干边界条件方程和辅助方程对主体方程组加以限制和封闭,需要功能强大的计算机储存和计算。因此,大家几乎都是利用有限简化方法进行数学方程代数离散化,并辅以计算精度限制,进而求解得到一定意义上的数值解。在此背景下,CFD 通用软件包的出现成了必然。

1 常用CFD 通用软件结构

计算流体力学商业软件包括以下几个模块:几何模型建立(CFD 2build)与网格生成模块、前处理模块(Pre 2processor)、核心处理模块(CFD 2solver)、后处理模块(Post 2processor)、软件使用教程及软件说明(T u 2torial and Menu)。几何模型建立及网格生成是由使用者本人根据研究的具体问题建立的相应二维或三维模拟模型,然后再按其外形结构和具体过程特点进行数学网格化处理并生成CFD 计算网格文件(几何文件)的过程,它是CFD 模拟计算的工作基础。一般地,CFD 软件平台都可以实现与CAD 的对接,以增强其处理复杂几何形状问题的能力。

前处理模块(CFD 2Pre)主要是提供模拟过程基础平台及计算环境,与几何文件(mashing file)连接,建立具体问题的流体进出口边界及其边界条件,提供模拟介质的特性参数及数据库等。CFD 的核心部分(CFD 2solver)包括整个/软件包0功能下的所有可能的数学模型,向使用者提供由所研究问题性质决定的相应数学模型,同时提供使用者自编程接口程序和接口命令;该模块的另一功能是向使用者提供模拟过程数学方程的计算方法、数学离散方法、收敛方法和准则,进而形成模拟命令程序(Command File)。后处理模块(CFD 2post)向使用者提供模拟运算数据的存储、交换导出和各种参数图,并与基本图形处理工具(Graphical View and Plotting)实行连接,是模拟计算结果处理好坏的重要环节,可以为使用者提供模拟几何模型上不同位置的参数分布图,并可以打印输出。

使用教程及说明(Tutorial and Menu)主要向初学者提供具体的计算范例和使用说明、技巧以及使用时的适时帮助。总的来说,CFD 模拟软件使用方便与否,主要取决于软件人机交互使用的方便程度和上述几个模块过程的完善性,重要环节就是数学模型及模型参数的实用性。

就CFD 本质来讲,流体动力学是建立能准确描述具体流动过程的数学微分方程组,依据模拟几何模型和流动过程特点给予相应的边界条件,最后,将上述方程组联立求解得出一定精度模拟结果。计算机的应用仅是快速准确实现上述目的的手段,真正技术核心是如何将高阶偏微分方程科学离散化,如何确定离散单元,如何使计算过程快速收敛。在不稳定流体流动和湍流规律研究成果基础上,利用有限体积的理念,解决了无数流动分子与流体整体特征之间的联系关系,使上述过程成为现实。

2 CFD 商业软件的基本选用原则

化学工程实际过程中,目前常用软件平台有Phoenics,FLUENT ,CFX 等3种。它们各有其特点和相应的最佳应用领域,实际过程中,使用者要依据研究问题的具体情况选择模拟平台。笔者认为,合理选用CFD 软件是模拟成功的前提,CFD 通用商业软件的选用原则应有以下几方面。

1)条件原则 充分考虑自身现有的软件工作环境,在合理物理模型前提下,首选现有软件,做到不盲目、161 第2期 翟建华 计算流体力学(CF D )的通用软件

讲实效。

2)实用原则从具体问题出发,选择的模拟软件要包括相应的数学模型,依据问题的复杂程度,不盲目追求模型的复杂程度和精确度,以实用为模型选用准则。

3)计算机原则充分利用现有计算机条件,内存够用为限。计算流体力学对计算机的基本要求:一是计算速度(CPU);二是随机内存空间(RAM)。一般地,要求计算机内存在512M,CPU在1.7G以上即可。

4)行业原则要充分借鉴前人研究成果,尽可能与前人研究具有可比性,相似性。特别是具有特殊性的某些飞行器、运动器的研究。同时,选择适当的数据处理与导出方式,以形成相似或类似的图表格式,便于比较对照。

5)匹配原则建立几何模型要考虑模型的复杂程度,尽可能与实际物体一致,又有升华提高,做到模拟计算与几何模型生成方法合理匹配;几何模型网格划分疏密程度与计算机内存合理匹配;几何模型与边界条件合理匹配;物理模型与模拟软件合理匹配。合理建立几何模型对达到模拟精度要求起决定作用。

6)计算精度原则不要特意追求模拟计算精度,一般地,以满足工程实际要求为易,不过分追求高精度,收敛准则要适当。否则,计算很难收敛,时间和费用花费将很高。

7)阶段原则模拟计算不是万能的,不可能解决所有问题,要分阶段工作。比如,以简单平台和模型取得计算初值,然后,进行精确模拟,从而节约时间,保证计算稳定性和收敛性。

3几种通用CFD软件

这些CFD软件功能强大,应用广泛。在航天航空、环境污染、生物医学、电子技术等各个领域发挥了巨大作用,世界上有越来越多的工程师更倾向于使用这些软件来完成自己的设计。根据不同行业特点及具体情况,中国使用较多的CFD软件主要有:Spalding开发的Phoenics[1],Gosman[2]开发的TEACH和FLOW3D,美国Crear e公司开发的FLU EN T1和英国AEA Technology,H arwell,UK开发的CFXo;日本公司开发的Star2CD[3]及布鲁塞尔大学和瑞典航空研究所共同开发的NUMECA(FINE)[4];中国也有相应的模拟计算程序,主要有TEAM,FACI[5]和DTFS[6]等计算程序。其中较为常用的CFD模拟软件有Phoenics,CFX和FLUENT。

3.1Phoenics软件

Phoenics软件包是流行较早的商业化工模拟软件,自1997年在中国推广使用以来,以其低廉价格和代理商成功的商业运做模式,在中国高校和研究单位得到了很好推广。其特点是计算能力强、模型简单、速度快,便于模拟前期的参数初值估算,以低速热流输运现象为主要模拟对象,尤其适用于单相模拟和管道流动计算。其包含有一定数量的湍流模型、多相流模型、化学反应模型。如将层流和湍流分别假设成两种流体的双流体模型MFM?,适用于狭小空间(如计算机模块间)的流动与传热摸型LVEL,用于暖通空调计算的专用模块FLAIR等。不足之处在于:计算模型较少,尤其是两相流模型,不适用于两相错流流动计算;所形成的模型网格要求正交贴体(可以使用非正交网格但易导致计算发散);使用迎风一阶差分求值格式进行数值计算,不适合于精馏设备的模拟计算;以压力矫正法为基本解法,因而不适合高速可压缩流体的流动模拟;此外,它的后处理设计尚不完善,软件的功能总量少于其他软件。其最大优点是对计算机内存、运算速度等指标要求相对较低。其边界条件以源项形式表现于方程组中是它的一大特点。该软件的最新版本默认使用QUICK(Quadratic U pwind Interpolation for Convection Kinetic Scheme)[7]数值求解格式;软件推荐选用格式为SMART和H QU ICK数值求解。文献[4]曾使用该软件包对大型板式塔进行模拟,从结果看,模拟没有很好地反映塔板上液体流动速度的大小及方向。由于缺乏使用群体和版本更新速度慢,以及其他新兴软件的不断涌现,使得其实际应用受到很大限制,目前,应用较少,此处不再赘述。

3.2FLUENT软件

FLUENT于1998年进入中国市场,据报道[8]它的世界市场占有率为40%,是应用较广的软件之一。162河北科技大学学报2005年

1o?Creare ltd Fluent V3.02[M].N ew H ampshire,(USA),1987.

CFXV5.0:AE A T echnology E ngineeing Software Plc,H arwell,U K,2000.

SPALDING B,ZH UBRIn S.MFM Sim ulation of flows near walls,PHOENICS/POLIS/LECT URE/MFM[Z].

在中国的使用具有一定应用范围和影响力,尤其是用于汽车外形阻力及动力计算和造型优化计算方面较为成功。针对不同应用领域,FLU ENT 开发了某些专用模块,如化工搅拌器模拟计算模块(MIXSIM)、暖通空调模块(AIRPAK)等使其应用范围得到了一定推广。软件设有SIMPLE,SIMPLER,PISO 等压力矫正法,供使用者选用。笔者认为,当用于化学工程的多相错流模拟时,要十分谨慎。早期版本V4.3主要侧重于数学模拟计算,模型也较多,依据实际问题要求,使用者可以自行设计和选择软件组合方式、模型及边界条件进行计算组合并实现与主体计算程序的链接。缺点是:人机交互性较差,计算中,需要使用者输入的选择操作较多,计算机使用界面操作不便,后处理功能效果不佳。其最大优势是强大的前处理程序模块Gambit,使得建立几何模型、网格化处理等非常方便,特别适合于外形复杂的CFD 模拟过程。这是该版本在中国得到广泛应用的主要因素之一。

新版本V5.5在原平台基础上,对原有缺陷进行了有效改进。中心模块以数学模型为依托,实现了既定的预先模拟组合,减少了模型参数和人为输入环节,界面更加友好方便;另外,其后处理能力效仿CFX 得到了加强。但该版本数学模拟方程较少,因此,限制了此版本的单独推广应用。实践证明,如果将2个版本结合使用,能使FLUEN T 发挥最好效果。该软件的最大特点是具有专门几何模型制作软件Gambit 模块,并可以与CAD 连接使用,同时备有很多附加条件和附加方程添加接口,使用了目前较先进的离散技术和计算精度控制技术,如多层网格法、快速收敛准则以及光滑残差法等,数学模型的离散化和软件计算方法处理较为得当。

实际应用中发现,该软件在模拟单相流动或进出口同向或反向流动时,可以得到较好的模拟计算结果,且具有一定的计算精度。但其缺乏较好的适用于精馏塔模拟计算的多相流体数学模型,在处理诸如精馏塔板上错流流体模拟计算时,很难得到收敛结果,模拟效果不尽如人意。

图1 单个方程计算法简图Fig.1 Sketch of the segregated solut ion method

FLUENT 软件包主要具有常用的6种湍流数学模型、辐

射数学模型、化学物质反应和传递流动模型、污染物质形成模

型、相变模型、离散相模型、多相模型、流团移动模型、多孔介

质、多孔泵模型等。提供了2种数值计算方法,它们是单个方

程计算(Segregate Solver )方法和多方程计算(Coupled Sol 2

ver)方法,见图1,图2。

3.3 CFX 软件

CFX 软件是CFD 领域的重要软件平台之一,在欧洲使用

广泛。1995年进入中国市场,目前应用较为广泛。该软件主

要由3部分组成:Build,Solver 和Analyse 。Build 主要是要求

操作者建立问题的几何模型,与FLUENT 不同的是,CFX 软

件的前期处理模块与主体软件合二为一,并可以实现与CAD

图2 多方程联解法简图Fig.2 Sketch of the coupled solution method 建立接口,功能非常强劲,网格生成器适用于复杂外形

的模拟计算。Solver 主要是建立模拟程序,在给定边界

条件下,求解方程;Analyse 是后处理分析,对计算结果

进行各种图形、表格和色彩图形处理。该平台的最大特

点是具有强大的前处理和后处理功能以及结果导出能

力,具有较多的数学模型,比较适合于化工过程的模拟

计算。

较新版本是CFX5(Version5.6),是在原来

CFX4.3基础上发展的,增加了几何模型设计功能和网

格适用技术,使模型建立、网格生成、边界条件建立更方便;它同时包括结构网格(Structured Mesh)、非结构网格(Unstructured Mesh)和复合网格(H ybrid Grid),采用计算松弛技术和压力修正技术,先进的多方程联解法(Couple Solver)使得模拟计算更可靠、快速准确;采用了完整的菜单交互操作和完整的模拟定义构成、模拟计算与分析、结果处理系统,使得CFX 更直观,更方便;完善的在线帮助体系使得使用者更得心应手。在图形建立方面不仅可以与FLUENT 媲美,且在数学模型上、新的收敛和模拟计算上都有了新的突破。CFX5.6包括以下几方面:CFX 2Build,CFX 2Solver and 163 第2期 翟建华 计算流体力学(CF D )的通用软件

164河北科技大学学报2005年

Solver Manger,CFX25Feature T utorials,CFX2Visualise and Reference Manuals.

CFX包括的主要数学模型有零方程模型(zer o equation),K2Epsilon Equation,RNG K2Epsilon Model, Reynolds Stress Model等,具体为真实气体和截面间质量传递模型(real gas and interphase mass transfer model);稳定及非稳定湍流模型(steady2state and transient flow);层流和湍流模型(laminar and turbulent flow);传热模型和辐射模型(heat tr ansfer and thermal radiation);浮力流动(buoyancy condition);非牛顿流体流动(non2Newtonian flows);燃烧模型(combustion);化学反应模型(chemical reaction r elated);多相流模型(multiple phases flows);多孔介质模型(flows in multiple frames and reference);拉格朗日粒子流动模型(Lagr angian par ticle tracking)等。特别地,在管道流动和两种流体并流流动条件下,其模拟结果与实际操作吻合良好,并得到了实际应用和验证。

CFX提供有以下几种多相流模型:多相流模型(multi2field model);均质流动模型(homogeneous modl);MUSIG Model;代数滑移模型(algebraic slip model)。与FLUENT不同的是,它没有VOF模型。CFX的多相模拟模型适用条件为1)流体不可压缩或微压缩;2)无热辐射;3)各湍流过程中,流体使用相同的湍流模型进行模拟等;

MU SIG(Multiple2Size Group)模型既考虑了分散相的分布和尺寸,又考虑了气泡的分裂和聚合,非常适合化学工程领域的数学模拟。但其缺点是需要较大的计算空间和内存,一般的计算机不能运行或得不到精确的收敛结果。在凝固(solidification)模型中,可用于铸造金属熔液的流动模拟。其多相流是指在模拟区域内,存在有一种以上流体的情况,每相流体具有自身的流动范围,譬如液滴在空气内流动,气泡在液体中上升,水蒸汽在锅炉内生成,油-气-水在油井内的流动等。也可模拟固体粒子在气体或液体内的输送,其模拟方法通常使用拉格郎日(Lagrangian)法。特别是在模拟大量粒子输送时,拉氏方法非常适用[9]。CFX把所有相都看成具有同一个压力场,直觉上出口处的相界面很难确定,通常要采用平均质量流速及分率来区分。

从上面列举的例子可以看出,CFD所讲的/相0与热力学上讲的/相0含义不尽相同,具有更广泛的意义。另外,多相流一定要与多组分流动区别开。多组分流动指相混合的物质以分子级进行混合,其内部的速度、温度、浓度分布以及物质传递取决于其浓度差大小。而多相流动是指物质混合尺寸大于分子级,各相都有自身的流动场,具有不同的流速,相间的相互作用通过相间传递完成。

CFX提供了强大的计算结果处理和输出功能,它包括CFX2V isualise,CFX2View,CFX2Linegr aph, CFX2Analyse等4部分内容,几乎可以输出计算的各种参数的模拟曲线、图形,可以任意对计算域中的各方位、各剖面进行计算参数的图形展示,非常方便快捷。同时,还可以动画处理计算参数。关于CFX的各种模型、具体适用场合、其他细节可参阅CFX使用说明书[4]。

4CFD今后的研究方向

笔者认为,今后CFD在化学工程领域的主要研究方向将集中在以下几方面。

1)利用CFD技术解决具体生产过程中的工程实际问题,创建高效、清洁的生产工艺和设备。

2)CFD技术与化工工艺计算模拟软件譬如Pro2,H ysis或者Aspen等平台的有效结合,使整个过程更具效率性。

3)目前塔板上流体流场模拟与塔板效率计算的有效结合,这一领域的研究今后将加大力度,相信在不久将来会有所突破。

4)CFD技术与新设备、新工艺的开发相结合,创新工艺设备。

5)基础理论研究将主要集中在:针对具体过程建立新型有效的数学模型;进一步完善模拟方程的新算法;减少CFD对计算内存的需要量,提高计算速度;建立新的差分格式,完善几何模型非正交网格和复合网格的生成与计算收敛;物理分析与数值模拟相结合,建立完善的边界条件格式;两相流模型及交错流型的模拟等。

6)解决实验室成果向产业化过度的瓶颈问题。

7)今后,模型建设的主要依据将为/三传一反+X0,X表示将来出现的内涵和学识基础[10]。其中,急需解决的问题是精确的模拟计算中过程参数确定,复杂和混合网格快速生成及计算收敛技术,新型数学模型的

研发等方面。

5 结束语

1)对目前流行的CFD 模拟平台分别进行了概述,指出了它们各自的特点、适宜的应用领域和应注意的问题。

2)CFD 技术开发需要诸如工程学、物理学、数学、计算机科学、CAD 技术、图象处理技术、现代流场实验测试技术等多学科的人材进行交融合作。

3)完善的前处理程序和几何模型建立对成功模拟至关重要;网格生成过程和复合网格技术应用可以推动CFD 技术的快速发展。可以预见不久将来CFD 技术作为一个学科得到快速发展。

4)没有万能软件。选择模拟软件要考虑具体问题的实际需要和特点,除了与研究者使用经验有关外,还与研究者目前能得到的平台有关。

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时报社,2002.

(上接第132页)

4 结 论

单独喷丸处理促进了1Cr18Ni9T i 合金表面氧化铬的形成,但由于其附着性不好,使得合金的抗氧化性能提高效果不明显。400e 退火处理使经喷丸处理的试样表面层的压应力得到了释放,提高了氧化膜的抗剥落性能。退火处理可起到低温预氧化的效果,合金表面优先形成氧化铁膜,氧化膜下氧压下降并且铬含量相对提高,有利于合金表面发生选择性氧化形成保护性氧化铬膜。因此,经过喷丸及退火处理后,合金的抗高温氧化性能得到了显著提高。

参考文献:

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第七 章 CFD仿真模拟

第七章CFD仿真模拟 一．初识CFD CFD是英文Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称。它是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。简单地说，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。而其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。 1933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。1974年，丹麦的Nielsen首次将CFD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。之后短短的20多年内，CFD技术在暖通空调工程中的研究和应用进行得如火如荼。如今，CFD技术逐渐成为广大空调工程师和建筑师解决分析工程问题的有力工具。 二．为什么用CFD CFD是一种模拟仿真技术，在暖通空调工程中的应用主要在于模拟预测室内外或设备内的空气或其他工质流体的流动情况。以预测室内空气分布为例，目前在暖通空调工程中采用的方法主要有四种：射流公式，Zonal model，CFD以及模型实验。 由于建筑空间越来越向复杂化、多样化和大型化发展，实际空调通风房间的气流组织形式变化多样，而传统的射流理论分析方法采用的是基于某些标准或理想条件理论分析或试验得到的射流公式对空调送风口射流的轴心速度和温度、射流轨迹等进行预测，势必会带来较大的误差。并且，射流分析方法只能给出室内的一些集总参数性的信息，不能给出设计人员所需的详细资料，无法满足设计者详细了解室内空气分布情况的要求； Zonal model是将房间划分为一些有限的宏观区域，认为区域内的相关参数如温度、浓度相等，而区域间存在热质交换，通过建立质量和能量守恒方程并充分考虑了区域间压差和流动的关系来研究房间内的温度分布以及流动情况，因此模拟得到的实际上还只是一种相对"精确"的集总结果，且在机械通风中的应用还存在较多问题； 模型实验虽然能够得到设计人员所需要的各种数据，但需要较长的实验周期和昂贵的实验费用，搭建实验模型耗资很大，有文献指出单个实验通常耗资3000～20000美元，而对于不同的条件，可能还需要多个实验，耗资更多，周期也长达数月以上，难于在工程设计中广泛采用。 另一方面，CFD具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点，故其逐渐受到人们的青睐。由表1给出的四种室内空气分布预测方法的对比可见，就目前的三种理论预测室内空气分布的方法而言，CFD方法确实具有不可比拟的优点，且由于当前计算机技术的发展，CFD方法的计算周期和成本完全可以为工程应用所接受。尽管CFD方法还存在可靠性和对实际问题的可算性等问题，但这些问题已经逐步得到发展和解决。因此，CFD方法可应用于对室内空气分布情况进行模拟和预测，从而得到房间内速度、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细分布情况。 进一步而言，对于室外空气流动以及其它设备内的流体流动的模拟预测，一般只有模型实验或CFD方法适用。表1的比较同样表明了CFD方法比模型实验的优越性。故此，CFD方法可作为解决暖通空调工程的流动和传热传质问题的强有力工具而推广应用。 表1四种暖通空调房间空气分布的预测方法比较 比较项目 1射流公式 2 ZONAL MODEL 3CFD 4模型实验 房间形状复杂程度简单较复杂基本不限基本不限 ?对经验参数的依赖性几乎完全很依赖一些不依赖

高等流体力学重点

1．流体的连续介质模型：研究流体的宏观运动，在远远大于分子运动尺度的范围里考察流体运动，而不考虑个别分子的行为，因此我们可以把流体视为连续介质。 它有如下性质： （1）流体是连续分布的物质，它可以无限分割为具有均布质量的宏观微元体。 （2）不发生化学反应和离解等非平衡热力学过程的运动流体中，微元体内流体状态服 从热力学关系 （3）除了特殊面外，流体的力学和热力学状态参数在时空中是连续分布的，并且通常 认为是无限可微的 2．应力：有限体的微元面积上单位面积的表面力称为表面力的局部强度，又称为应力，定义如下：=n T A F A δδδlim 0→ 3．流体的界面性质：微元界面两侧的流体的速度和温度相等，应力向量的大小相等.方向相反或应力分量相等。 4．流体具有易流行和压缩性。 5．应力张量具有对称性。 6．欧拉描述法：在任意指定的时间逐点描绘当地的运动特征量（如速度、加速度）及其它的物理量的分布（如压力、密度等）。 7．拉格朗日描述法：从某个时刻开始跟踪质点的位置、速度、加速度和物理参数的变化，这种方法是离散质点的运动描述法称为拉格朗日描述法。 8.流线：速度场的向量线，该曲线上的任意一点的切向量与当地的的速度向量重合。 迹线：流体质点点的运动迹象。 差别：迹线是同一质点在不同时刻的位移曲线。 流线是同一时刻、不同质点连接起来的速度场向量线。 流线微分方程：ω dz v dy u dx == 迹线微分方程：t x U i i ??= 9．质点加速度：质点速度向量随时间的变化率。 U U t U a )(??+??= 质点加速度=速度的局部导数+速度的迁移导数。 物理量的质点导数=物理量的局部导数+物理量的对流导数。

一维CFD模拟仿真设计

CFD simulation in Laval nozzle SIAE 090441313 Abstract We aim to simulate the quasi one dimension flow in the Laval nozzle based on CFD computation in this paper .We consider the change of the temperature ,the pressure ,the density and the speed of the flow to study the flow.The analytic solution of the flow in the Laval nozzle is provided when the input velocity is supersonic.We use the Mac-Cormack Explicit Difference Scheme to slove the question. Key words :Laval nozzle ,CFD,throat narrow. Contents Abstract .................................................. . (1) Introduction .............................................. .. (2) Simulation of one-dimensional steady flow (3)

Basis equations ................................................. (3) Dimensionless .......................................... . (10) Mac -Cormack Explicit Difference Scheme (11) Boundary conditions ................................................ (13) Reference .............................................. (13) Annex .................................................. .. (14) Introduction Laval nozzle is the most commonly used components of rocket engines and aero-engine, constituted by two tapered tube, one shrink tube, another expansion tube. Laval nozzle is an important part of the thrust chamber. The first half of the nozzle from large to small contraction to a narrow throat to the middle. Narrow throat and then expand

计算流体力学软件CFD在燃烧器设计中的应用探讨

计算流体力学软件CFD在燃烧器设计中的应用探讨[摘要]本文通过对目前燃烧器的现状与技术发展的研究，探讨计算流体力学 软件CFD在燃烧器设计中应用的必要性和可行性，以CFD(计算流体力学)软件为工具，以普通大气式燃烧器为研究对象，采用实验和理论相结合的方法，充分利用现代计算机技术，达到降低燃烧器设计成本和研制费用的目的。 [关键词]燃烧器数值模拟计算流体力学 一、燃烧器的发展现状 1.部分预混式燃烧器的产生及其原理 燃烧的方法被分为扩散式燃烧、部分预混式燃烧和完全预混式燃烧。扩散式燃烧易产生不完全燃烧产物，燃烧温度很低，并未充分利用燃气的能量；而一旦预先混入一部分空气后火焰就会变的清洁，燃烧温度也可以提高，燃烧较充分。完全预混燃烧（无焰燃烧）要求事先按照化学当量比将燃气和空气均匀混合（实际应用中空气系数要大于1），燃烧充分，火焰温度很高，但稳定性较差，易回火。所以民用燃具多采用部分预混式燃烧。 1855年工程师本生发明了一种燃烧器，能从周围大气中吸入一些空气和燃气预混，在燃烧时形成不发光的蓝色火焰，这就是实验室常用的本生灯（单火孔燃烧器）。这种燃烧技术就被称作部分预混式燃烧。 本生灯燃烧所产生的火焰为部分预混层流火焰（俗称本生火焰）。它由内焰，外焰及燃烧区域外围肉眼看不见的高温区组成。火焰一般呈锥体状。燃气—空气的混合气体先在内锥燃烧，中间产物及未燃尽的部分便从锥内向外流出，且混合气体出流的速度与内锥表面火焰向内传播速度相互平衡，此外便形成一个稳定的焰面，呈蓝色。而未燃烧尽的混合气体残余物继续与大气中的空气进行二次混合燃烧，形成火焰外锥。如图1所示，完成燃烧后产生高温co2和水进而在外焰的外侧形成外焰膜（肉眼看不见的高温层）: 图1. 本生灯示意图 如果混合气流是处于层流状态，则外焰面呈较光滑的锥形；如果处于紊流状态，则外焰面产生褶皱，直至产生强烈扰动，气团不断飞散、燃尽。

CFD仿真验证及有效性指南

CFD仿真验证及有效性指南 摘要 本文提出评估CFD建模和仿真可信性的指导方法。评估可信度的两个主要原则是：验证和有效。验证，即确定计算模拟是否准确表现概念模型的过程，但不要求仿真和现实世界相关联。有效，即确定计算模拟是否表现真实世界的过程。本文定义一些重要术语，讨论基本概念，并指定进行CFD仿真验证和有效的一般程序。本文目的在于提供验证和有效的重要问题和概念的基础，因为一些尚未解决的重要问题，本文不建议作为该领域的标准。希望该指南通过建立验证和有效的共同术语和方法，以助于CFD仿真的研究、发展和使用。这些术语和方法也可用于其他工程和科学学科。 前言 现在，使用计算机模拟流体的流动过程，用于设计，研究和工程系统的运行，并确定这些系统在不同工况下的性能。CFD模拟也用于提高对流体物理和化学性质的理解，如湍流和燃烧，有助于天气预报和海洋。虽然CFD模拟广泛用于工业、政府和学术界，但目前评估其可信度的方法还很少。这些指导原则基于以下概念，没有适用于所有CFD模拟的固定的可信度和精确度。模拟所需的精确度取决于模拟的目的。 建立可信度的两个主要原则是验证和有效（V&V）。这里定义，验证即确定模型能准确表现设计者概念模型的描述和模型解决方案的过程，有效即确定预期模型对现实世界表现的准确度的过程。该定义表明，V&V的定义还在变动，还没有一个明确的最终定义。通常完成或充分由实际问题决定，如预算限制和模型的预期用途。复合建模和计算模拟没有任何包括准确性的证明，如在数学分析方面的发展。V&V的定义也强调准确度的评价，一般在验证过程中，准确度以对简化模型问题的基准解决方法符合性确定；有效性时，准确度以对实验数据即现实的符合性确定。 通常，不确定性和误差可视为与建模和仿真准确度相关的正常损失。不确定性，即在任一建模过程中由于缺乏知识导致的潜在缺陷。知识缺乏通常是由对物理特性或参数的不完全了解造成的，如对涡轮叶片表面粗糙度分布的不充分描述。知识缺乏的另一个原因是物理过程的复杂性，如湍流燃烧。误差即在建模和

计算流体力学教案

计算流体力学教案 Teaching plan of computational fluid mechanics

计算流体力学教案 前言：本文档根据题材书写内容要求展开，具有实践指导意义，适用于组织或个人。便于学习和使用，本文档下载后内容可按需编辑修改及打印。 一、流体地基本特征 1.物质地三态 在地球上，物质存在地主要形式有：固体、液体和气体。 流体和固体地区别:从力学分析地意义上看，在于它们对外力抵抗地能力不同。 固体：既能承受压力，也能承受拉力与抵抗拉伸变形。 流体：只能承受压力，一般不能承受拉力与抵抗拉伸变形。 液体和气体地区别：气体易于压缩；而液体难于压缩； 液体有一定地体积，存在一个自由液面；气体能充满任意形状地容器，无一定地体积，不存在自由液面。 液体和气体地共同点：两者均具有易流动性，即在任何 微小切应力作用下都会发生变形或流动，故二者统称为流体。 2.流体地连续介质模型

微观：流体是由大量做无规则运动地分子组成地，分子之间存在空隙，但在标准状况下，1cm3液体中含有3.3×1022个左右地分子，相邻分子间地距离约为3.1×10-8cm。1cm3气体中含有2.7×1019个左右地分子，相邻分子间地距离约为3.2×10-7cm。 宏观：考虑宏观特性，在流动空间和时间上所采用地一切特征尺度和特征时间都比分子距离和分子碰撞时间大得多。 （1）概念 连续介质（continuum/continuous medium）：质点连续充满所占空间地流体或固体。 连续介质模型（continuum continuous medium model）：把流体视为没有间隙地充满它所占据地整个空间地一种连续介质，且其所有地物理量都是空间坐标和时间地连续函数地一种假设模型：u =u（t,x,y,z）。 （2）优点 排除了分子运动地复杂性。物理量作为时空连续函数，则可以利用连续函数这一数学工具来研究问题。 3.流体地分类

车流量仿真分析-Flotran CFD

2006年用户年会论文 基于ANSYS流体动力学的车流量仿真分析1 [刘长虹，郑杰,朱晓华，张海波，黄虎，陈力华] [上海工程技术大学汽车工程学院，上海，201600] [ 摘要 ] 将交通流比拟为管道流体模型并且利用有限元分析软件ANSYS中的FLOTRAN CFD流体分析模块对隧道口交通流进行比拟及仿真，得出相应交通流量模型和车辆流动模拟图。并对不同车速下 交叉道口的通行能力进行模拟，确定出最佳车速比。且对不同入口形状进行车流通畅度的 ANSYA软件比较模拟，通过模拟直观的展示出不同道路入口形状对车流和道路的影响。最后对 高峰路段路口设计提出有关建议。 [ 关键词]交通流，交通流模型，ANSYS，模拟 Simulating to Traffic Flux By the ANSYS Fluid Dynamic Analysis [Liu Changhong, Zheng Jie, Zhu Xiaohua, Zhang Haibo, Huang Hu, Chen Lihua] [Automobile College Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201600] [Abstract ] Firstly, based on the fluid dynamic mechanics of channel, a traffic flow model is built. Secondly, the traffic flow model on cross road is simulated with the finite element method software (ANSYS). Then according to the calculating results, the simulating traffic ability at the entrance of the roadl in different speed and the different entrance figures are calculated directly. Finally, some suggestions of designing the heavy road are given. [ Keyword ] traffic flow, traffic flow simulation, ANSYS, Simulation. 1.前言 当前，社会经济的迅速发展与交通建设的相对滞后，已经构成非常突出的世界性矛盾，在发展中国家尤其突出。在我国许多大城市中，交通堵塞，事故频繁，成了众所周知的“都市顽症”。以上海市为例，上世纪九十年代的资料表明，在交通高峰期，市中心机动车平均车速不到15km/h，最低的车速仅仅为4km/h，即低于正常的步行速度。解决这个矛盾的一个重要办法是大力进行市政交通建设，实现交通的立体化，现代化。同时还要保证建设道路的合理性。交通流理论是解决这类方法的一种理论方法[1,2]，其中有根据流体动力学理 1上海市教委基金项目(041NE31)和上海市科委基金项目(04QMX1452)资助

计算流体力学软件Fluent在烟气脱硫中的应用

计算流体力学软件Fluent在烟气脱硫中的应用 ０引言 污染最为有效的方法之一，而石灰石—石膏湿烟气脱硫是目前能大规模控制燃煤造成ＳＯ ２ 法脱硫技术以其脱硫效率高、吸收剂来源丰富、成本低廉、技术成熟和运行可靠等优点获得广泛应用．从气液两相流体力学和化学反应动力学的观点看，脱硫吸收塔内流体流动的目的是强化气液两相的混合和质量传递、延长气液两相在塔内的接触时间、增大气液两相的接触面积并尽量减小吸收塔的阻力．合理的塔内流场分布对提高脱硫效率、降低脱硫投资和运行成本都具有重要意义． 目前，国内外对烟气脱硫吸收塔进行大量研究，主要采用实验方法，如研究塔的阻力特性、液滴运动速度沿塔高变化和ＴＣＡ塔内温度场分布等，这些研究对指导工业应用具有重要意义，但其结果往往只针对特定的设备或结构，具有较大的局限性．随着计算机技术的迅速发展，计算流体力学（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃ，ＣＦＤ）已成为研究三维流动的重要方法：周山明等［４］利用ＦＬＵＥＮＴ计算空塔和喷淋状态下的塔热态流场，结果表明脱硫吸收塔入口处流场变化最剧烈、压降损失最大，并根据计算结果改造来流烟道；孙克勤等采用混合网格和随机颗粒生成模型对烟气脱硫吸收塔的热态流场进行数值模拟；郭瑞堂等采用ＦＬＵＥＮＴ结合非稳态反应传质－反应理论对湿法脱硫液柱冲的吸收进行数值模拟． 击塔内的流场和ＳＯ ２ 本文尝试应用ＦＬＵＥＮＴ对某脱硫吸收塔内烟气脱硫过程进行初步数值模拟，通过对内部流场进行分析验证本文模拟的合理性，进而对脱硫过程中脱硫吸收塔内是否存在湿壁现象进行深入分析研究． １基于ＲＡＮＳ求解器的ＣＦＤ数值模拟 方法 １．１控制方程 时均的不可压缩连续性方程和Ｎ Ｓ方程 （ＲＡＮＳ方程）如下： １．２湍流模型和多相流模型

计算流体力学_CFD_的通用软件_翟建华

第26卷第2期河北科技大学学报Vol.26,No.2 2005年6月Journal of Hebei University of Science and T echnology June2005 文章编号:100821542(2005)022******* 计算流体力学(CFD)的通用软件 翟建华 (河北科技大学国际交流与合作处,河北石家庄050018) 摘要:对化学工程领域中的通用CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟软件Phoenics,Flu2 ent,CFX等的具体特点和应用情况进行了综述,指出了他们各自的结构特点、特有模块、包含的数学模型和成功应用领域;给出了选用CFD软件平台的7项准则,对今后CFD技术的发展进行了预测,指出,今后CFD研究的主要方向将集中在数学模型开发、工程改造和新设备开发及与工艺软件的匹配连用等方面。 关键词:计算流体力学;模拟软件;CFX;FLUENT;PH OENICS 中图分类号:T Q015.9文献标识码:A Review of commercial CFD software ZH AI Jian2hua (Department of Int ernation Exchange and Cooperation,H ebei University of Science and Technology,Shijiazhuang H ebei 050018,China) Abstr act:The paper summar izes the features and application of the CF D simulation software like Phoenics,F luent and CFX etc in chemical engineering,and discusses their str ucture features,special modules,mathematical models and successful application areas.It also puts forward seven r ules for the good choice of commercial CF D code for the CF D simulation resea rcher s.Based on t he predict ion of the technology development,it points out the possible r esear ch direction for CF D in the future will focus on the development of mathematical model,project transformat ion,new equipment and their matching application with technologi2 cal softwa re. Key words:CF D;simulation software;CF X;FLUENT;P HOENICS CFD(Computational Fluid Dynamics)软件是计算流体力学软件的简称,是用来进行流场分析、计算、预测的专用工具。通过CFD模拟,可以分析并且显示流体流动过程中发生的现象,及时预测流体在模拟区域的流动性能,并通过各种参数改变,得到相应过程的最佳设计参数。CFD的数值模拟,能使我们更加深刻地理解问题产生的机理,为实验提供指导,节省以往实验所需的人力、物力和时间,并对实验结果整理和规律发现起到指导作用。随着计算机软硬件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟,出现了基于现有流动理论的商用CFD软件。这使许多不擅长CFD工作的其他专业研究人员能够轻松地进行流体数值计算,从而使研究人员从编制繁杂、重复性的程序中解放出来,以更多的精力投入到研究问题的物理本质、问题提法、边界(初值)条件和计算结果的合理解释等重要方面上,充分发挥商用CFD软件开发人员和其他专业研究人员各自的智力优势,为解决实际工程问题开辟了道路。 CFD研究走过了相当漫长的过程。早期数值模拟阶段,由于缺乏模拟工具,研究者一般根据自身工作性质和研究过程,自行编制模拟程序,其优点是针对性强,对具体问题的解决有一定精度,但是,带来的问题 收稿日期:2004208221;修回日期:2004211221;责任编辑:张军 作者简介:翟建华(19642),男,河北平乡人,教授,主要从事化工CFD、高效传质与分离和精细化工方面的研究。

高等流体力学试题

1.简述流体力学有哪些研究方法和优缺点? 实验方法就是运用模型实验理论设计试验装置和流程，直接观察流动现象，测量流体的流动参数并加以分析和处理，然后从中得到流动规律。实验研究方法的优点：能够直接解决工程实际中较为复杂的流动问题，能够根据观察到的流动现象，发现新问题和新的原理，所得的结果可以作为检验其他方法的正确性和准确性。实验研究方法的缺点主要是对于不同的流动需要进行不同的实验，实验结果的普遍性稍差。 理论方法就是根据流动的物理模型和物理定律建立描写流体运动规律的封闭方程组以及相应初始条件和边界条件，运 用数学方法准确或近似地求解流场，揭示流动规律。理论方法的优点是：所得到的流动方程的解是精确解，可以明确地给出各个流动参数之间的函数关系。解析方法的缺点是：数学上的困难比较大，只能对少数比较简单的流动给出解析解，所能得到的解析解的数目是非常有限的。 数值方法要将流场按照一定的规则离散成若干个计算点，即网格节点；然后，将流动方程转化为关于各个节点上流动 参数的代数方程；最后，求解出各个节点上的流动参数。数值方法的优点是：可以求解解析方法无能为力的复杂流动。数值方法的缺点是：对于复杂而又缺乏完整数学模型的流动仍然无能为力，其结果仍然需要与实验研究结果进行对比和验证。 2.写出静止流体中的应力张量,解释其中非0项的意义. 无粘流体或静止流场中，由于不存在切向应力，即p ij =0（i ≠j ），此时有 P =00000 0xx yy zz p p p ??????????=000000p p p -????-????-??=-p 00000011????1?????? = -p I 式中I 为单位张量，p 为流体静压力。 流体力学中，常将应力张量表示为 p =-+P I T （2-9） 式中p 为静压力或平均压力，由于其作用方向与应力定义的方向相反，所以取负值；T 称为偏应力张量，即 T =xx xy xz yx yy yz zx zy zz τττττττττ?????????? （2-10） 偏应力张量的分量与应力张量各分量的关系为：i ＝j 时，p ij 为法向应力，τii = p ij - p ；当i ≠j 时p ij 为粘性剪切应力，τij =p ij 。τii =0的流体称为非弹性流体或纯粘流体，τii ≠0的流体称为粘弹性流体。 3.分析可压缩(不可压缩)流体和可压缩(不可压缩)流动的关系. 当气体速度流动较小（马赫数小于0.3)时，其密度变化不大，或者说对气流速度的变化不十分敏感，气体的压缩性没有表现出来。因此，在处理工程实际问题时，可以把低速气流看成是不可压缩流动，把气体可以看作是不可压缩流体。而当气体以较大的速度流动时，其密度要发生明显的变化，则此时气体的流动必须看成是可压缩流动。 流场任一点处的流速v 与该点（当地)气体的声速c 的比值，叫做该点处气流的马赫数，用符号Ma 表示： Ma /v c v == （4－20） 当气流速度小于当地声速时，即Ma<1时，这种气流叫做亚声速气流；当气流速度大于当地声速时，即Ma>l 时，这种气流称为超声速气流；当气流速度等于当地声速时，即Ma=l 时，这种气流称为声速气流。以后将会看到，超声速气流和亚声速气流所遵循的规律有着本质的不同。 马赫数与气流的压缩性有着直接的联系。由式(4－11)可得 所以有 222Ma d ρv dv dv ρc v v =-=-。 （4－21） 当Ma≤0.3时，dρ/ρ≤0.09dv /v 。由此可见，当速度变化一倍时，气体的密度仅仅改变9%以下，一般可以不考虑密度的变化，即认为气流是不可压缩的。反之，当Ma>0.3时，气流必须看成是可压缩的。 4.试解释为什么有时候飞机飞过我们头顶之后才能听见飞机的声音. 5.试分析绝能等熵条件下截面积变化对气流参数(v ,p ,ρ,T )的影响.

计算流体力学软件

计算流体力学（CFD）是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。 计算流体力学和相关的计算传热学，计算燃烧学的原理是用数值方法求解非线性联立的质量、能量、组分、动量和自定义的标量的微分方程组，求解结果能预报流动、传热、传质、燃烧等过程的细节，并成为过程装置优化和放大定量设计的有力工具。计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中产生巨大的影响。目前比较好的CFD软件有：Fluent、CFX,Phoenics、Star-CD，除了Fluent 是美国公司的软件外，其它三个都是英国公司的产品 ------------------------------------------------------ FLUENT FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%。举凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。其在石油天然气工业上的应用包括：燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散/聚积、多相流、管道流动等等。 Fluent的软件设计基于CFD软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，FLUENT软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，Fluent开发了适用于各个领域的流动模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。其各软件模块包括： GAMBIT——专用的CFD前置处理器，FLUENT系列产品皆采用FLUENT公司自行研发的Gambit 前处理软件来建立几何形状及生成网格，是一具有超强组合建构模型能力之前处理器，然后由Fluent 进行求解。也可以用ICEM CFD进行前处理，由TecPlot进行后处理。 Fluent5.4——基于非结构化网格的通用CFD求解器，针对非结构性网格模型设计，是用有限元法求解不可压缩流及中度可压缩流流场问题的CFD软件。可应用的范围有紊流、热传、化学反应、混合、旋转流（rotating flow）及震波（shocks）等。在涡轮机及推进系统分析都有相当优秀的结果，并且对模型的快速建立及shocks处的格点调适都有相当好的效果。 Fidap——基于有限元方法的通用CFD求解器，为一专门解决科学及工程上有关流体力学传质及传热等问题的分析软件，是全球第一套使用有限元法于CFD领域的软件，其应用的范围有一般流体的流场、自由表面的问题、紊流、非牛顿流流场、热传、化学反应等等。 FIDAP本身含有完整的前后处理系统及流场数值分析系统。对问题整个研究的程序，数据输入与输出的协调及应用均极有效率。 Polyflow——针对粘弹性流动的专用CFD求解器，用有限元法仿真聚合物加工的CFD软件，主要应用于塑料射出成形机，挤型机和吹瓶机的模具设计。 Mixsim——针对搅拌混合问题的专用CFD软件，是一个专业化的前处理器，可建立搅拌槽及混合槽的几何模型，不需要一般计算流力软件的冗长学习过程。它的图形人机接口和组件数据库，让工程师

流体力学计算软件报告

三维方管内部二次流特征分析 ——基于NUMECA 数值仿真 2120130457 李明月 【摘 要】运用NUMECA 数值仿真的方法，通过在有粘与无粘的工况下三维方管的内部三维流线对比分析，重点在分析粘性工况下方管内部沿流向各截面上的切向速度矢量分布特征和总压系数分布特征对二次流机理进行讨论和分析。 【关键字】数值仿真 二次流 欧拉方程 N-S 方程 压力梯度 0 前言 在边界层内流体质点向着压力梯度相反并与主流运动方向大致垂直的方向流动，称为二次流。几乎所有的过流通到里面都存在着速度和压力分布不均的情况，压力分布不均则产生一个从高压指向低压的作用力，它与惯性力的大小关系是能否形成二次流的关键。而二次流会使叶轮机械叶片的边界层增厚从而导致分离和损失，而二次流在换热器中增强了对流换热，从而强化了传热，故对二次流的成因和特征的研究具有很大的现实意义。而运用NUMECA 软件对一个简单的三维方管在不同工况下进行数值运算，能够直观地观察得到二次流的结果，并对此进行对比和分析，对流体初学者而言，一方面可以熟悉NUMECA 软件的基本操作，一方面可以基于此加深对二次流的理解。 1 几何描述 如图一所示为三维方管的三维图与所需设定的边界条件。在此算例中，最大的特点在于 中部有一个90°的弯道，且出流部分较长。 10m m 30m m 80m m r20m m r10m m 图1 几何模型

2 网格划分与边界条件 在调入IGG data 文件生成几何文件之后，用网格功能中生成网格块的功能用对应网格顶点与几何顶点重合的方式将网格块贴附在几何模型上，再调整网格数量，和Cluster Points 功能调整边界网格大小，使得近壁面的网格较密，使数值计算时能更好地捕捉到近壁面的参数。生成的网格如图2所示。网格生成后一共33×33×129个网格，网格质量为：最小的正交角度为50.68°，最大宽高比为200，最大膨胀比为1.51，多重网格数为3。在边界条件上，管壁设为SOL 类型，另外短管端面设为INL 类型，剩下那一面设为OUT 类型。 3 边界设定及收敛特性 在NUMECA Fine Turbo 里面建立两个工况并命名为一个无粘一个有粘。在无粘的工况下，选择的流动模型为基于Euler 方程的数学模型。在有粘工况下，流动模型选择的是湍流N-S 方程，并且湍流模型为Spalart-Allmaras 模型。两个工况皆为理想气体的定常流动，进口边界设为总量下（total quantities imposed ）马赫数推断（mach number extrapolated ），进口压力为1.3bar ，进口温度为340K 。出口设定为由静压推断（static pressure imposed ），出口压力为1.0bar 。固壁面在欧拉方程下为无粘的欧拉壁，在N-S 方程里为绝热壁。经初始化后选择计算后输出的参数，除了常规的静压静温和速度外，在壁面数据（solid data ）里额外输出一个粘性压力（viscous stress ）。选择500次迭代后，两种工况下的收敛曲线如图3~图6所示。 图2 三维方管网格划分示意图 图3 Euler 方程下残差收敛曲线

高等流体力学

高等流体力学 第一章 流体力学的基本概念 连续介质：流体是由一个紧挨着一个的连续的质点所组成的，没有任何空隙的连续体，即所 谓的连续介质。 流体质点：是指微小体积内所有流体分子的总和。 欧拉法质点加速度：时变加速度与位变加速度和 z u u y u u x u u t u dt du a x z x y x x x x x ??+??+??+??== 质点的随体导数：质点携带的物理量随时间的变化率称为质点的随体导数，用dt d 表示。在欧拉法描述中的任意物理量Q 的质点随体导数表述如下： x k k Q u t Q dt dQ ??+??= 式中Q 可以是标量、矢量、张量。质点的随体导数公式对任意物理量都成立，故将质点的 随体导数的运算符号表示如下： x k k u t dt d ??+??= 其中 t ?? 称为局部随体导数，x k k u ??称为对流随体导数，即在欧拉法描述的流动中，物理 量的质点随体导数等于局部随体导数与对流随体导数之和。 体积分的随体导数：质点携带的物理量随时间的变化率称为质点的随体导数。则在由流体质点组成的流动体积V 中标量函数Φ（x, t ）随时间的变化率就是体积分的随导函数。 由两部分组成①函数Φ 对时间的偏导数沿体积V 的积分，是由标量场的非恒定性引起的。②函数Φ通过表面S 的通量。由体积V 的改变引起的。 ()dV divv dt d dV v div t dS u dV t dV dt d v v n s v v ?? ? ???Φ+Φ=??????Φ+?Φ?=Φ+?Φ?=Φ??????????????()dV adivv dt da dV av div t a dS au dV t a adV dt d v v n s v v ?? ????+=??????+??=+??=?????????????? 变形率张量： 11ε 12ε13ε D ij = 21ε 22ε 23ε 31ε 32ε 33ε

CFD案例5-发动机仿真

ANSYS对航空工业解决方案（三）航空发动机仿真方案_2 发表时间：2008-10-23 作者: 安世亚太来源: 安世亚太 关键字: 航空航天 CAE 仿真解决方案 ANSYS 安世亚太 第三章航空发动机仿真方案航空发动机行业概况航空发动机研制中的典型CAE问题航空发动机结构力学计算需求及ANSYS实现航空发动机流体力学和温度场的计算需求及ANSYS实现航空发动机电磁场计算需求及ANSYS实现航空发动机耦合场计算需求及ANSYS实现航空发动机关键零部件的设计分析流程简要说明 4航空发动机流体力学和温度场的计算需求及ANSYS实现 航空燃气涡轮发动机内的流场很复杂，不仅动静流场同时存在，同时还伴有多相流、传热、燃烧等现象，即使从物理上进行很大的简化，模型最后仍然是三维、有粘、非定常的可压流动。航空发动机流场数值计算的发展经历了S2流面法、基于一元管道的流线曲率法、有限差分方法求解非正交曲线坐标系中的S1、S2流面基本方程、有限差分、有限体积和有限差分与流线曲率混合的方法对S1流面跨音速流场的计算，而现在由S1与S2流面相互迭代形成的准三元和全三元计算也发展起来了。现在的采用有限体积法求解NS方程全三维流场计算已经广泛采用，航空发动机的流场数值计算已趋于成熟，可以充分考虑旋转流动、转静干涉问题、多相流、燃烧、亚超跨音速等复杂现象。而且现在求解的规模也不断扩大，利用并行等成熟的CFD技术可以计算达几千万甚至上亿的计算网格。因此结果也更为真实有效。 ANSYSCFX凭借TASCFLOW在叶轮机旋转流动的传统优势，结合更为先进的网格处理技术和高效的求解器，更适合航空发动机流动的复杂性，求解问题的规模和计算精度大大提高，一直处于航空发动机流动模拟的最前沿。

高等流体力学考试大纲

《高等流体力学》考试大纲 一、考试性质 《高等流体力学》是我校相关专业博士入学专业基础课考试科目。 二、考试形式与试卷结构 1、答卷方式：闭卷，笔试 2、答题时间；180分钟 3、题型比例 概念20% 计算与应用80% 4、参考书目 《高等流体力学》高学平，天津大学出版社，2005. 《高等工程流体力学》张鸣远等，西安交通大学出版社，2006. 三、考试要点 1、流体力学的基本概念 连续介质、欧拉法质点加速度、质点随体导数、体积分的随体导数、变形率张量、旋转角速度、判断有旋流与无旋流、涡量与速度环量的关系、应力张量的概念（包括切应力的特性、压应力的特性）、牛顿流体的本构方程（本构方程的概念、切应力和法向应力与变形的关系）。 2、流体运动的基本方程 微分形式的连续方程的表达形式、不可压缩流体的确切定义、理解其含义。N-S方程的各种表示形式、流体的能量包括哪几种形式，

并对各种形式进行解释，写出单位质量流体能量的表达式、流体运动微分形式的基本方程组有哪些方程组成，通常有几个未知量，方程组是否封闭、对于不可压缩流体，如何求解速度场、压强场以及温度场，说明其求解步骤。 3、势流运动 势流运动控制方程及求解步骤；势流求解常用的方法有哪些。速度势函数与流函数；复势与复速度；恒定平面势流的解析方法有哪几种途径；保角变换法的思路。 4、粘性流体运动 基本方程及求解途径；黏性流体运动的基本性质；黏性流体运动的解析解（如两平行板间的层流、普阿塞流的流速分布的推导）、小雷诺数流动近似解的思路；边界层的概念；边界层厚度（名义厚度、位移厚度）；边界层方程的相似性解的概念；边界层的分离现象。5、紊流运动 紊流的特征及分类；壁面剪切紊流的发生过程及紊流结构；时间平均法和系综平均法的概念。紊流运动方程—雷诺方程的推导思路，雷诺方程的形式及与N-S方程的区别，雷诺应力项的意义。紊流模型的用途，紊流模型通常有哪几类（零方程模型、一方程模型、二方程模型、其他模型）；紊流动能k、能量耗散率ε。 6、涡旋运动 涡旋的运动学性质、涡旋运动的基本方程；涡旋的形成。

CFD仿真技术在航空发动机中的应用

CFD仿真技术在航空发动机中的应用 摘要：随着科学技术的发展，航空航天和空间技术有了飞跃的发展，在这些飞 跃的发展技术中主要的技术就是CAE技术。航空工业可以说是CAE技术发展的摇篮，各种CAE技术正是在以航空工业为主的实际工业应用的推动下在不到半个世 纪时间里迅猛发展起来的。以ANSYS、LS-DYNA、Nastran、CFX、Fluent等为代表 的高端CAE软件早已活跃在全球航空工业中。 关键词：CFD仿真技术；航空发动机；应用 1 引言 目前国际知名企业的航空发动机研制周期从过去的10～15年缩短到6～8年 甚至4～5年，试验机也从过去的40～50台减少到10台左右。在发达国家的航 空企业里CAE已经作为产品研发设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺 规范加以实施，在生产实践作为必备工具普遍应用。 2、CFD技术国内外使用状况简介 CFD作为CAE技术的一种，已经越来越多的被国内外航空企业广泛的得以应用。第一个商用CFD软件包FLUENT，由与美国空军合作的流体技术服务公司Creare公司于1983年推出的。商业CFD软件的开发及应用，加速了航空工业的 发展，使得基于虚拟样机仿真的现代设计方法成为了可能。以波音公司航空研发 发展历史为例，不难发现，波音公司先后采用了经典的实验测试方法、半经验的 方法、空气动力学的计算、政府内部及企业的CFD代码及广泛的采用CFD商业代码。在波音公司2005年的软件应用报告中明确指明，在1998至2005年内，其 公司每年数值仿真成果的增加量都接近84%左右，采用CAE/CFD的速度超过了工 业的成长速度，CFD技术已经成为其设计的主要手段之一。另外从美国软件公司ANSYS公司的销售业绩报告上显示，航空工业上的应用产值是其公司的主要收益 来源之一。 CFD软件正以其强大的优势在研发中发挥的巨大的作用，例如在NISA的报告 中提到，原本需要7年完成的维吉尼亚级潜水艇的设计，通过CFD技术的应用， 5年就顺利完成；而预计需要11年完成的B-2轰炸机的飞行测试，则在短短的4 年内就通过了测试。 国内在CFD技术上的应用一般，特别是在航空发动方面的使用上，起步与国 外相比较晚，力度上也相差较多。 3、CFD技术的应用 目前在航空发动机的实际应用中是最广泛的一款CFD商业软件是ANSYS旗下 的商业软件FLUENT，其不仅容易使用，而且其准确性及行业的广泛性都是其它商业软件所不能比拟的。CFD软件的使用已经遍及了航空发动机的各个部分的研究，接下来本文通过对其它文献的分析逐一介绍CFD在航空发动机中的使用。 3.1 CFD技术在压缩机、涡轮方面的应用 气动稳定性的设计是当代航空发动机发展研制过程中的重要技术问题之一。 在航空发动机中，对气流最敏感的部件是风扇、压气机和涡轮。在以上3个部件中，CFD的主要应用集中在对压气机和涡轮效率分析上，多级压气机/涡轮最主要 的气动问题就是各级流动是否匹配，总的效率是否达到设计要求。在涡轮方面，CFD不仅可以计算涡轮效率，而且对涡轮叶片的冷却效果分析有着重要的应用。