第1讲-CFD绪论分解ppt课件

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,第一讲,CFD,绪论,屠基元 教授,清华大学,墨尔本皇家理工大学,第一讲 CFD绪论屠基元 教授,2,什么是,CFD?,CFD,是一种设计工具：通过使用计算软件来解决,流体流动,和,传热中,广泛存在的工程技术,问题。,2什么是CFD?CFD是一种设计工具：通过使用计算软件,3,什么是,CFD?,CFD,是一种科研工具：通过大量的数值模拟，来探索和研究,流体流动,和,传热,中广泛存在的学术问题。,3什么是CFD?CFD 是一种科研工具：通过大量的数值,4,CFD,的应用领域,CFD,的应用领域？,航空航天,家电行业,汽车工程,生物医学,化工,暖通空调,水利,船舶,采矿技术,能源,体育竞技,F18,外载弹体脱离,翼身干扰,航天飞机,4CFD的应用领域CFD的应用领域？F18 外载弹体脱离翼身,5,家电行业,CFD,的应用领域？,航空航天,家电行业,汽车工程,生物医学,化工,暖通空调,水利,船舶,采矿技术,能源,体育竞技,无霜冰箱和冷藏室的表面热通量模拟云图有助于博世西门子的工程师来优化空气的进口位置。,5家电行业CFD的应用领域？无霜冰箱和冷藏室的表面热通量模拟,6,汽车工程,CFD,的应用领域？,航空航天,家电行业,汽车工程,生物医学,化工,暖通空调,水利,船舶,采矿技术,能源,体育竞技,外部空气动力学,底盘传热分析,内部通风,发动机冷却,6汽车工程CFD的应用领域？外部空气动力学底盘传热分析 内部,7,生物医学,CFD,的应用领域？,航空航天,家电行业,汽车工程,生物医学,化工,暖通空调,水利,船舶,采矿技术,能源,体育竞技,鼻腔给药颗粒运动模拟,鼻腔给药颗粒运动分析,冠状动脉血液动力学及流固耦合分析,7生物医学CFD的应用领域？鼻腔给药颗粒运动模拟鼻腔给药颗粒,8,化工,CFD,的应用领域？,航空航天,家电行业,汽车工程,生物医学,化工,暖通空调,水利,船舶,采矿技术,能源,体育竞技,化工反应器,-,反应速率优化,换热器,-,换热性能分析,8化工CFD的应用领域？化工反应器-反应速率优化换热器-换热,9,暖通空调,CFD,的应用领域？,航空航天,家电行业,汽车工程,生物医学,化工,暖通空调,水利工程,船舶设计,采矿技术,能源,体育竞技,复印机喷射粒子浓度的模拟,.,送风位置的模拟,工作站通风设备流线,管道系统内的压头损失,9暖通空调CFD的应用领域？复印机喷射粒子浓度的模拟.送风,10,水利工程,CFD,的应用领域？,航空航天,家电行业,汽车工程,生物医学,化工,暖通空调,水利工程,船舶设计,采矿技术,能源,体育竞技,10水利工程CFD的应用领域？,11,船舶设计,CFD,的应用领域？,航空航天,家电行业,汽车工程,生物医学,化工,暖通空调,水利工程,船舶设计,采矿技术,能源,体育竞技,11船舶设计CFD的应用领域？,12,采矿技术,CFD,的应用领域？,航空航天,家电行业,汽车工程,生物医学,化工,暖通空调,水利工程,船舶设计,采矿技术,能源,体育竞技,海上石油钻机的气流矢量和压力分布,钻头表面泥浆的流动,旋风分离器内颗粒的流动,12采矿技术CFD的应用领域？海上石油钻机的气流矢量和压力分,13,能源,CFD,的应用领域？,航空航天,家电行业,汽车工程,生物医学,化工,暖通空调,水利,船舶,采矿技术,能源,体育竞技,冷却塔附近的流动,核反应堆数值模拟,锅炉燃烧室不同工况模拟,13能源CFD的应用领域？冷却塔附近的流动核反应堆数值模拟锅,14,体育竞技,CFD,的应用领域？,航空航天,家电行业,汽车工程,生物医学,化工,暖通空调,水利,船舶,采矿技术,能源,体育竞技,14体育竞技CFD的应用领域？,15,影响,CFD,的重要因素,计算能力的迅速提高；,数值计算模型的极大发展；,数值计算方法效率更高；,先进的可视化工具。,15影响CFD的重要因素计算能力的迅速提高；数值计算模型的极,16,不断增长的计算能力,16不断增长的计算能力,17,高性能计算的需求,虚拟汽车设计理念,17高性能计算的需求虚拟汽车设计理念,18,高可靠性模型的需求,在通用汽车公司（,GM,）的应用,18高可靠性模型的需求在通用汽车公司（GM）的应用,19,CFD,的优势,CFD,作为一种工程设计和研究工具，有以下突出优势,成本低,通过物理实验和测试来得到工程设计所需要的基本数据十分昂贵。,数值模拟相对便宜，并且随着计算机能力的增强，数值模拟的花费也会降低。,速度快，周期短,CFD,模拟所花费的时间较短。,模拟周期快意味着能够在设计过程中较早的获取工程数据。,可以模拟传统实验难以实现的工况,能够（容易）测试许多流动和传热过程,-,例如，马赫数为,20,的超音速流动，核事故分析。,理论上,CFD,可以模拟任何物理过程。,19CFD的优势CFD作为一种工程设计和研究工具，有以下突出,20,CFD,的优势,可以模拟理想状态,CFD,可以控制物理过程，单独针对特殊的物理现象进行研究。,例如：可以对传热过程做理想化处理，绝热、恒热流或常温边界。,可以获得全面综合的结果信息,实验往往通过仪器测得有限个位置的数据（例如，压力和温度探针，热流密度测量仪，,LDV,等）,CFD,可以对任何感兴趣的区域进行分析，并得到一系列复杂的流动参数进行研究。,20CFD的优势可以模拟理想状态可以获得全面综合的结果信息,21,CFD,的局限性,物理模型,CFD,求解依赖于对现实过程的物理建模,(,例如，湍流，可压性，化学，多相流等等。）,CFD,求解的精确度依赖于物理模型的准确性。,数值误差,利用计算机来解方程总是会引入数值误差,舍入误差,由于计算机字符数有限而带来的误差,截断误差,-,由于数值模型中的近似而带来的误差,舍入误差总是存在,(,虽然在大多数情况下很小,),截断误差随着网格加密而减小,所以网格加密是减小截断误差的方法，但有时也会引起数值计算上的不稳定性。,21CFD的局限性物理模型,22,CFD,的局限性,边界条件,CFD,求解的精度不仅与物理模型有关，而且与初始值和边界条件相关。,例如：突扩管道内的流动,如果通过管道将流体输送到主要的区域，应该将入口边界设为充分发展后速度分布而不是均匀的流动。,poor,better,Fully Developed Inlet Profile,Computational Domain,Computational Domain,Uniform Inlet Profile,计算机资源需求,即使计算机的运行速度越来越快，容量越来越大，但是模拟复杂的工程系统仍然需要更多的计算机资源。,22CFD的局限性边界条件poorbetterFully D,23,CFD,的基本构成,几何模型,计算网格,物理性质,数学模型,数值求解,后处理,23CFD的基本构成,冠状动脉的,CAD,模型,波音,777,的,CAD,模型,24,几何模型,冠状动脉的CAD模型波音777的CAD模型24几何模型,25,计算网格,25计算网格,26,物理性质,CFD,需要的物理性质参数,粘性,vs.,非粘性,(Re),湍流,vs.,层流,(Re),不可压缩,vs.,可压缩,(Ma),单相,vs.,多相,(St),热效应,/,密度效应和能量方程,(Nu,Pr,Gr),自由面流动和表面张力,(Fr,We),化学反应及成分,(C),等等,建模的要求是由关键的物理现象决定的,26物理性质CFD需要的物理性质参数,27,基本物理现象的数学模型,输运方程,相互作用,27基本物理现象的数学模型输运方程,28,复杂物理现象的数学模型,=(I)+(II)+(III)+(IV)+(V),28 复杂物理现象的数学模型=(I)+(II)+(,29,数值求解,控制方程的数值解,依赖于模型方程和物理过程的方法,公式的组成,离散化和线性化,系统代数方程的组合,方程的解,29数值求解控制方程的数值解,30,更快的数值计算方法,代数组合,/,解,通过捕捉穿过边界层的点来建立矩阵方程,这是一个特殊的三对角矩阵，该矩阵可以直接求解（而不是用,Guass-Seidel,迭代求解）,no-slip,edge velocity,30更快的数值计算方法代数组合/解no-slipedge v,31,后处理,数据简化、分析和可视化,导出变量的计算：,涡量，,壁面剪应力，,积分参数的计算：,力，力矩,非稳流的傅立叶分析,可视化,(,通常借助于商业软件,),简单的,X-Y,坐标曲线图,简单的,2D,云图,3D,地毯云图,矢量图和流线,动画,31后处理数据简化、分析和可视化,32,CFD,软件,CFD,软件,建立在物理模型、数学模型和数值计算方法基础上,盲目使用商业软件是危险的。因为软件的适用性范围有限，所以具备相关背景知识非常重要。,两类可用软件,商业版,(,例如：,Fluent,CFX,Star-CD),研究版,(,例如：大学或研究所的,CFD,软件和开源代码,Openfoam),使用,C/C+,或,Fortran90/95,编写的软件,并行计算的特殊编码,32CFD软件CFD 软件,33,计算结果分析实例,1,药物输送设备的研究,人体上呼吸道中气雾剂的输送,33计算结果分析实例1