第七 章 CFD仿真模拟
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。
CFD气流模拟仿真的基本步骤及网格的作用
模拟仿真的基本步骤及网格的作用一、基本步骤对物理环境和物理场景的模拟的基本步骤是一致的，大致分成如下四个过程：3D模型的输入和物理设定网格剖分求解数据分析和可视化这四个步骤，使用计算机的视角来观察世界的一个模式。
下面我们分别在阐述这四个步骤的作用。
二、具体步骤阐述（1）3D模型的输入和物理设定例如，我们要模拟一辆汽车在道路上以140公里每小时的速度行驶，这辆汽车所收到空气的阻力。
那么，第一步，我们需要将汽车结构的数据输入到电脑。
这个汽车结构的数据就是我们通常所说的3D模型。
同时，我们还需要给这个汽车一个形式的空间。
通常，由于模拟数据是和风洞试验对比的，我们仍然称这个空间为风洞，只是为了区分，我们称之为数值风洞。
因为它是虚拟的。
风洞的形状通常会是一个方形的。
这样就准备好了我们需要的在结构上的数据。
但是如何和实际的汽车行驶对应起来呢？我们还需要告诉计算机哪个模型是汽车，哪个模型是风洞，他们对应现实中的什么物理特性？例如汽车的轮子是旋转的，汽车的表面会阻碍风的流动等等。
这个步骤称为物理设定。
（2）网格剖分刚才我们已经在计算机里输入了3D模型，并且做了物理属性的设定。
实际上在风洞内包含了风洞的墙，汽车的表面，还有空气。
这些物质的运动是我们需要模拟的。
为了模拟出这些物质的运动，我们需要把这个空间拆分成数千万的小多面体。
每个多面体对应这些物质的一部分，然后进行计算。
将这个空间拆分成数千万小多面体并与物质对应起来的过程，称为网格剖分。
而剖分出来的表征空间和物质的千万个小多面体整体称为网格。
（3）求解有了3D模型，有了物理特性，有了网格剖分，我们就可以建立数学模型实际上是一个方程，进行求解。
这个过程，我们也称为求解。
求解之后，我们就可以获得这个方程的一个解。
这个解，我们可以理解成一个通俗的说法，就是答案。
因为我们希望通过计算的计算来得到汽车在公路上行驶的时候，它的气流分布的答案。
（4）数据分析与可视化经过求解之后，我们获得的答案是一堆数据。
CFD数值模拟实验指导书
（4） （5a） （5b） （5c） （6）
对于无法用解析方法求解的微分方程可以用数值方法求解， 所谓数值方法求解就是用近 似的数值解逼近微分方程的精确解。流动控制方程的精确解是流场计算域内流动参数（如速 度、压力、温度等）的连续分布，而数值解则是流场计算域内离散的点上的近似解对连续精 确解的逼近，换句话说，我们可以把连续的流场离散为一定数目的不连续的点，在这些离散 点上，守恒方程被近似满足，如果离散点之间的距离为无穷小，则近似解将无限趋近于精确 解，因此我们可以用近似解代替精确解。这就是流动微分方程数值求解的基本思想。 以数值方法求解流动微分方程，首先要把需要求解的流场的几何空间（或称为计算域） 离散为孤立的不连续的点，或者说用一定数量的点覆盖或代表要求解的连续的流场，然后将 流动控制方程的偏导数用离散点之间的有限变化来代替， 例如， 表示速度梯度的导数 ∂u / ∂x 用差商 Δu / Δx 来代替，其中 Δu 和 Δx 分别是 x 坐标方向的两个相邻的点的速度差和坐标 x 的增量。 可以想象， 如果控制微分方程中的所有导数或偏导数都被类似于差商的量代替的话， 偏微分方程将有可能变成一个线性方程，一个只包含离散点的坐标和待求函数值（如上述的 u）的线性方程。事实上，我们可以把流动控制方程组的每一个偏微分方程在每一个离散点 上转变为一个线性方程。假如我们用 100 个点离散一个计算域，那么对每个偏微分方程我们 将得到 100 个线性方程。至此，偏微分方程的求解已经转化为线性方程组的求解，如果得到 线性方程组的解，我们就得到了偏微分方程组的近似数值解。因此，我们也可以说，CFD 模 拟的过程本质上是在计算域上构建线性方程组并求解线性方程组的过程。 从上面的论述可以看出，数值方法求解流动微分方程至少包括三个步骤：首先，离散计 算域；其次，在离散后的计算域上离散控制方程；其三，求解离散得到的线性方程组。需要 补充的是，并不是所有的线性方程都需要求解，实际上有些特殊点上的流动变量值或其梯度 是已知的，这些特殊的点就是计算域边界上的点。通常为了限定微分方程的解，我们需要给
流体力学中的CFD模拟研究
流体力学中的CFD模拟研究CFD模拟是指在计算机上运用数值计算和模拟技术，对流体的物理过程和流动特性进行分析研究的一种方法。
CFD技术的广泛应用，源于其高效性、低成本性和灵活性。
流体力学中的CFD模拟，可以用于研究各种流动过程，提升工艺效率，改善产品性能，优化设计方案等方面。
本文将从CFD模拟的定义入手，分别从数值分析、物理模型、数值算法和应用领域等方面，介绍CFD模拟在流体力学中的应用现状和发展趋势。
一、CFD模拟的数值分析CFD模拟是基于数值分析方法进行研究的，因此数值的准确性和稳定性是保证模拟精度的重要保障。
在进行CFD模拟时，需要对流体的物理特性进行数值处理，将流体的连续、动量和能量方程转化为数学模型，并通过计算机程序进行求解。
数值分析中关键的概念包括离散化、差分格式、收敛性、稳定性等，这些要素在CFD模拟中都具有重要的意义。
二、CFD模拟的物理模型流体力学中的CFD模拟，需要对流体的运动方程和物理模型进行建立和求解。
在建立物理模型时，需要根据具体问题选择相应的数学模型和物理模型，以适应不同流体场的特性。
物理模型分为两类，一类是欧拉方程模型，这种模型适用于高速压缩气流等欧拉流场；另一类是Navier-Stokes方程模型，这种模型适用于低速流体流场等复杂流动场。
三、CFD模拟的数值算法CFD模拟的数值算法是采用有限差分法、有限体积法、有限元法和谱方法等数值方法，对物理方程进行离散处理，通过迭代计算取得输出结果。
在数值算法中，差分格式的设计和选取对求解的精度和效率都有很大影响，因此需要在具体问题中选择合适的数值算法和差分格式。
四、CFD模拟的应用领域CFD模拟在工业和科学领域中有着广泛的应用，可以用于流体流动的数值计算、精细化工艺过程的数值模拟、气体和液体的混合过程研究、航空航天等领域的设计优化等方面。
例如，可以采用CFD模拟对液体混合过程进行数值模拟，研究不同混合比例对混合效果的影响；可以利用CFD模拟对船舶的水动力性能进行数值计算，研究不同外形对流阻力的影响等方面。
CFD数值模拟过程ppt课件
技术路线
➢ 建立数学物理模型 ➢ 数值算法求解 ➢ 结果可视化
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CFD数值模拟过程
CFD简介 数值模拟简介 CFD软件介绍 技术路线
进行流场分析、计算、预测的专业软件。通过CFD软件，可以 分析并显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内，能预测 性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。
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CFD数值模拟过程
CFD数值模拟过程
• CFD简介 • 数值模拟简介 • CFD软件简介 • 技术路线
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CFD数值模拟过程
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Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学） 计算机技术 + 数值计算技术 流体实验 计算机虚拟实验
基本原理是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流场 在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。
果的合理解释等重要方面。
发货
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发货
CFD数值模拟过程
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几何造型 网格划分
DesignModeler CFX-Mesh
前处理
CFX-Pre
求解计算
CFX-Solver
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ后处理显示
CFX-Post .
CAD软件 ICEMCFD
tui xj uiuj x P i xijjSui
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CFD仿真模拟技术和模型介绍flunet模拟仿真计算流体力学
CFD仿真模拟技术在流体动力学研究中的应用
随着计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）的不断发展，仿真模拟技术在流体动力学研究中的应用越来越广泛。
CFD是一种使用数值方法对流体流动进行模拟的计算技术，它可以预测流体动力学行为，为工程设计和优化提供重要依据。
本文将介绍CFD仿真模拟的基本原理、方法和应用实例。
一、CFD仿真模拟的基本原理
CFD仿真是通过计算机模拟流体流动的过程，它基于流体力学基本控制方程，如Navier-Stokes方程、传热方程等，通过数值计算得到流场的分布、变化和相互作用等细节。
CFD仿真是一种基于计算机的技术，因此它具有高效、灵活、可重复性高等优点。
二、CFD仿真模拟的方法
CFD仿真模拟的方法可以分为直接数值模拟（DNS）和基于模型的模拟（MBM）两种。
1.直接数值模拟（DNS）
DNS是通过直接求解流体控制方程的方法进行模拟。
它能够准确地模拟流体的运动规律，但计算量大，需要高性能计算机支持，且对计算资源和时间的要求较高。
通常，DNS用于研究简单流动现象或作为参考模型。
2.基于模型的模拟（MBM）。
CFD数值模拟(含Fluent)学习及培训课件
而正常运转时可看作定常流动。
❖ 雷诺数
Re uL uL
对于圆形管内的流动，特征长度L取圆管直径d；对于异形管内
的流动，特征长度取水力直径dH。
dH
4
A S
❖ 层流( Re 232)0与湍流( Re 8000 ~ 12000)
当 2320 Re 8000 时，流动处于层流和湍流间的过渡区。
计算流体动力学（CFD)培训资料
－CFD原理及Fluent
XXXX有限公司
2021年02月05日
报告大纲
计算流体动力学(CFD)软件原理与应用
Fluent软件的基本用法 相关模拟案例 公XX司工业程绩的CFD模拟
CFD概述
计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流 体流动和热传导等相关物理现象的系统所作的分析.其可 以看作是在流动基本方程 （质量守恒方程、动量守恒方 程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这 种数值模拟, 可以得到极复杂问题的流场内各个位置的基 本物理量 (如速度、压力、浓度等) 的分布, 以及这些物 理量随时间的变化情况。
CFD商用软件
国内外有许多用于计算流体力学模拟计算的通用 软件, 比较著名的有：
英国CHAM公司推出的Phoenics； 英国帝国学院开发的Star-CD 软件； 英国AEA Technology公司推出的ANSYS CFX 软件； 美国Fluent公司推出的Fluent系列, 现称为ANSYS
分离式解法
❖特点
➢ 非原始变量法没能得到广泛应用。 ➢ 解压力泊松方程法对应的是MAC方法和分布法。 ➢ 人为压缩法要求时间步长必须很小，限制了它的广泛
CFD仿真模拟【转】
一．介绍1.什么是CFD?简单地说，CFD就是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术，这其中将涉及流体力学(尤其是湍流力学)、计算方法乃至计算机图形处理等技术。
因问题的不同，CFD技术也会有所差别，如可压缩气体的亚音速流动、不可压缩气体的低速流动等。
对于暖通空调领域内的流动问题，多为低速流动，流速在10m/s以下；流体温度或密度变化不大，故可将其看作不可压缩流动，不必考虑可压缩流体高速流动下的激波等复杂现象。
从此角度而言，此应用范围内的CFD和数值传热学NHT(Numerical Heat Transfer)等同。
另外，暖通空调领域内的流体流动多为湍流流动，这又给解决实际问题带来很大的困难。
由于湍流现象至今没有完全得到解决，目前HVAC内的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解决。
总体而言，CFD通常包含如下几个主要环节：建立数学物理模型、数值算法求解、结果可视化。
2．建立模型建立数学物理模型是对所研究的流动问题进行数学描述，对于暖通空调工程领域的流动问题而言，通常是不可压流体的粘性流体流动的控制微分方程。
另外，由于暖通空调领域的流体流动基本为湍流流动，所以要结合湍流模型才能构成对所关心问题的完整描述，便于数值求解。
如下式为粘性流体流动的通用控制微分方程，随着其中的变量f的不同，如f代表速度、焓以及湍流参数等物理量时，上式代表流体流动的动量守恒方程、能量守恒方程以及湍流动能和湍流动能耗散率方程。
基于该方程，即可求解工程中关心的流场速度、温度、浓度等物理量分布。
3．数值算法上述的各微分方程相互耦合，具有很强的非线性特征，目前只能利用数值方法进行求解。
这就需要对实际问题的求解区域进行离散。
数值方法中常用的离散形式有：有限容积，有限差分，有限元。
目前这三种方法在暖通空调工程领域的CFD技术中均有应用。
总体而言，对于暖通空调领域中的低速，不可压流动和传热问题，采用有限容积法进行离散的情形较多。
纳米流体传热CFD模拟仿真
纳米流体传热CFD模拟仿真
一、引言
纳米流体传热是当前研究热点之一，由于其独特的传热特性和应用前景，受到了广泛关注。
计算流体动力学（CFD）模拟作为一种有效的研究手段，在纳米流体传热领域发挥着重要作用。
本文将介绍纳米流体传热CFD模拟的基本原理、方法、应用及未来发展方向。
二、纳米流体传热CFD模拟的基本原理
CFD模拟是一种基于计算机的数值模拟方法，通过建立流体流动和传热过程的数学模型，利用数值计算方法求解这些模型，从而获得流体的速度场、温度场等参数。
在纳米流体传热研究中，CFD模拟可以用来研究纳米流体的流动和传热特性，揭示其传热机制和规律。
三、纳米流体传热CFD模拟的方法
1.建立数学模型
在纳米流体传热CFD模拟中，首先需要建立描述流体流动和传热过程的数学模型。
这些模型通常包括连续性方程、动量方程、能量方程等。
对于纳米流体，还需要考虑颗粒的布朗运动等因素对传热过程的影响。
2.数值求解方法
建立数学模型后，需要采用适当的数值求解方法进行计算。
常用的数值求解方法包括有限差分法、有限元法、有限体积法等。
这些方法通过离散化方程，将连续的物理问题转化为离散的数学问题，然后利用计算机进行数值计算。
CFD值模拟原理总结
CFD 数值模拟原理课程总结随着近代科学技术的进步，在绝大部分的研究领域内，人们对常见现象的理论研究已达到了一个崭新的境界，如力学、新材料设计的超分子建筑学、统计物理学、流体力学、传热学、化学反应流等。
与此同时，这些数学物理方程、理论模型或经验模型，在大量的实验研究及工程应用中得到证实。
为了在实际工程运用中能更加直观简洁的描述流体在流场中的流动情况，CFX 软件系列中的CFD ，PRO-E 等软件就能系统的解决流体的数值模拟问题。
CFD 的基本理论基础与流体力学理论基础相似，质量守恒方程，动量守恒方程(牛顿运动定律)和能量守恒方程(热力学第一定律)是CFD 理论的基石和核心。
以下为粘性流体流动的基本方程组：(1)连续性方程： (2)动量方程：(3)能量方程：(4)质量组分分数方程：在粘性流体流动的系统中，以上四个方程构成的方程组是叩开理论流体力学实际问题的基础，同时在CFD 软件运用开发过程中起着理论核心的作用。
二、网格计算中的对流——扩散方程的差分格式分析网格计算中的基本物理概念(1)节点：需要求解未知物理量的空间几何位置；(2)控制容积：空间实体的面积或体积；(3)界面：控制容积之间的分界面；(4)网格线：连接各节点之间的连线。
对于均匀网格，内节点与外节点在区域内的分布趋于一致，仅在坐标轴方向错位半个网格空间；对于不均匀网格计算，内节点永远在控制容积中心，而外节点的界面永远位于两相邻点的中间位置。
在实际工程运算中，内节点网格计算处理特变物理现象比较容易，外节点状态。
由能量守恒微分方程可以推出差分方程，根据工程应用数学所学知识，运用Taylor 展开得到差分方程。
在均匀的网格中，对一维方程，采用不同的离散形式，可以得到相同的差分方程。
但是，这不是普遍现象。
一般情况下，有差别，计算结果的准确度也不有差别。
运用Taylor 展开易于进行数学分析，其缺点是物理概念不清,计算()()0=⋅∇+i i i i i t u ρε∂ρε∂()()()i g s i i i i i i i i i Sc P t +-+∇-=⋅∇+u u u u u βερε∂ρε∂()()()i g s i i i i i i i i i Sc P t+-+∇-=⋅∇+u u u u u βερε∂ρε∂()()()()∑∑==-+-=∇Γ-⋅∇+Np j ik ji jk ij Np j ik i jk j k ij ik i ik ik i i i ik i i Y m Y m Y Y Y Y t Y 11ρρβαρα∂ρα∂u的结果可能违背基本的物理定律。
第七章CFD仿真模拟
第七章CFD仿真模拟在当今的工程和科学领域，CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）仿真模拟已经成为了一项不可或缺的工具。
它能够帮助我们深入理解流体流动的复杂现象，预测和优化各种涉及流体的系统性能，从而节省时间、降低成本，并提高设计的可靠性。
CFD 仿真模拟的基本原理是基于数学模型和数值方法来求解流体流动的控制方程。
这些控制方程描述了流体的质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律。
通过将连续的流体域离散化为大量的小单元，并在这些单元上对控制方程进行数值求解，我们就能够获得流体的速度、压力、温度等物理量的分布情况。
为了进行有效的 CFD 仿真模拟，首先需要对所研究的问题进行合理的建模。
这包括确定计算域的范围、边界条件的设定以及流体物理性质的定义等。
例如，如果我们要研究飞机机翼周围的气流，那么计算域就需要包含机翼以及周围一定范围的空间。
边界条件可以设定为来流速度、压力等，而流体的物理性质则需要根据实际情况确定，比如空气的密度、粘度等。
在建模完成后，选择合适的数值方法也是至关重要的。
常见的数值方法有有限差分法、有限体积法和有限元法等。
有限差分法是将控制方程在空间和时间上进行差分近似，从而得到离散的代数方程组。
有限体积法则是将计算域划分为一系列控制体积，通过对控制体积上的物理量进行积分来建立离散方程。
有限元法是将计算域离散为有限个单元，通过对单元上的函数进行插值来求解方程。
不同的数值方法具有不同的特点和适用范围，需要根据具体问题进行选择。
在进行 CFD 仿真模拟时，网格的生成也是一个关键步骤。
网格的质量和密度会直接影响到计算的精度和效率。
细密的网格能够提供更精确的结果，但计算成本也会相应增加；而过于粗糙的网格则可能导致计算结果的误差较大。
因此，需要在精度和效率之间进行权衡，根据问题的复杂程度和对精度的要求来生成合适的网格。
除了上述步骤，求解器的选择和参数设置也是影响 CFD 仿真模拟结果的重要因素。
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。
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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。
CFD仿真
3.1气体泄漏扩散的模拟方法目前在研究气体扩散领域应用较多的模拟方法主要有三种，即：物理模拟方法、数学模拟方法和CFD 数值模拟方法。
当然在实际的模拟仿真过程中，经常是两种或是三种方法同时使用，以此来验证模拟的准确性。
3.1.1物理模拟方法物理模拟是模拟的基础方法，[31]指在不同与实体的规模上将某一过程再现，并分析其物理特性和线性尺度对实体的影响，进而对所研究实体或过程进行直接实验。
将实际地形物理按比例的缩小模型置于实验体(如风洞、水槽等)内，在满足基本相似条件(主要包括几何、运动、热力、动力和边界条件相似)的基础上，模拟真实过程的主要特征，如空气动力规律和扩散规律。
物理模型建立的理论基础是相似理论。
进行进行物理模拟研究，必须解决如何设计和制作模型以及将模型实验的结论在实体上应用等问题。
相似原理是研究、支配力学相似系统的性质及如何用模型实验解决实际问题的一门科学，是进行模型实验研究的依据。
根据相似理论，物理模型若能与原型保持相似，则由物理模型经过实验得到的规律，原型也同样适用。
建立物理模型要遵循很多相似条件，如几何相似、运动相似、动力相似及热相似等。
在建立模型时，由于所有相似条件不可能完全满足，所以针对研究的具体要求，要适当做出取舍，恰当选取相似参数是实现物理模拟的关键。
物理模拟主要用于数值计算模式难于处理的复杂地形以及受到建筑物影响时的扩散研究。
与现场实验相比，特别是复杂条件下的现场试验相比，物理模拟实验条件易控制、可重复，且可节省人力、物力，可进行较全面和规律性实验，是大气扩散研究的重要手段。
3.1.2数学模拟方法数学模拟方法是解决简单扩散问题的常用方法，此方法是[31]通过用数学模型、在一定条件下来研究一个物理或化学过程，或通过模型描述一个复杂的物理或化学过程的某些特点。
此种方法所借助的数学模型的方式没有固定限制，可以是一系列代数式或微分、积分方程，也可以简化为一个关系式。
其中常见的数学模型：高斯模型、箱及相似模型、浅层模型、Sutton 模型以及唯象模型。
CFD模拟仿真理论知识：理解与应用
CFD模拟仿真理论知识：流体仿真应用
本文将介绍CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）模拟仿真理论知识的原理、方法和应用。
通过本文对CFD的深入理解，并了解如何运用这一理论解决实际问题。
一、CFD模拟仿真理论知识概述
CFD是一种通过计算机模拟和分析流体流动、传热、化学反应等自然现象的学科。
它广泛应用于航空航天、能源、建筑、环境科学、生物医学等领域。
CFD模拟仿真理论知识是CFD的核心，它包括流体动力学基本原理、数值计算方法和计算机程序设计等。
二、CFD模拟仿真基本原理和方法
1.基本原理：CFD基于牛顿第二定律和连续介质假设，通过数值方法求解流体控制方程，如Navier-Stokes方程，以获得流场的定量描述。
2.数值计算方法：常用的CFD数值计算方法包括有限差分法（Finite Difference Method，FDM）、有限元法（Finite Element Method，FEM）、有限体积法（Finite V olume Method，FVM）等。
这些方法将连续的流体流动问题离散为一系列离散点上的数值计算问题，通过求解这些离散点上的数值，得到流场的近似解。
3.计算机程序设计：为了实现CFD模拟仿真的自动化，我们需要编写计算机程序。
常用的编程语言包括Fortran、C++、Python等。
程序应包含建模、离散化、求解和后处理等步骤。
三、CFD模拟仿真难点与挑战。
飞行器流动仿真讲稿第7章-拟一维喷管流动的数值模拟
本章对三个拟一维喷管定常流动问题，使用MacCormack两 步显式方法计算：
亚声速—超声速喷管等熵流动的CFD解法； 全亚声速喷管等熵流动的CFD解法； 用激波捕捉法求解含激波的喷管流动。
第7章 拟一维喷管流动的数值模拟
第7.1节 拟一维喷管流动的三个物理问题
一、流动模型
拉瓦尔喷管横截面积A是轴向距离x的函数： 喷管入口接驻室，其截面积足够大(理论上无穷大)，驻室 内流速V≈0→驻室内压强和温度p0、T0为总压和总温； 喷管出口处流体参数 为：pe、Te、Ve、Mae 等； 喷管出口外环境压强 （反压）为pa。
第7章 拟一维喷管流动的数值模拟 本章以拟一维喷管流动为例，讨论CFD方法的具体应用； 通过实际编写拟一维喷管流动数值模拟程序，掌握程序的调 试手段与技巧，包括错误排除等，体会CFD求解问题的基本 过程和步骤，加深对CFD方法的理解。为进一步学习和运用 计算流体力学，自行开发流体力学数值程序或使用商业软件 奠定必要的基础；
1 2 AV pA VA 1 p A t x x e e 2 2 1 2 V A 1 2 V VA pAV 0 t x
量热状态方程 e=cvT，cv=Const
T T ln A V cv Vc v RT V t x x x
第7.1节 拟一维喷管流动的三个物理问题
四、控制方程组的无量纲化
无量纲化更容易观察流动，并可把流动规律推广到同类问题。 合理使用无量纲量，使参与计算的各量具有差不多的量级， 还可避免在计算中出现大小相差悬殊的数值； 使用无量纲控制方程组计算完毕后，根据需要可将无量纲量 重新化为有量纲量。 选择如下参考量：
CFD的参数化和优化仿真过程
网格最小尺寸
体网格总数
体网格质量 最小值
求解器阶段的参数化
• • • 材料物性的参数化 边界条件数值的参数化 计算结果数据的参数化
– 力、力矩、通量、面积分值、体积分值等
压力出口的速度均匀性
速度入口的数值
优化
• 什么是优化？ • 在设计空间中寻找最佳的合理设计点 优化是一个双重问题
• 对“参数化”的变量进行适当的规划 •
CFD的参数化和优化仿真过程
崔亮 行业专员
北京福思营销顾问有限公司呈送
目录
• 基于Workbench的参数化仿真流程
– 几何建模阶段的参数化 – 网格剖分阶段的参数化 – 求解器阶段的参数化
• 基于ANSYS DesignXplorer (DX)的优化仿真过程 • 培训案例
Workbench
• • • ANSYS Workbench是一个项目管理工具，它是连接所有ANSYS软件工具的 顶层接口。 Workbench控制着ANSYS不同工具（几何建模/网格剖分/求解器/后处理） 之间的数据传输。 Workbench为项目管理带来了极大的帮助，用户无需再担心独立的几何、网 格、求解数据等文件在硬盘上的存储位置，只需通过Workbench界面中的工 作流程图即可轻松管理整个项目。 由于Workbench能够管理每个ANSYS软件工具以及它们之前的数据传输， 因此可以很方便地实现自动化的仿真流程，从而实现参数化分析和设计优化 分析。
• B. Static Mixer边界条件和计算结果的参数化和优化仿真
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Workbench工作流程
• Workbench包含了一些预定义的分析系统流程，此外用户也可以通过拖拽各 个软件工具，组合出自定义的分析流程。
cfd仿真分析报告
CFD仿真分析报告1. 研究背景和目的本报告旨在使用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法对某个特定问题进行仿真分析，并提供详细的模型设置、计算方法和结果分析。
2. 模型设置2.1 几何模型在本次仿真分析中，我们选取了某个具体的几何模型进行研究。
该几何模型包括了各种流体流动的关键部分，并且具有一定的复杂性，以保证仿真结果的可靠性和准确性。
2.2 边界条件为了模拟真实的流体流动情况，我们设置了合适的边界条件。
这些边界条件包括了流体的入口速度、出口压力、壁面摩擦等。
通过调整这些边界条件，我们可以模拟不同工况下的流体流动情况。
2.3 流体属性在仿真过程中，我们需要指定流体的物理属性，如密度、粘度等。
这些属性值对于模拟流体流动的精确性和可靠性非常重要。
3. 计算方法3.1 Navier-Stokes方程在本次仿真分析中，我们采用了Navier-Stokes方程来描述流体流动的行为。
Navier-Stokes方程是基于质量守恒和动量守恒原理推导出来的，可以有效地描述流体流动的各种现象。
3.2 数值方法为了求解Navier-Stokes方程，我们采用了某种数值方法。
在本次仿真分析中，我们选择了合适的数值方法，并结合计算资源的可用性进行计算。
3.3 网格划分为了进行计算，我们需要将几何模型划分为离散网格。
这些网格用于存储流体的各种物理量，并且可以在计算过程中进行相应的更新。
4. 结果分析4.1 流体流动分布通过仿真计算，我们得到了流体流动的分布情况。
根据模拟结果，我们可以观察到不同位置的流速、压力等参数的变化规律，进而分析流体在几何模型中的流动情况。
4.2 流体特性分析基于仿真结果，我们可以对流体的特性进行深入分析。
这些特性包括了流体的速度分布、压力分布、湍流情况等，可以为相关领域的研究提供重要的参考依据。
4.3 敏感性分析在某些情况下，我们可能需要对模型参数进行敏感性分析。
计算机与CFD模拟仿真：技术的融合与应用
计算机与CFD模拟仿真：技术的融合与应用
引言
随着科技的不断发展，计算机技术与计算流体力学（CFD）模拟仿真在各个领域的应用越来越广泛。
本文将详细介绍计算机技术与CFD模拟仿真在各领域中的应用，包括航空航天、汽车设计、能源电力、环境工程等。
通过深入探讨计算机技术与CFD模拟仿真的融合与应用，我们将更好地理解这一技术在推动科技进步与发展中的重要作用。
一、计算机技术的发展
自20世纪以来，计算机技术经历了飞速的发展。
从最初的巨型机，到现在的个人电脑和移动设备，计算机的处理能力和存储能力得到了极大的提升。
同时，计算机技术也变得越来越普及，为人们的生活和工作带来了极大的便利。
在科学研究领域，计算机技术同样发挥了重要的作用。
例如，超级计算机的出现，使得大规模并行计算成为可能，从而大大提高了科学研究的效率和质量。
同时，云计算技术的发展，也使得数据的存储和处理变得更加方便和高效。
二、CFD模拟仿真简介
CFD（Computational Fluid Dynamics）是计算流体力学的简称，是一种通过数值计算方法模拟流体流动、传热、传质等物理现象的技术。
CFD模拟仿真在流体动力学、环境工程、航空航天等领域有着广泛的应用。
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第七章CFD仿真模拟一．初识CFDCFD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CFDCFD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•预测成本最低较低较昂贵最高预测周期最短较短较长最长•结果的完备性简略简略最详细较详细•结果的可靠性差差较好最好•适用性 1机械通风，且与实际射流条件有关 2机械和自然通风， 3一定条件机械和自然通风4机械和自然通风••三．什么是CFD•什么是CFD？简单地说，CFD就是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术，这其中将涉及流体力学（尤其是湍流力学）、计算方法乃至计算机图形处理等技术。
•因问题的不同，CFD技术也会有所差别，如可压缩气体的亚音速流动、不可压缩气体的低速流动等。
对于暖通空调领域内的流动问题，多为低速流动，流速在10m/s以下；流体温度或密度变化不大，故可将其看作不可压缩流动，不必考虑可压缩流体高速流动下的激波等复杂现象。
从此角度而言，此应用范围内的CFD和数值传热学NHT（Numerical Heat Transfer）等同。
另外，暖通空调领域内的流体流动多为湍流流动，这又给解决实际问题带来很大的困难。
由于湍流现象至今没有完全得到解决，目前HVAC内的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解决。
总体而言，CFD通常包含如下几个主要环节：建立数学物理模型、数值算法求解、结果可视化。
可表述为图1所示的过程：•图1 CFD的过程示意3.1 建立数学物理模型•建立数学物理模型是对所研究的流动问题进行数学描述，对于暖通空调工程领域的流动问题而言，通常是不可压流体的粘性流体流动的控制微分方程。
另外，由于暖通空调领域的流体流动基本为湍流流动，所以要结合湍流模型才能构成对所关心问题的完整描述，便于数值求解。
如下式为粘性流体流动的通用控制微分方程，随着其中的变量f 的不同，如f 代表速度、焓以及湍流参数等物理量时，上式代表流体流动的动量守恒方程、能量守恒方程以及湍流动能和湍流动能耗散率方程。
基于该方程，即可求解工程中关心的流场速度、温度、浓度等物理量分布。
3.2 数值算法求解•上述的各微分方程相互耦合，具有很强的非线性特征，目前只能利用数值方法进行求解。
这就需要对实际问题的求解区域进行离散。
数值方法中常用的离散形式有：有限容积，有限差分，有限元。
目前这三种方法在暖通空调工程领域的CFD技术中均有应用。
总体而言，对于暖通空调领域中的低速，不可压流动和传热问题，采用有限容积法进行离散的情形较多。
它具有物理意义清楚，总能满足物理量的守恒规律的特点。
离散后的微分方程组就变成了代数方程组，表现为如下形式可见，通过离散之后使得难以求解的微分方程变成了容易求解的代数方程，采用一定的数值计算方法求解 (2) 式表示的代数方程，即可获得流场的离散分布。
从而模拟关心的流动情况。
3.3 结果可视化•上述代数方程求解后的结果是离散后的各网格节点上的数值，这样的结果不直观，难以为一般工程人员或其他相关人员理解。
因此将求解结果的速度场、温度场或浓度场等表示出来就成了CFD技术应用的必要组成部分。
通过计算机图形学等技术，就可以将我们所求解的速度场和温度场等形象、直观地表示出来。
如下图2所示即为某会议室侧送风时的速度场和温度场。
其中颜色的暖冷表示温度高低，矢量箭头的大小表示速度大小。
可见，通过可视化的后处理，可以将单调繁杂的数值求解结果形象直观地表示出来，甚至便于非专业人士理解。
如今，CFD的后处理不仅能显示静态的速度、温度场图片，而且能显示流场的流线或迹线动画，非常形象生动。
图2a 某会议室侧送风形成的温度分布图2b 某会议室侧送风形成的速度分布四．CFD在暖通空调中的应用•了解了为什么用CFD、什么是CFD之后，我们关心的问题就是CFD如何应用于暖通空调工程。
CFD主要可用于解决以下几类暖通空调工程的问题：• 4.1 通风空调空间气流组织设计通风空调空间的气流组织直接影响到其通风空调效果，借助CFD可以预测仿真其中的空气分布详细情况，从而指导设计。
通风空调空间通常又可分为：普通建筑空间，如住宅、办公室、高大空间等；特殊空间，如洁净室、客车、列车及其它需要空调的特殊空间。
如图3为利用CFD设计的某体育馆高大空间和某空调客车内部的气流组织结果，由此说明了CFD技术在通风空调空间气流组织设计方面的应用。
图中用色调的暖冷表示温度的高低，矢量箭头的长短表示速度的大小，将空调空间内的流场形象直观地表示出来。
4.2 建筑外环境分析设计建筑外环境对建筑内部居者的生活有着重要的影响，所谓的建筑小区二次风、小区热环境等问题日益受到人们的关注。
采用CFD可以方便地对建筑外环境进行模拟分析，从而设计出合理的建筑风环境。
而且，通过模拟建筑外环境的风流动情况，还可进一步指导建筑内的自然通风设计等。
图4所示为利用CFD对某建筑小区的风环境模拟所得结果。
图中色调暖冷和箭头长短均表示速度的大小。
4.3 建筑设备性能的研究改进暖通空调工程的许多设备，如风机、蓄冰槽、空调器等，都是通过流体工质的流动而工作的，流动情况对设备性能有着重要的影响。
通过CFD模拟计算设备内部的流体流动情况，可以研究设备性能，从而改进其更好地工作，降低建筑能耗，节省运行费用。
如图5所示为对某蓄冰槽冬季用于蓄热以提高其利用率的CFD分析结果，图中显示的蓄热某时刻的槽内水温分布。
由图可见此时槽内流动分层，没有明显的掺混流动，可以保证较好的蓄热和取热效果。
图3a 某体育馆空调送风速度分布图•图3b 某空调客车内部空气气流组织图图4 某小区外风环境模拟结果图5 蓄冰槽蓄热动态过程分析五．国内外研究动态•CFD在暖通空调工程的应用始于1974年，国外在这方面发展较快，目前国内也有一些大学或科研机构在对此进行研究。
就其研究方向而言，主要可分为两方面：基础研究和应用研究。
目前，美国、欧洲、日本等发达国家对CFD的基础和应用研究都处于领先水平，我国的清华大学等也有较为独特的研究方向。
下面简要介绍。
• 5.1 基础研究方面目前CFD在暖通空调工程的应用基础研究方面，主要有如下新动态：(1) 室内空气流动的简化模拟：美国MIT，从描述空调风口入流边界条件的方法、湍流模型等方面进行研究，以对室内空气流动进行简化模拟；中国清华大学，研究空调风口入流边界条件的新方法、湍流模型以及数值算法，建立室内空气流动数值模拟的简捷体系；2) 室内外空气流动的大涡模拟：美国MIT、日本东京大学，研究大涡模拟这一高级湍流数值模拟技术在室内外空气流动模拟中的应用，目前已经开始尝试用于建筑小区和自然通风模拟等；(3) 室内空气流动模拟和建筑能耗的耦合模拟：美国MIT，通过将简化的CFD模拟方法和建筑能耗计算耦合对建筑环境进行设计；5.2 应用研究方面(1) 自然通风的数值模拟：美国MIT、香港大学等，主要借助大涡模拟工具研究自然通风问题；(2) 置换通风的数值模拟：美国MIT、丹麦Aalborg大学、中国清华大学等，如地板置换通风、座椅送风等；(3) 高大空间的数值模拟：中国清华大学等，以体育场馆为主的高大空间的气流组织设计及其与空调负荷计算的关系研究；(4) VOC散发的数值模拟：美国MIT等，借助CFD研究室内有机散发污染物在室内的分布，研究室内IAQ问题；(5) 洁净室的数值模拟：中国清华大学等；对型式比较固定的洁净室空调气流组织形式进行数值模拟，指导工程设计；•。