CFD概念及应用PPT课件

( tT)d(iv u)T d ic k v pgra T d ST
2021/3/7
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CFD控制方程
▪ 组分质量守恒方程(species mass-conservation equations)：系统内某种化学组分质量对时间 的变化率，等于通过系统界面净扩散流量与通 过化学反应产生的该组分的生产率之和。
▪ 飞机和航天飞机等到飞行器的设计；
▪ 汽车流线外型对性能的影响；
▪ 洪水波及河口潮流计算；
▪ 风载荷对高层建筑物稳定性及结构性能的影响；
▪ 温室及室内的空气流动及环境分析；
▪ 电子元器件的冷却；
▪ 换热器性能分析及换热器片形状的选取；
▪ 河流中污染的扩散；
▪ 汽车尾气对街道环境的污染；
▪2021食/3/品7 中细菌的运移。
体动力学基本方程的学科，通过计算机数值计算和
图像显示，对包含有流体力学流动和热传导等到相 关物理现象的系统所做的分析。
★控制方程：质量守恒方程、动量守恒方程、能量 守恒方程、组分质量守恒方程
★CFD方法可以降低实验的时间和费用等。
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CFD基本概念
★ CFD基本思想：把原来在时间域及空间域上连 续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有 限个点上的变量的集合来代替，能过一这的原则和 方式建立起关于这些离散点上场变量之间的代数方 程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。
▪ 物理模型 – 湍流模型 – 燃烧模型 – 辐射模型 – 多项流模型 – 相变模型 – 移动区域 – 移动网格
▪ 材料特性 ▪ 边界条件 ▪ 初始条件
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CFD在现代设计中的应用
•传统的设计方法流程：
方 案 设 计 详 细 设 计 制 造 样 机 测 试 评 估 ； 性 能 ； 质 量 ；
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CFD控制方程
▪ 质量守恒方程：单位时间内流体微元体中质 量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元 体的净质量。
(u)(v)()0
t x y z
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CFD控制方程
▪ 动量守恒方程：微元体中流体的动量对时间 的变化率等于外界作用在该微元体上的的各 种力之和。
CFD概念及应用
李立锋 福建龙净环保股份有限公司实验研究中心
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目录
▪ 前言 ▪ CFD简介 ▪ CFD分析的基本步骤 ▪ CFD应用 ▪ 结论
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前言
随着我国经济的不断发展，环保标准日趋严格，燃 煤电厂的粉尘排放浓度降低到50mg/Nm3。这样就 对除尘器的设计、制造、设备性能提出了更高的要 求。而对设备的优化设计离不开模型试验,但模型实 验往往是场地大、时间长、费用高。采用CFD数值 分析方法则可以减少模型实验次数，甚至不需要模 型实验就能解决一些因实验条件限制难以解决的问 题，为电除尘器的优化设计提供依据。
应用 CFD可以提高企业的竞争能力和设计水平； 是企业数值化的重要部分；带来了崭新的设计理念和 提供了新的途径。
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CFD的基本概念
CFD的应用领域
近年来，CFD有了很大发展，替代了经典流体力学中的一些近似计算法 和图解法。典型的应用场合及相关的工程问题包括：
▪ 水轮机、风机和泵等流体机械内部的流体流动；
★ CFD方法恰好克服了前两种方法的弱点，在计算 机上实现一个特定的计算，就好像在计算机上做一 次物理试验。可以通过计算机看到流场的各种细节， 如压力的分布，速度的分布、方向，涡的生成与传 播，流动的分离等。
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CFD基本概念
CFD可以应用于： ☆新产品设计的概念研究
☆产品开发的细节 ☆发现并解决故障 ☆产品的重新设计
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流体研究的方法
目前，一般将流体力学的研究和分析手段分 为理论分析、实验研究和数值计算三种。而 这三种方法组成了研究流体流动问题的完整 体系。
单纯试验研究
单纯理论分析
计算流体动力 学（CFD）
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流体的研究方法
▲ 理论分析具有普遍性――各种影响因素清晰 可见、为实验和计算研究提供依据
(u)
t
div(uu)
p x
xxxyxyzxzFx
(v)
t
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p y
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y
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Fy
()
t
div(u)
p z
xz
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y
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Fz
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CFD控制方程
▪ 能量守恒方程(energy conservation equation)：微元体中能量的增加率等于进入 微元体的净热流量加上体力与面力对微元体 所做的功。
不 通 过
•应用CFD的设计流程：
通 过
可 通 过 否 ？
投 产
方 案 设 计 CFD评 估 详 细 设 计 试 验 验 证 投 产
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CFD的优势：
☆“数值实验”比“物理实验”具有更大的自由度 和灵活性，例如“自由”地选取各种参数，不受物 理模型和实验模型的限制等
☆“数值实验”可以进行“物理实验”不可能或很 难进行的实验；例如：高温、有毒、易燃等真实 条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件
( tc s) d(iu v x)c d(D isg v r (c a s)) d S s
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CFD结构
前处理
▪ 几何 模型
▪ 网格 生成
▪ 解算器 设置
▪ 后处理
解算器
求解的方程
▪ 输运方程 – 质量 ▪ 组分质量分数 ▪ 相体积分数 – 动量 – 能量
▪ 状态方程 ▪ 物理模型
☆“数值实验”的经济效益极为显著，而且将越来 越显著
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CFD方法存在的问题与不足
△流动机理不明的问题，数值工作无法进 行
▲实验研究仍是研究工作的基石，数值研究 的许多方面都密切依赖于实验研究：实验提供数 据；计算结果需由实验验证；观察实验现象分析 实验数据以建立计算模型等等
▲数值模拟是特殊意义下的实验，也称数值实 验
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CFD基本概念
★计算流体力学（Computation Fluid Dynamics， 简称CFD）就是在电子计算机上数值求解流体与气