《CFD概念及应用》课件
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第1课时 CFD基础教程
CFD基础教程
第一课时
1 什么是CFD？
CFD：即计算流体力学（Computational Fluid Dynamics），是近代流 体力学，数值计算和计算机等结合产物。它以计算机为工具，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。
后处理
Tecplot、Origin、CFD-Post、ParaView、OpenDX…用
（3）海洋工程
2 CFD应用
（4）汽车工业
2 CFD应用
（4）能源工程
2 CFD应用
（5）化学工程
2 CFD应用
（5）生物工程
3 为什么需要CFD？
CFD优势： （1）不需要实验模型、风洞、仪器仪表等，周期短，可节省 大量成本， （2）计算结果丰富，可提供详细流场结构。 （3）可模拟难以进行实验的流动问题：超音速、高温高压 （4）能实现虚拟设计与制造
CFD可以做什么？ （1）复杂复杂流动问题：泵、风机、阀门等 （2）化学组分混合、燃烧、反应过程：反应器、燃烧器、锅炉 （3）传热、传质、相变过程：换热器、省煤器、过滤器、热水器 （4）多相流动问题：气液、气固、气液固、油气水 （5）流固耦合：应力分析
2 CFD应用
（1）航空航天
2 CFD应用
4 CFD发展
5 CFD模拟概述
6 CFD常用软件
前处理
CAD、Pro-E、SolidWorks、ICEM、Gambit、Delaundo、 Engrid、GMSH、gridgen、IA-FEMesh……
仿真计算
CFX、Fluent、CFX、Openfoam、COMSOL Multiphysics、FloEFD、PHOENICS、STAR-CD、STARCCM+、Polyflow、 Icepak、CFX-TASCflow……
第一课时
1 什么是CFD？
CFD：即计算流体力学（Computational Fluid Dynamics），是近代流 体力学，数值计算和计算机等结合产物。它以计算机为工具，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。
后处理
Tecplot、Origin、CFD-Post、ParaView、OpenDX…用
（3）海洋工程
2 CFD应用
（4）汽车工业
2 CFD应用
（4）能源工程
2 CFD应用
（5）化学工程
2 CFD应用
（5）生物工程
3 为什么需要CFD？
CFD优势： （1）不需要实验模型、风洞、仪器仪表等，周期短，可节省 大量成本， （2）计算结果丰富，可提供详细流场结构。 （3）可模拟难以进行实验的流动问题：超音速、高温高压 （4）能实现虚拟设计与制造
CFD可以做什么？ （1）复杂复杂流动问题：泵、风机、阀门等 （2）化学组分混合、燃烧、反应过程：反应器、燃烧器、锅炉 （3）传热、传质、相变过程：换热器、省煤器、过滤器、热水器 （4）多相流动问题：气液、气固、气液固、油气水 （5）流固耦合：应力分析
2 CFD应用
（1）航空航天
2 CFD应用
4 CFD发展
5 CFD模拟概述
6 CFD常用软件
前处理
CAD、Pro-E、SolidWorks、ICEM、Gambit、Delaundo、 Engrid、GMSH、gridgen、IA-FEMesh……
仿真计算
CFX、Fluent、CFX、Openfoam、COMSOL Multiphysics、FloEFD、PHOENICS、STAR-CD、STARCCM+、Polyflow、 Icepak、CFX-TASCflow……
CFD技术介绍PPT课件
这样最佳地发挥了商用CFD软件开发人员和其它专业研究人员各
自的20智21/3力/7 优势，为解决实际工C程HE问NLI题开辟了道路。
2
2. CFD软件基本功能
CFD不仅可以预测流体流动性质，还可以得到传质（如分离和 溶解），传热（导热、对流和热辐射），相变（如凝固和沸腾）， 化学反映（如燃烧和污染物生成），机械运动（涡轮机），以及 相关结构的压力和变形（如风中桅杆的弯曲）等等性质。
使用CFD软件，至少基于以下三点：
❖通常很难模型化的系统，而CFD分析能够展示别的手段所不能揭 示的系统的性质和现象，因为CFD对你的设计提供很强的可视能 力；
❖一旦你给定你的问题的参量，CFD能够快速的给出你想要的结果； 这样你才有可能在很短的时间内调整你设计的问题的参数，得到 最好的优化结果；
❖采用CFD是一种十分经济的做法。由于它的开发周期短，因此能 节省大量的人力物力，使产品能更快的进入市场。
并生成结果数据；后处理过程通常是对生成的结果数据进行组织
和诠2释021/，3/7 一般以直观可视的图像CHE或NL动I 画形式给出来。
3
CFD处理工具有以下一些：
用 于 前 处 理 ： Gambit，T—grid ，GridPro，GridGen，ICEM CFD等。
用于计算分析： Fluend，FIDAP，POLYFLOW等。
随着计算机硬件和软件技术的发展和数值模拟计算方法的日趋
成熟，出现了基于现有流体力学理论的商用CFD软件。商用CFD
软件使许多不擅长CFD的其它专业研究人员能够轻松地进行流动
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考虑所计算的流动问题的物理本质、问
计算流体力学CFD课件
2 数值方法
探索常见偏微分方程，如Navier-Stokes方程， 以及它们在CFD中的作用。
介绍数值方法在CFD中的应用，包括差分法和 有限பைடு நூலகம்法等。
网格划分
传统网格划分方法
深入了解传统网格划分方法，如结构化网格和非结 构化网格。
自适应网格划分方法
探索自适应网格划分的原理和优势，以及它们在复 杂流体问题中的应用。
离散化方法
1
有限体积法
研究有限体积法如何将连续流场离散化并转化为离散方程。
2
有限元法
了解有限元法如何适用于复杂几何体和非线性问题的流体力学分析。
3
边界元法
探索边界元法的应用，特别是处理流体-结构相互作用的问题。
求解器
显式求解器
介绍显式求解器的原理和适用 情况，以及它们在CFD中的角色。
隐式求解器
深入了解CFD在多相流动模拟中的应用，如湍流、颗粒运动等。
计算结果的处理与分析
后处理
介绍CFD计算结果的后处理方法，如可视化和数 据提取。
结果评估
讨论如何评估CFD计算结果的准确性和稳定性。
优化设计
1
CFD在优化设计中的应用
了解如何在CFD中应用优化算法和敏感性
典型实例
2
分析来改善产品设计。
分享一些使用CFD进行优化设计的典型案 例，如空气动力学优化和燃烧过程优化。
计算流体力学CFD的发展前景
CFD的新发展方向
探讨CFD在多物理场耦合、不确定性分析和大规模并 行计算等方面的未来研究方向。
未来展望
展望计算流体力学在工程和科学领域的未来应用及 其潜在影响。
了解隐式求解器的优势和使用 场景，以及它们在稳态和不可 压缩流体问题中的应用。
CFD基础知识
dxdydz
控制体内流体的增加率 ¶ r (dxdydz)
¶t
根据物质守恒原则，流出控制体内的总流率应等于控
制体内流体的增加率的负值
轾 犏 犏 臌抖(抖rxu) +
(r v) ? (r w)
+ y
抖z
dxdydz = -
¶ r (dxdydz)
t
或者
¶r 抖t
+
轾 犏 犏 臌抖(rxu) +
(r v) ? (r w)
p x
xx
x
yx
y
zx
z
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量 方 程
Dv Dt
p y
xy
x
yy
y
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Dw Dt
p z
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x
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y
zz
z
fz
×u ×v ×w
( ) r
D
u2 2 Dt
=
-
u
¶p 抖x
+
u
抖t xx x
+
u
¶ t yx 抖y
+
u
t zx z
+
r ufx
( ) r
D
v2 2 Dt
=-
v
¶p 抖y
牛顿流体与非牛顿流体
牛顿流体 非牛顿流体
μ的单位N·s/m2 ν的单位m2/s
运动粘度
F
Y
F dv
dy
定常与非定常流动
定常（steady）流动，也叫稳态流动 非定常（unsteady）流动，也叫非稳态
流动或瞬态（transient）流动 世界上没有真正的稳态流动
工程流体力学的计算方法CFD基础课件
详细描述
云计算技术使得大规模CFD模拟成为 可能，同时提供了灵活的计算资源和 数据管理方式。未来，云计算技术将 进一步优化，以降低计算成本和提高 计算效率。
THANKS
CFX
工业标准的CFD软件
CFX是全球公认的工业标准的CFD软件之一，广泛应用于能源、化工、航空航天、汽车等领域。它具 有强大的求解器和先进的物理模型，能够模拟复杂的流体流动和传热问题，并提供丰富的后处理功能 。
OpenFOAM
开源CFD软件
OpenFOAM是一款开源的CFD软件，由C编写，具有高度的灵活性和可定制性。它提供了丰富的工具包和案例库，适用于各 种流体动力学模拟，包括复杂流动、传热、化学反应等问题。
粘性。
热传导
流体在温度梯度作用下会产生 热传导现象。
流体动力学基本方程
质量守恒方程
表示流体质量随时间的变化规律 。
动量守恒方程
表示流体动量随时间的变化规律。
能量守恒方程
表示流体能量随时间的变化规律。
流体流动的分类
层流流动
均匀流动和非均匀流动
流体质点仅沿流线方向作有规则的线 运动，互不混杂。
根据流动是否具有空间均匀性进行分 类。
06
CFD未来发展与挑战
高精度算法与求解器
总结词
随着计算能力的不断提升，高精度算法和求解器在 CFD领域的应用将更加广泛。
详细描述
高精度算法和求解器能够提供更精确的流场模拟结果 ，有助于更深入地理解流体动力学现象。未来，高精 度算法和求解器将进一步优化，以适应更复杂、更高 要求的CFD模拟。
多物理场耦合模拟
有限体积法的优点在于能够很好地处 理流体流动中的非线性特性和复杂边 界条件，因此在工程流体力学中得到 了广泛应用。
云计算技术使得大规模CFD模拟成为 可能，同时提供了灵活的计算资源和 数据管理方式。未来，云计算技术将 进一步优化，以降低计算成本和提高 计算效率。
THANKS
CFX
工业标准的CFD软件
CFX是全球公认的工业标准的CFD软件之一，广泛应用于能源、化工、航空航天、汽车等领域。它具 有强大的求解器和先进的物理模型，能够模拟复杂的流体流动和传热问题，并提供丰富的后处理功能 。
OpenFOAM
开源CFD软件
OpenFOAM是一款开源的CFD软件，由C编写，具有高度的灵活性和可定制性。它提供了丰富的工具包和案例库，适用于各 种流体动力学模拟，包括复杂流动、传热、化学反应等问题。
粘性。
热传导
流体在温度梯度作用下会产生 热传导现象。
流体动力学基本方程
质量守恒方程
表示流体质量随时间的变化规律 。
动量守恒方程
表示流体动量随时间的变化规律。
能量守恒方程
表示流体能量随时间的变化规律。
流体流动的分类
层流流动
均匀流动和非均匀流动
流体质点仅沿流线方向作有规则的线 运动，互不混杂。
根据流动是否具有空间均匀性进行分 类。
06
CFD未来发展与挑战
高精度算法与求解器
总结词
随着计算能力的不断提升，高精度算法和求解器在 CFD领域的应用将更加广泛。
详细描述
高精度算法和求解器能够提供更精确的流场模拟结果 ，有助于更深入地理解流体动力学现象。未来，高精 度算法和求解器将进一步优化，以适应更复杂、更高 要求的CFD模拟。
多物理场耦合模拟
有限体积法的优点在于能够很好地处 理流体流动中的非线性特性和复杂边 界条件，因此在工程流体力学中得到 了广泛应用。
《CFD典型案例》课件
火箭发动机设计
CFD模拟可以优化火箭发动 机的外形和喷口，有效提高 推力和性能。
CFD在建筑设计中的应用案例
1 高性能建筑设计
CFD模拟能够预测和 优化大楼的空气流动 和热特性，降低能源 消耗。
2 吸烟和火灾安全
研究
3 热舒适性分析
CFD可以分析和优化
CFD模拟可以研究室
各个房间的温度和颗
内烟雾和火灾，为防
CFD在航空航天工程中的应用案例
气动外形优化
通过CFD模拟优化飞机的气动外形设计， 优化几何形状，降低飞行噪音。
机翼设计
利用CFD对飞机机翼的气体流动进行模拟， 以获得合适的机翼面积、攻角和形状。
喷气发动机燃烧过程
使用CFD研究喷气发动机燃烧过程，分析 燃料的消耗量，改善燃烧效率。
空气动力学分析的推进器件和空 气船
CFD的应用
它被广泛应用于空气动 力学、船舶和海洋工程、 汽车、化学工程、建筑 和能源领域等。
CFD在工程领域的应用案例
风力涡轮机设计
通过CFD模拟风场容易的拟 合不同风力条件下涡轮的强 线上的成本和时间， 预测管道的压降，选择合适 的管道尺寸。
通过CFD分析热交换器的效 率，最大程度上降低了冷却 和加热过程中的压力损失。
《CFD典型案例》PPT课 件
欢迎来到《CFD典型案例》PPT课程！在这期课程中，我们将深入研究计算流 体力学的概括和应用。
CFD概述
什么是CFD？
计算流体力学（CFD）是 应用数学、物理和计算 机科学知识解决流体力 学问题的方法。
CFD的工作原理
通过分割流体域来确定 计算格点，然后使用数 值方法求解支配流体运 动的方程的方法来模拟 流体力学问题。
CFD在动力工程中的应用ppt课件
2、20 世纪60 年代起伴随计算机技术迅速崛起的学科。 经过半个世纪的 迅猛发展， 这门学科目前己相当成熟。
3、成熟的一个重要标志就是近十几年来， 各种 CFD 通用性软件包陆续出现， 成为商业化软件，为工业界广泛接受，性能日趋完善，应用范围不断扩 大。
4、至今，CFD 技术的应用早已超越传统的流体力学和流体工程的范畴， 从航空、航天、船舶、热能、动力、水利等领域扩展到化工、核能、冶金、 建筑、环境等许多相关领域
潜艇推进系统
绕船流动
电子元器件散热
涡轮机叶片
汽车尾气扩散
CFD的应用领域
桥梁抗风
塔吊
桥梁结构
发动机缸盖冷却热耦合模拟
发动机喷燃室喷射特性
已开展的工作
锅炉燃烧
河南某300MW “W”火焰炉
温度场
O2
NO
已开展的工作
锅炉结焦
温度场
氧量场
燃烧器中心区域
速度场
温度场
氧量场
侧墙区域
已开展的工作
磨煤机分离器改造
精选版课件ppt
27
举例（河南某660MW锅炉SCR催化剂磨损数值模拟）
改造尺寸
900 560
1100 200
30度
静态混合器
2200
4600
喷氨格栅
3800
举例（河南某660MW锅炉SCR催化剂磨损数值模拟）
计算结果
改造后速度场
举例（河南某660MW锅炉SCR催化剂磨损数值模拟）
计算结果
改造后颗粒场
此课件下载可自行编辑修改，供参考！ 感谢您的支持，我们努力做得更好！
简化模型
举例（河南某660MW锅炉SCR催化剂磨损数值模拟）
3、成熟的一个重要标志就是近十几年来， 各种 CFD 通用性软件包陆续出现， 成为商业化软件，为工业界广泛接受，性能日趋完善，应用范围不断扩 大。
4、至今，CFD 技术的应用早已超越传统的流体力学和流体工程的范畴， 从航空、航天、船舶、热能、动力、水利等领域扩展到化工、核能、冶金、 建筑、环境等许多相关领域
潜艇推进系统
绕船流动
电子元器件散热
涡轮机叶片
汽车尾气扩散
CFD的应用领域
桥梁抗风
塔吊
桥梁结构
发动机缸盖冷却热耦合模拟
发动机喷燃室喷射特性
已开展的工作
锅炉燃烧
河南某300MW “W”火焰炉
温度场
O2
NO
已开展的工作
锅炉结焦
温度场
氧量场
燃烧器中心区域
速度场
温度场
氧量场
侧墙区域
已开展的工作
磨煤机分离器改造
精选版课件ppt
27
举例（河南某660MW锅炉SCR催化剂磨损数值模拟）
改造尺寸
900 560
1100 200
30度
静态混合器
2200
4600
喷氨格栅
3800
举例（河南某660MW锅炉SCR催化剂磨损数值模拟）
计算结果
改造后速度场
举例（河南某660MW锅炉SCR催化剂磨损数值模拟）
计算结果
改造后颗粒场
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简化模型
举例（河南某660MW锅炉SCR催化剂磨损数值模拟）
CFD概念及应用 ppt课件
CFD概念及应用
目录
▪ 前言 ▪ CFD简介 ▪ CFD分析的基本步骤 ▪ CFD应用 ▪ 结论
PPT课件
2
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。
▲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
PPT课件
5
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
(u)
t
div(uu)
p x
xx
x
yx
y
zx
z
Fx
(v)
t
div(vu)
p y
xy
x
yy
y
zy
z
Fy
( )
t
div(u)
p z
xz
x
yz
y
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。
PPT课件
目录
▪ 前言 ▪ CFD简介 ▪ CFD分析的基本步骤 ▪ CFD应用 ▪ 结论
PPT课件
2
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。
▲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
PPT课件
5
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
(u)
t
div(uu)
p x
xx
x
yx
y
zx
z
Fx
(v)
t
div(vu)
p y
xy
x
yy
y
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z
Fy
( )
t
div(u)
p z
xz
x
yz
y
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。
PPT课件
第1讲 CFD软件应用
FLUENT流体工程仿真计算实例与应用 作者：韩占忠 王敬 译者：兰小平 出版社：北京理工大学出版社 出版日期：2004-6-11
Fluent技术基础与应用实例(CAD/CAM/CAE实 用技术) 【作者】 王瑞金 张凯 王刚 【出版社】 清华大学出版社 【版次】 2007年02月 第二版 本书基于Fluent 6.2.16版本、Gambit 2.2.30版本 和Tecpeot 10.0版本
计算传热学（NHT）发展简史
第一阶段---萌芽初创时期(1965---1974)
➢ 交错网格 ➢ 迎风格式 ➢ 1967年Patankar和Spalding发表了求解抛物型
流动P-S方法 ➢ 1972年SIMPLE算法问世 ➢ 1974年Thompson适体坐标---网格生成技术
第二阶段---开始走向工业应用阶段（1975---1984)
偏微分形式的控制方程离散化
t
(
ui)
xi
(
ui xj
)
S
源项
非稳态项
对流项
扩散项
把控制方程中的各阶导数用 相应的差分表达式来代替
a a a a a a a
b
PP
EE
WW
NN
SS
HH
LL
差分格式
对流扩散方程中对流项的离散格式 迎风格式、中心差分格式、混合格式、乘方格式、QUICK格式等
形成网格
可用于计算机求解的代 数方程（差分方程）
CFD ＆ NHT
计算传热学就是用离散的有限点的状态变量去刻划和 近似连续的无限点的真实过程。 这个刻划和近似的依据就是真实过程所应该满足的基 本方程。 因此我们计算传热学所得到的解是这样一种形式：
(tn , xi , y j , zk )
CFD分析理论及应用技术PPT课件
流速，压力等
边界条件
边界条件 网格
网格 网格
网格
以网格上离散的值构建差分方程的方法称为差分格式，离散网格上的差分方程是连 续空间上的微分方程的近似。使用不同的差分格式，计算的精度、稳定性都有变化。
从上风获得网格的值 上风差分(UD)格式=Upwind Differencing 一阶精度
MARS格式=Monotone
供的常数。 ·然而标准k-e模型是一种高雷诺数的模型，RNG理论提供了一个考虑低雷诺数流动 粘性的解析公式。这些公式的效用依靠正确的对待近壁区域。这些特点使得RNG k-e 模型比标准k-e模型在更广泛的流动中有更高的可信度和精度。
.
7
带旋流修正的k-e模型（Realizable模型）
带旋流修正的 k-e 模型是近期才出现的，比起标准k-e 模型来有两个主要的不同 点。 ·带旋流修正的 k-e 模型为湍流粘性增加了一个公式。 ·为耗散率增加了新的传输方程，这个方程来源于一个为层流速度波动而作的精确 方程术语“realizable”，意味着模型要确保在雷诺压力中要有数学约束，湍流的 连续性。 带旋流修正的 k-e 模型直接的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更精确的 预测。而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好 的表现。带旋流修正的 k-e 模型和RNG k-e 模型都显现出比标准k-e 模型在强流 线弯曲、漩涡和旋转有更好的表现。 最初的研究表明带旋流修正的k-e 模型在所有k-e 模型中流动分离和复杂二次流有 很好的作用。 带旋流修正的 k-e 模型的一个不足是在主要计算旋转和静态流动区域时不能提供 自然的湍流粘度。这是因为带旋流修正的k-e 模型在定义湍流粘度时考虑了平均旋 度的影响。这种额外的旋转影响已经在单一旋转参考系中得到证实，而且表现要好 于标准k-e 模型。由于这些修改，把它应用于多重参考系统中需要注意。
计算流体动力学(CFD)简介ppt课件
槽 道入口处水流速度为0.1m/s。图中的黑色圆点标志几何区域的控制点，利 用这些控制点就可以确定计算区域的几何形状，O点为坐标原点。
1 6
图3-6 矩形截面管道示意图
图3-7 流体计算区域示意图
1 7
2.4.2 实例分析
当利用Fluent解决某一工程问题时，要详细考虑以下几个问题： (1) 确定计算目标； (2) 选择计算模型； (3) 确定物理模型； (4) 确定解的程序。
9
在以上介绍的Fluent软件包中，求解器Fluent6.2.16是应用范围最广的， 所以在以后的章节中我们会对它进行详细的介绍。这个求解器既可使用 结构化网格，也可使用非结构化网格。对于二维问题，可以使用四边形 网格和三角形网格；对于三维问题，可以使用六面体、四面体、金字塔 形以及契形单元，具体的网格见图3-1。Fluent6.2.16可以接受单块和
TGrid用于从现有的边界网格生成体网格，Filters可以转换由其他软件生 成的网格从而用于Fluent计算。与Filters接口的程序包括ANSYS、 I-DEAS、NASTRAN 、 PATRAN等。
（2）求解器： 它是流体计算的核心，根据专业领域的不同，求解 器主要分以下几种类型。
①Fluent4.5：基于结构化网格的通用CFD求解器。 ②Fluent6.2.16：基于非结构化网格的通用CFD求解器。 ③ Fidap：基于有限元方法，并且主要用于流固耦合的通用CFD求 解器。 ④ Polyflow：针对粘弹性流动的专用CFD求解器。 ⑤ Mixsim：针对搅拌混合问题的专用CFD软件。 ⑥ Icepak: 专用的热控分析CFD软件。 （3）后处理器：Fluent求解器本身就附带有比较强大的后处理功 能。另外，Tecplot也是一款比较专业的后处理器，可以把一些数据可视 化，这对于数据处理要求比较高的用户来说是一个理想的选择。
1 6
图3-6 矩形截面管道示意图
图3-7 流体计算区域示意图
1 7
2.4.2 实例分析
当利用Fluent解决某一工程问题时，要详细考虑以下几个问题： (1) 确定计算目标； (2) 选择计算模型； (3) 确定物理模型； (4) 确定解的程序。
9
在以上介绍的Fluent软件包中，求解器Fluent6.2.16是应用范围最广的， 所以在以后的章节中我们会对它进行详细的介绍。这个求解器既可使用 结构化网格，也可使用非结构化网格。对于二维问题，可以使用四边形 网格和三角形网格；对于三维问题，可以使用六面体、四面体、金字塔 形以及契形单元，具体的网格见图3-1。Fluent6.2.16可以接受单块和
TGrid用于从现有的边界网格生成体网格，Filters可以转换由其他软件生 成的网格从而用于Fluent计算。与Filters接口的程序包括ANSYS、 I-DEAS、NASTRAN 、 PATRAN等。
（2）求解器： 它是流体计算的核心，根据专业领域的不同，求解 器主要分以下几种类型。
①Fluent4.5：基于结构化网格的通用CFD求解器。 ②Fluent6.2.16：基于非结构化网格的通用CFD求解器。 ③ Fidap：基于有限元方法，并且主要用于流固耦合的通用CFD求 解器。 ④ Polyflow：针对粘弹性流动的专用CFD求解器。 ⑤ Mixsim：针对搅拌混合问题的专用CFD软件。 ⑥ Icepak: 专用的热控分析CFD软件。 （3）后处理器：Fluent求解器本身就附带有比较强大的后处理功 能。另外，Tecplot也是一款比较专业的后处理器，可以把一些数据可视 化，这对于数据处理要求比较高的用户来说是一个理想的选择。
CFD在建筑设计中的应用ppt课件
二、自然通风在当代建筑中的重要性
改善空气品质、节能
一、新鲜自然空气，有利于人的生理和心理健康
室内空气品质的优劣很大程度上取决于室外新风量。 室外空气品质的优劣取决于室外气流是否顺畅。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
九、计算流体动力学（CFD）在暖通空调设计中的应用
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
一、自然通风的原理
自然通风的动力:风压和热压
风压:自然通风的风压就是建筑迎风面和背风面 的压力差.
“穿堂风”就是利用风压在建筑内部产生的空气流 动。
深圳地区5~9月，每月都有10天以上的时间，具备采 用自然通风降温的自然条件；
夏热冬暖地区的沿海地区具有较好的自然通风条件， 即使在最热份，也有20%以上的天数，具备采用自然通 风降温的自然条件；
夏热冬暖地区的内陆地区单就气温来讲，在最热份， 均有30%以上的天数，具备采用自然通风降温的室外温 度条件，但室外风速相对较小，大部分在1.0~1.5m/s 左右，因此其自然通风条件不及沿海地区。
相互削弱还不能完全预知。 一般来说，建筑进深小的部位、室外区域多利用风压；
进深较大的部位、高层建筑竖向多利用热压来达到通风的效 果。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
一般来说，建筑进深小的部位、空旷区域多利用风压， 如单体建筑室内、小区等区域（见下图）：
改善空气品质、节能
一、新鲜自然空气，有利于人的生理和心理健康
室内空气品质的优劣很大程度上取决于室外新风量。 室外空气品质的优劣取决于室外气流是否顺畅。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
九、计算流体动力学（CFD）在暖通空调设计中的应用
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
一、自然通风的原理
自然通风的动力:风压和热压
风压:自然通风的风压就是建筑迎风面和背风面 的压力差.
“穿堂风”就是利用风压在建筑内部产生的空气流 动。
深圳地区5~9月，每月都有10天以上的时间，具备采 用自然通风降温的自然条件；
夏热冬暖地区的沿海地区具有较好的自然通风条件， 即使在最热份，也有20%以上的天数，具备采用自然通 风降温的自然条件；
夏热冬暖地区的内陆地区单就气温来讲，在最热份， 均有30%以上的天数，具备采用自然通风降温的室外温 度条件，但室外风速相对较小，大部分在1.0~1.5m/s 左右，因此其自然通风条件不及沿海地区。
相互削弱还不能完全预知。 一般来说，建筑进深小的部位、室外区域多利用风压；
进深较大的部位、高层建筑竖向多利用热压来达到通风的效 果。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
一般来说，建筑进深小的部位、空旷区域多利用风压， 如单体建筑室内、小区等区域（见下图）：
CFD_Lecture_(Introduction_to_CFD)-CFD经典ppt
HVAC
Hydraulics
Streamlines for workstation ventilation
6
Where is CFD used?
Marine (movie) Sports
• Where is CFD used?
• • • • • • • • • •
Aerospace Automotive Biomedical Chemical Processing HVAC Hydraulics
• Viscous vs. inviscid
(Re)
• External flow or internal flow (wall bounded or not) • Turbulent vs. laminar (Re) • Incompressible vs. compressible (Ma) • Single- vs. multi-phase (Ca) • Thermal/density effects (Pr, , Gr, Ec) • Free-surface flow (Fr) and surface tension (We) • Chemical reactions and combustion (Pe, Da) • etc…
•
Modeling (governing equations)
Navier-Stokes equations (3D in Cartesian coordinates)
2u 2u 2u ˆ u u u u p u v w 2 2 2 t x y z x y z x 2v 2v 2v ˆ v v v v p u v w 2 2 2 t x y z y y z x
Hydraulics
Streamlines for workstation ventilation
6
Where is CFD used?
Marine (movie) Sports
• Where is CFD used?
• • • • • • • • • •
Aerospace Automotive Biomedical Chemical Processing HVAC Hydraulics
• Viscous vs. inviscid
(Re)
• External flow or internal flow (wall bounded or not) • Turbulent vs. laminar (Re) • Incompressible vs. compressible (Ma) • Single- vs. multi-phase (Ca) • Thermal/density effects (Pr, , Gr, Ec) • Free-surface flow (Fr) and surface tension (We) • Chemical reactions and combustion (Pe, Da) • etc…
•
Modeling (governing equations)
Navier-Stokes equations (3D in Cartesian coordinates)
2u 2u 2u ˆ u u u u p u v w 2 2 2 t x y z x y z x 2v 2v 2v ˆ v v v v p u v w 2 2 2 t x y z y y z x
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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。
《CFD概念及应用》
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；
▪ 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；
▪ 食品中细菌的运移。
( tT)d(iv u)T d ic k v pgra T d ST
《CFD概念及应用》
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。
t
div(uu)
p x
xx
x
yx
y
zx
z
Fx
(v)
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p y
xy
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yy
y
zy
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Fy
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p z
xz
x
yz
y
zz
z
Fz
《CFD概念及应用》
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
《CFD概念及应用》
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 ☆“数值实验”的经济效益极为显著，而且将越来 越显著
★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。
《CFD概念及应用》
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。
《CFD概念及应用》
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
《CFD概念及应用》
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。
(u)
《CFD概念及应用》
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
△数值工作自身仍然有许多理论问题有待 解决
△离散化不仅引起定量的误差，同时也会引 起定性的误差，所以数值工作仍然离不开实 验的验证
△程序的编制及资料的收集、整理与正确利 用，在很大程度上依赖与试验和技巧
《CFD概念及应用》
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）
《CFD概念及应用》
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
( tc s) d(iu v x)c d(D isg v r (c a s)) d S s
《CFD概念及应用》
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
▪ 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
《CFD概念及应用》
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 ；
★ 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。
《CFD概念及应用》
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
▲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
《CFD概念及应用》
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 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。
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
《CFD概念及应用》
目录
▪ 前言 ▪ CFD简介 ▪ CFD分析的基本步骤 ▪ CFD应用 ▪ 结论
《CFD概念及应用》
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。
《CFD概念及应用》
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；
▪ 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；
▪ 食品中细菌的运移。
( tT)d(iv u)T d ic k v pgra T d ST
《CFD概念及应用》
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。
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《CFD概念及应用》
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
《CFD概念及应用》
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 ☆“数值实验”的经济效益极为显著，而且将越来 越显著
★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。
《CFD概念及应用》
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。
《CFD概念及应用》
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。
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《CFD概念及应用》
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。
(u)
《CFD概念及应用》
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
△数值工作自身仍然有许多理论问题有待 解决
△离散化不仅引起定量的误差，同时也会引 起定性的误差，所以数值工作仍然离不开实 验的验证
△程序的编制及资料的收集、整理与正确利 用，在很大程度上依赖与试验和技巧
《CFD概念及应用》
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）
《CFD概念及应用》
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
( tc s) d(iu v x)c d(D isg v r (c a s)) d S s
《CFD概念及应用》
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
▪ 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
《CFD概念及应用》
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 ；
★ 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。
《CFD概念及应用》
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
▲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
《CFD概念及应用》
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 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。
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
《CFD概念及应用》
目录
▪ 前言 ▪ CFD简介 ▪ CFD分析的基本步骤 ▪ CFD应用 ▪ 结论
《CFD概念及应用》
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。