CFD基础讲座
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体网格与面网格相关 共用壁面节点 （依赖关系）
一、传统的CFD方法
History of CAE/CAD
CFD基础讲座
1940’s • First digital computers developed
1950's
• Commercial computers become available • Academic and industrial research into computer-aided drafting • 2-dimensional tools used to generate machine toolpaths
机舱分析：内外流结合，系统级热流分析结合。主要解决发动机冷却问题 部件散热：给出部件/周围的速度场/压力场/温度场。
提高散热效率（制动器、大灯等） 气动噪声：给出整车或部件的气动噪声。提高舒适性 发动机相关：缸内燃烧、进排气道、冷却系统、旋风除尘、污染 … … 专门问题： 泵、气/油路、轮胎、 … …
求解方法 网格性质 方程属性 网格数量
有限单元法 (FEM) 固定于介质－拉格朗日方法 线性 / 非线性 几万－几十万
CFD的难点：
▪ 非线性 ▪ 计算量大 （网格百万－千万）
CFD基础讲座
流动分析
流体 （气体，液体，…），无固定形状，没有“大变形”概念
固体（如车）只是边界，通常不须考虑其属性
粘性流体
CFD基础概要
CFD基础讲座
目录
CFD基础讲座
ห้องสมุดไป่ตู้
一、传统的CFD方法 二、CFD 问题分类。汽车工业中的CFD问题 三、N-S方程处理方式 四、CFD 解题的一般步骤 五、与FEA的对比 六、常见CFD软件及其结构 七、常用前处理工具介绍与演示
与CFD软件的接口 八、网格类型介绍 九、 LBM方法简介 十、部分应用算例
2. 建模
几何模型 （Catia. Pro/E …）→ CFD 模型（面网格）。 根据问题性质。 常用工具：HyperMesh, ANSA, IcemCFD, CFD前处理模块 … … 汽车行业的复杂几何需要强大的建模工具
3. 生成体网格
含边界层网格。通常在CFD软件中生成。
4. 设定各种求解条件与模型
三、N-S方程处理方式
主要模拟方式
LES 大涡模拟 （气动噪声）
CFD基础讲座
RANS 雷诺平均
RSM 雷诺应力模型
涡粘模型
双方程
标准 k-ε模型 RNG k-ε模型
realizable k-ε模型
k-ω模型
单方程
零方程
四、CFD 解题的一般步骤
CFD基础讲座
1. 确定问题的性质与分析目标，制定分析方案 方案比较 or 绝对值？ 简化方式？ （散热中的辐射，除霜中的相变）… …
美国 Blue Ridge Numerics 美国 EXA
一、传统的CFD方法
CFD基础讲座
传统CFD方法的特点： 基于连续介质力学原理 认为在所考虑的空间，流体是连续分布的 流体的运动规律服从N-S方程组（连续）
主要用有限体积法（FVM）离散、求解RANS方程组 连续问题 →离散化→求解→近似的连续结果 （少数软件采用有限元方法）
对于特定的问题添加相应的方程（连续） 能量、组分、声学、燃烧、辐射等
边界条件，材料属性，计算模型，求解方式，监视变量等
5. 求解
监视收敛情况，进行必要的调整
6. 提取结果，后处理
生成需要的数表与图形
7. 撰写报告
五、与FEA的对比
CFD ≠ FEA （有限元分析） 结构分析
处理对象 固体结构本身
力学模型
与
数学模型
弹、塑性体
固体力学方程组
(平衡/动力学方程)
（位移、应力）
1960's
• Development of interactive computer graphics (“Sketchpad”) • Large companies develop own CAD software based on room-sized mainframes
o primarily automotive, aerospace, and government agencies • Development of finite-element analysis and computer-aided manufacturing tools
1970's
• US Navy begins development of 3-dimensional programs • CAD still represents "Computer-Aided Drafting" to majority of industry • Development of CFD begins in earnest
商品化CFD软件出现于80年代，90年代后期进入中国汽车行业。
二、问题分类
从CFD角度： 时间相关：定常，非定常 （稳态，瞬态） 热能相关：流场分析，流场+温度场分析 压缩性：低速流动（如汽车），高速流动 物相：连续相，离散相
单相流，多相流 组分： 单组分，多组分 网格状态：固定网格，动网格 专门问题：噪声、燃烧、除霜、制动 …… ……
（牛顿流体与非牛顿流体）
三维N-S方程组 （二阶非线性方程组）
• 动量方程 • 能量方程 • 连续性方程 • 湍流方程
• ……
（速度、压强）
多采用 有限体积法 (FVM)
不固定于介质（固定于计算域）－欧拉方法
非线性
百万－千万
▪ 物理机制 （湍流，分离，多相，燃烧等） ▪ 数值算法问题 （有时不易收敛）
五、与FEA的对比
CFD基础讲座
六、常见CFD软件及其结构
常见商品化CFD软件
软件
Fluent CFX Star CCM+ / Star CD AVL FIRE ……
公司
美国 ANSYS
英国 CD-adapco 奥地利 AVL
CFD基础讲座
方法
有限体积法
FVM
CFDesign ……
Power FLOW
CFD基础讲座
二、问题分类：汽车工业中的CFD问题
CFD基础讲座
从汽车工业应用角度：
外流场分析：给出气动力与流场（速度/压力场）结果。含附加装置 汽车外形优化。减阻降耗。提高车辆稳定性。减小风噪。 给出部件风载荷
内流分析：给出流量分配/速度场/压力场/温度场。 空调风路优化，提高乘员舒适性，除霜，通风口设计
一、传统的CFD方法
History of CAE/CAD
CFD基础讲座
1940’s • First digital computers developed
1950's
• Commercial computers become available • Academic and industrial research into computer-aided drafting • 2-dimensional tools used to generate machine toolpaths
机舱分析：内外流结合，系统级热流分析结合。主要解决发动机冷却问题 部件散热：给出部件/周围的速度场/压力场/温度场。
提高散热效率（制动器、大灯等） 气动噪声：给出整车或部件的气动噪声。提高舒适性 发动机相关：缸内燃烧、进排气道、冷却系统、旋风除尘、污染 … … 专门问题： 泵、气/油路、轮胎、 … …
求解方法 网格性质 方程属性 网格数量
有限单元法 (FEM) 固定于介质－拉格朗日方法 线性 / 非线性 几万－几十万
CFD的难点：
▪ 非线性 ▪ 计算量大 （网格百万－千万）
CFD基础讲座
流动分析
流体 （气体，液体，…），无固定形状，没有“大变形”概念
固体（如车）只是边界，通常不须考虑其属性
粘性流体
CFD基础概要
CFD基础讲座
目录
CFD基础讲座
ห้องสมุดไป่ตู้
一、传统的CFD方法 二、CFD 问题分类。汽车工业中的CFD问题 三、N-S方程处理方式 四、CFD 解题的一般步骤 五、与FEA的对比 六、常见CFD软件及其结构 七、常用前处理工具介绍与演示
与CFD软件的接口 八、网格类型介绍 九、 LBM方法简介 十、部分应用算例
2. 建模
几何模型 （Catia. Pro/E …）→ CFD 模型（面网格）。 根据问题性质。 常用工具：HyperMesh, ANSA, IcemCFD, CFD前处理模块 … … 汽车行业的复杂几何需要强大的建模工具
3. 生成体网格
含边界层网格。通常在CFD软件中生成。
4. 设定各种求解条件与模型
三、N-S方程处理方式
主要模拟方式
LES 大涡模拟 （气动噪声）
CFD基础讲座
RANS 雷诺平均
RSM 雷诺应力模型
涡粘模型
双方程
标准 k-ε模型 RNG k-ε模型
realizable k-ε模型
k-ω模型
单方程
零方程
四、CFD 解题的一般步骤
CFD基础讲座
1. 确定问题的性质与分析目标，制定分析方案 方案比较 or 绝对值？ 简化方式？ （散热中的辐射，除霜中的相变）… …
美国 Blue Ridge Numerics 美国 EXA
一、传统的CFD方法
CFD基础讲座
传统CFD方法的特点： 基于连续介质力学原理 认为在所考虑的空间，流体是连续分布的 流体的运动规律服从N-S方程组（连续）
主要用有限体积法（FVM）离散、求解RANS方程组 连续问题 →离散化→求解→近似的连续结果 （少数软件采用有限元方法）
对于特定的问题添加相应的方程（连续） 能量、组分、声学、燃烧、辐射等
边界条件，材料属性，计算模型，求解方式，监视变量等
5. 求解
监视收敛情况，进行必要的调整
6. 提取结果，后处理
生成需要的数表与图形
7. 撰写报告
五、与FEA的对比
CFD ≠ FEA （有限元分析） 结构分析
处理对象 固体结构本身
力学模型
与
数学模型
弹、塑性体
固体力学方程组
(平衡/动力学方程)
（位移、应力）
1960's
• Development of interactive computer graphics (“Sketchpad”) • Large companies develop own CAD software based on room-sized mainframes
o primarily automotive, aerospace, and government agencies • Development of finite-element analysis and computer-aided manufacturing tools
1970's
• US Navy begins development of 3-dimensional programs • CAD still represents "Computer-Aided Drafting" to majority of industry • Development of CFD begins in earnest
商品化CFD软件出现于80年代，90年代后期进入中国汽车行业。
二、问题分类
从CFD角度： 时间相关：定常，非定常 （稳态，瞬态） 热能相关：流场分析，流场+温度场分析 压缩性：低速流动（如汽车），高速流动 物相：连续相，离散相
单相流，多相流 组分： 单组分，多组分 网格状态：固定网格，动网格 专门问题：噪声、燃烧、除霜、制动 …… ……
（牛顿流体与非牛顿流体）
三维N-S方程组 （二阶非线性方程组）
• 动量方程 • 能量方程 • 连续性方程 • 湍流方程
• ……
（速度、压强）
多采用 有限体积法 (FVM)
不固定于介质（固定于计算域）－欧拉方法
非线性
百万－千万
▪ 物理机制 （湍流，分离，多相，燃烧等） ▪ 数值算法问题 （有时不易收敛）
五、与FEA的对比
CFD基础讲座
六、常见CFD软件及其结构
常见商品化CFD软件
软件
Fluent CFX Star CCM+ / Star CD AVL FIRE ……
公司
美国 ANSYS
英国 CD-adapco 奥地利 AVL
CFD基础讲座
方法
有限体积法
FVM
CFDesign ……
Power FLOW
CFD基础讲座
二、问题分类：汽车工业中的CFD问题
CFD基础讲座
从汽车工业应用角度：
外流场分析：给出气动力与流场（速度/压力场）结果。含附加装置 汽车外形优化。减阻降耗。提高车辆稳定性。减小风噪。 给出部件风载荷
内流分析：给出流量分配/速度场/压力场/温度场。 空调风路优化，提高乘员舒适性，除霜，通风口设计