计算流体力学课件资料讲解
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" Today, many of our customers are benefiting from
this important technology. （CFD） "
2020/4/16
8
CFD拥有包括流体流动、传热、辐射、多相流 、化学反应、燃烧等问题丰富的通用物理模 型；还拥有诸如气蚀、凝固、沸腾、多孔介 质、相间传质、非牛顿流、喷雾干燥、动静 干涉、真实气体等大批复杂
2. 工程应用：广泛，普及 航天：运载工具（武器）， 能源：电厂、制冷的仿真，换热器 电子：设备的热问题分析108w/m2 高新技术：微机械，
2020/4/16
4
二、 CFD及其应用例
CFD—— Coputational fluid dynamics
计算流体动力学是集流体力学、数值计算 方法及计算机图形学于一体的模拟技术，已 经在各个工业领域得到广泛的应用。近年来 ，CFD技术已经在各个领域内取得重大的进 步。尤其是国外，CFD技术的应用研究开展 得如火如荼。但是，在我国，CFD技术仍不 为广大工程师熟悉，仍是“阳春白雪”。
图b 是模拟废热回收装置内的温度变化过程，并准确预报了 管内介质的出口温度。通过模拟，找出了原始设计的弊端在 于换热面积过小，导致各管间温度相差较大。
图c 模拟出添加剂的浓度分布。改变添加剂的投放位置，用 CFD模拟来优化添加剂浓度分布，以达到最好的防腐效果
2020/4/16
15
冶金工业：图a 模拟的钢水铸造过程，图中显示的是铸造
图b显示的是管壳换热器的流线及温度分布。同时考虑管外 流体、管内流体、以及管壁部分的耦合传热。
图c是模拟燃料电池中氧浓度的分布。用户开发了专门的电 化学反应模型，通过催化层的电化学反应速率模拟当地的电 流密度。
2020/4/16
14
石油化工：图a 模拟流化床内气泡的形成和发展过程。多
相流模型可以模拟任何扩散和连续流动的组合，包括液体、 固体、气体和化学物质。
图b 某帐篷式大型体育场的内部通风问题。图中显示的是体 育场表面的网格划分。在设计初期就得到体育场内的详细流 场信息，从而及时发现可能存在的通风隐患，修改通风设计 方案，加快设计周期，提高设计质量。
2020/4/16
12
船舶工业：图a 计算船舶问题。船行速度为2.064 [m/s]
整船的计算阻力为43.9 [N]，而实验结果为44.3[N]。误差 几乎为1%。
16
三、 数值模拟（虚拟实验）的特点 可视化；微观、局部化；数值化
不受实验等条件限制：
▪有利于单独参数影响的研究
例如局部参数变化
▪系统装置的联合研究
例如配套的部件和设备
▪其他条件下无法的研究
高温、两相流、超常尺寸等
2020/4/16
17
噪声研究
烟囱产生的噪声 内部流动模拟
压力云图
速度云图
2020/4/16
2020/4/16
10
汽车领域：图a日本汽车工业协会模拟的某汽车外 流场，图中显示了对称面、地面和车身表面的压力 分布。
图b 模拟F1方程式赛车的外流场，图中显示的是对 称面和地面的压力分布。
2020/4/16
11
建筑工业：图a 模拟伦敦街区一角的外部风场，图中显示
了建筑物表面的压力分布。采用建筑物的风载模拟，为建筑 的强度设计提供有效的压力数据，同时针对建筑物的具体特 点，设计更灵活的通风系统。
图b 德国模拟的船后螺旋桨转动对船体的影响。
图c 是美国海军模拟的某型号潜艇在水下的运动。图中显示 的是潜艇转弯时周围的流线。通过使用CFD，能更快地设计 出在阻力、机动性等方面都有很大提高的潜艇。
2020/4/16
13
能源工业：图a是CFD模拟的500 [Mwe]电站煤粉锅炉炉
内燃烧。结果显示了在燃烧器喷流交叉形成的高温、高氧区 ，NOX生成速率大。
钢铁冶金、国防、环保；
复杂性：数学描述；几何域；多种现象；
理论、实验、计算流体力学
重要性：CFD提高企业的竞争能力和设计水平；
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。
2020/4/16
3
现状： 1. 条件：
硬件：发展迅速 软件： CFD比较成熟，FLOWLAB 效果：例子，飞机阻力
现象的实用模型。
2020/4/16
9
航空航天：图a为模拟美国F22战斗机的结果，图中 显示的是对称面上的马赫数分布。计算共采用了 260万个网格单元。模拟的升力、阻力及力矩系数 都与实验值吻合的很好。
图b是某飞机多段翼周围的压力分布
图c是美国J-31型涡轮喷气发动机的整机模拟。包 括进气道、压缩机、燃烧室、尾喷管四个部分。
计算流体力学基础
Computational fluid Dynamics
1.1 绪论
第一章 引 言
一、概述 二、CFD及其应用例 三、数值（虚拟）实验的特点 四、CFD分析的一般过程 五、CFD的研究内容 六、CFD的发展史
2020/4/16
2
ຫໍສະໝຸດ Baidu
一、 概述
流体问题
广泛性、复杂性、重要性
广泛性：大气、海洋；能源动力、石油化工、
CFD与CAD
2020/4/16
减少盲目性
5
电力工业受益于CFD
For nearly two decades, engineers have been using CFD to address complex fluid flow and heat transfer problems
In short, today's CFD software provides power industry users with a comprehensive virtual modeling tool for predicting many types of fluid f low and heat transfer phenomena.
模具内的流线及表面温度分布
图b是模拟连续加热炉，该炉采用直接加热方式，从图中温 度分布可以看出，钢带有一角的温度过高，这会影响钢产品 的质量。
图c是模拟优化铸造炉内烧嘴的类型和位置。很好地模拟出了 融池内因浮力驱动产生的二次流现象，及诸如回流区、涡、 表面波的发展、温度分布的不均匀性等设计缺陷。
2020/4/16
18
挡板处的压力不均匀和旋涡
压力云图
该处压差最大值 =389.9+778.2 =1168.1Pa
this important technology. （CFD） "
2020/4/16
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CFD拥有包括流体流动、传热、辐射、多相流 、化学反应、燃烧等问题丰富的通用物理模 型；还拥有诸如气蚀、凝固、沸腾、多孔介 质、相间传质、非牛顿流、喷雾干燥、动静 干涉、真实气体等大批复杂
2. 工程应用：广泛，普及 航天：运载工具（武器）， 能源：电厂、制冷的仿真，换热器 电子：设备的热问题分析108w/m2 高新技术：微机械，
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二、 CFD及其应用例
CFD—— Coputational fluid dynamics
计算流体动力学是集流体力学、数值计算 方法及计算机图形学于一体的模拟技术，已 经在各个工业领域得到广泛的应用。近年来 ，CFD技术已经在各个领域内取得重大的进 步。尤其是国外，CFD技术的应用研究开展 得如火如荼。但是，在我国，CFD技术仍不 为广大工程师熟悉，仍是“阳春白雪”。
图b 是模拟废热回收装置内的温度变化过程，并准确预报了 管内介质的出口温度。通过模拟，找出了原始设计的弊端在 于换热面积过小，导致各管间温度相差较大。
图c 模拟出添加剂的浓度分布。改变添加剂的投放位置，用 CFD模拟来优化添加剂浓度分布，以达到最好的防腐效果
2020/4/16
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冶金工业：图a 模拟的钢水铸造过程，图中显示的是铸造
图b显示的是管壳换热器的流线及温度分布。同时考虑管外 流体、管内流体、以及管壁部分的耦合传热。
图c是模拟燃料电池中氧浓度的分布。用户开发了专门的电 化学反应模型，通过催化层的电化学反应速率模拟当地的电 流密度。
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石油化工：图a 模拟流化床内气泡的形成和发展过程。多
相流模型可以模拟任何扩散和连续流动的组合，包括液体、 固体、气体和化学物质。
图b 某帐篷式大型体育场的内部通风问题。图中显示的是体 育场表面的网格划分。在设计初期就得到体育场内的详细流 场信息，从而及时发现可能存在的通风隐患，修改通风设计 方案，加快设计周期，提高设计质量。
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船舶工业：图a 计算船舶问题。船行速度为2.064 [m/s]
整船的计算阻力为43.9 [N]，而实验结果为44.3[N]。误差 几乎为1%。
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三、 数值模拟（虚拟实验）的特点 可视化；微观、局部化；数值化
不受实验等条件限制：
▪有利于单独参数影响的研究
例如局部参数变化
▪系统装置的联合研究
例如配套的部件和设备
▪其他条件下无法的研究
高温、两相流、超常尺寸等
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噪声研究
烟囱产生的噪声 内部流动模拟
压力云图
速度云图
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汽车领域：图a日本汽车工业协会模拟的某汽车外 流场，图中显示了对称面、地面和车身表面的压力 分布。
图b 模拟F1方程式赛车的外流场，图中显示的是对 称面和地面的压力分布。
2020/4/16
11
建筑工业：图a 模拟伦敦街区一角的外部风场，图中显示
了建筑物表面的压力分布。采用建筑物的风载模拟，为建筑 的强度设计提供有效的压力数据，同时针对建筑物的具体特 点，设计更灵活的通风系统。
图b 德国模拟的船后螺旋桨转动对船体的影响。
图c 是美国海军模拟的某型号潜艇在水下的运动。图中显示 的是潜艇转弯时周围的流线。通过使用CFD，能更快地设计 出在阻力、机动性等方面都有很大提高的潜艇。
2020/4/16
13
能源工业：图a是CFD模拟的500 [Mwe]电站煤粉锅炉炉
内燃烧。结果显示了在燃烧器喷流交叉形成的高温、高氧区 ，NOX生成速率大。
钢铁冶金、国防、环保；
复杂性：数学描述；几何域；多种现象；
理论、实验、计算流体力学
重要性：CFD提高企业的竞争能力和设计水平；
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。
2020/4/16
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现状： 1. 条件：
硬件：发展迅速 软件： CFD比较成熟，FLOWLAB 效果：例子，飞机阻力
现象的实用模型。
2020/4/16
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航空航天：图a为模拟美国F22战斗机的结果，图中 显示的是对称面上的马赫数分布。计算共采用了 260万个网格单元。模拟的升力、阻力及力矩系数 都与实验值吻合的很好。
图b是某飞机多段翼周围的压力分布
图c是美国J-31型涡轮喷气发动机的整机模拟。包 括进气道、压缩机、燃烧室、尾喷管四个部分。
计算流体力学基础
Computational fluid Dynamics
1.1 绪论
第一章 引 言
一、概述 二、CFD及其应用例 三、数值（虚拟）实验的特点 四、CFD分析的一般过程 五、CFD的研究内容 六、CFD的发展史
2020/4/16
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
一、 概述
流体问题
广泛性、复杂性、重要性
广泛性：大气、海洋；能源动力、石油化工、
CFD与CAD
2020/4/16
减少盲目性
5
电力工业受益于CFD
For nearly two decades, engineers have been using CFD to address complex fluid flow and heat transfer problems
In short, today's CFD software provides power industry users with a comprehensive virtual modeling tool for predicting many types of fluid f low and heat transfer phenomena.
模具内的流线及表面温度分布
图b是模拟连续加热炉，该炉采用直接加热方式，从图中温 度分布可以看出，钢带有一角的温度过高，这会影响钢产品 的质量。
图c是模拟优化铸造炉内烧嘴的类型和位置。很好地模拟出了 融池内因浮力驱动产生的二次流现象，及诸如回流区、涡、 表面波的发展、温度分布的不均匀性等设计缺陷。
2020/4/16
18
挡板处的压力不均匀和旋涡
压力云图
该处压差最大值 =389.9+778.2 =1168.1Pa