CFD数值分析..

• CFD数值模拟技术是一门同现代工程设计与科学研 究密切相关的高新技术。
• CFD数值模拟的精度依赖于离散格式、计算网格、 计算人员的经验于技巧以及计算机硬件条件。
美国海空军下一代F-35战斗机所使用的无附面层隔道超音 速进气道就是CFD的成果之一。
图1.1 F-35战斗机
CFD的起源
• Computational Fluid Dynamics作为流体力学的一个分支 产生于第二次世界大战前后，在20世纪60年代左右逐渐形 成了一门独立的学科。总的来说随着计算机技术及数值计 算方法的发展，我们可以将其划分为三个阶段： • 第一，初始阶段（1965～1974），这期间的主要研究内容 是解决计算流体力学中的一些基本的理论问题，如模型方 程（湍流、流变、传热、辐射、气体－颗粒作用、化学反 应、燃烧等）、数值方法（差分格式、代数方程求解等）、 网格划分、程序编写与实现等，并就数值结果与大量传统 的流体力学实验结果及精确解进行比较，以确定数值预测 方法的可靠性、精确性及影响规律。同时为了解决工程上 具有复杂几何区域内的流动问题，人们开始研究网格的变 换问题，如Thompson,Thams和Mastin提出了采用微分方程 来根据流动区域的形状生成适体坐标体系，从而使计算流 体力学对不规则的几何流动区域有了较强的适应性，逐渐 在CFD中形成了专门的研究领域：“网格形成技术”。
• 计算流体力学ห้องสมุดไป่ตู้国内的现状
CFD数值模拟
主讲人 :邹利伟 2013年4月23日
目录
CFD基本概念
CFD起源
CFD国内外现状
CFD软件分类 CFD应用举例
CFD基本概念
• 计算流体力学(computational Fluid Dynamics, 简称CFD，也称“计算流体动力学”)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。 • 它是流体力学的新兴分支，是一个采用适当的数 值方法求解流体流动的控制方程组，并通过得到 的流场和其它物理场研究流动现象以及物理/化 学过程的学科。
• 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，能过这一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。 • 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。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。
• 第三，快速发展阶段（1984至今），CFD在工程设计的应用以及应用效 果的研究取得了丰硕的成果，在学术界得到了充分的认可。同时 Spalding领导的CHAM公司在发达国家的工业界进行了大量的推广工作， Patankar（帕坦卡）也在美国工程师协会的协助下，举行了大范围的 培训，皆在推广应用CFD，然而，工业界并没有表现出太多的热情。 1985年的第四界国际计算流体力学会议上，Spalding作了CFD在工程设 计中的应用前景的专题报告，在该报告中，他将工程中常见的流动、 传热、化学反应等过程分为十大类问题，并指出CFD都有能力加以解决， 分析了工业界不感兴趣，是因为软件的通用性能不好，使用困难。如 何在CFD的基础研究与工程开发设计研究之间建立一个桥梁?如何将研 究结果为高级工程设计技术人员所掌握，并最大限度地应用于工程咨 询、工程开发与设计研究?这正是本时期应用基础研究所追求的目标。 此后，随着计算机图形学、计算机微机技术的快速进步，CFD的前后处 理软件得到了迅速发展，如GRAPHER，GRAPHER TOOL，ICEM－CFD等等。
• 第二，工业应用阶段(1975～1984年)，随着数值预测、原理、方法的 不断完善，关键的问题是如何得到工业界的认可，如何在工业设计中 得到应用，因此，该阶段的主要研究内容是探讨CFD在解决实际工程问 题中的可行性、可靠性及工业化推广应用。同时，CFD技术开始向各种 以流动为基础的工程问题方向发展，如气固、液固多相流、非牛顿流、 化学反应流、煤粉燃烧等。但是，这些研究都需要建立在具有非常专 业的研究队伍的基础上，软件没有互换性，自己开发，自己使用，新 使用的人通常需要花相当大的精力去阅读前人开发的程序，理解程序 设计意图，改进和使用。 • 1977年，Spalding（斯波尔丁）等开发的用于预测二维边界层内的迁 移现象的GENMIX程序公开，其后，他们首先意识到公开计算源程序很 难保护自己的知识产权，因此，在1981年，组建的CHAM公司将包装后 的计算软件（PHONNICS－凤凰）正式投放市场，开创了CFD商业软件的 先河，但是，在当时，该软件使用起来比较困难，软件的推广并没有 达到预期的效果。我国80年代初期，随着与国外交流的发展，科学院、 部分高校开始兴起CFD的研究热潮。
CFD的国内外现状和前景预测
• 计算流体力学在国外的现状 • 在欧美等发达国家，自二十世纪六十年代以来CFD技术已得到飞速发展。 其发展的原动力是不断增长的工业需求，而航空航天工业自始至终是 最强大的推动力。传统飞行器设计方法试验昂贵、费时，所获信息有 限，迫使人们需要用先进的计算机仿真手段指导设计，大量减少原型 机试验，缩短研发周期，节约研究经费。四十年来，CFD在湍流模型、 网格技术、数值算法、可视化、并行计算等方面取得飞速发展，并给 工业界带来了革命性的变化。如在汽车工业中，CFD和其它计算机辅助 工程（CAE）工具一起，使原来新车研发需要上百辆样车减少为目前的 十几辆车；国外飞机厂商用CFD取代大量实物试验，如美国战斗机YF23采用CFD进行气动设计后比前一代YF-17减少了60％的风洞试验量。 目前在国外，在航空、航天、汽车等诸多工业领域，利用CFD进行的反 复设计、分析、优化已成为标准的必经步骤和手段。