CFD数值模拟(含Fluent)学习及培训课件
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❖ 显示和输出计算结果
CFD软件结构
一般分为三个部分, 即前处理器、解算器（求解器）和后 处理器。
❖ 前处理器（Preprocessor）
➢ 定义所求问题的几何计算域； ➢ 将计算域划分成多个互不重叠的子区域，形成 由
单元组成的网格； ➢ 对所要研究的的物理和化学现象进行抽象，选择
CFD的求解过程(续)
❖ 离散初始条件和边界条件
在商用CFD软件中，往往在前处理阶段完成了网格划分后， 直接在边界条件上指定初始条件和边界条件，然后由前处理软 件自动将这些初始条件和边界条件按离散的方式分配到相应的 节点上去。
❖ 给定求解控制参数
主要是给定流体的物理参数和湍流模型的经验系数，给定迭 代计算的控制精度、瞬态问题的时间步长和输出频率等。
CFD的求解过程(续)
❖ 建立控制方程
根据实际情况，选择式（1）～（4）的合适形式，或并补 充相应的湍流方程（如湍动能方程和湍流耗散率方程、雷诺应 力方程等）。
❖ 确定边界条件与初始条件
初始条件：所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空 间分布情况。对于瞬态问题，必须给定初始条件，对于稳态问 题，不需要初始条件。
（4）
CFD 求 解 过 程
为了进行CFD计算， 用户可借助商用软件来完 成所需要的任务，也可自 己直接编写计算程序。具 体工作过程如右图所示：
建立控制方程 确定初始条件及边界条件
ຫໍສະໝຸດ Baidu
划分计算网格,生成计算节点
建立离散方程 离散初始条件和边界条件
给定求解控制参数
求解离散方程
解收敛否?
N
Y
显示和输出计算结果
在环境工程领域，CFD广泛应用于室内空气质量 的评价、大气污染物的扩散、烟气净化设备的性能预 测和优化设计、二沉池的沉降性能、河流的泥沙沉降 等方面。
CFD中的常用术语
❖ 理想流体（无粘流体）和粘性流体
理想流体不考虑扩散和热传导。
❖ 动力粘度(μ)和运动粘度(ν)
❖ 牛顿流体和非牛顿流体
动力粘度为常数的流体称为牛顿流体，如，空气、水等。
动力粘度为变量的流体称为非牛顿流体，如，聚合物溶液、 含有悬浮粒杂质或纤维的流体等。
❖ 可压流体(ρ为常数)和不可压流体(ρ为变量)
有些可压流体在特定的流动条件下，可以按不可压流体对待。
CFD中的常用术语(续)
❖
定常流动(
0
，恒定流动或稳态流动
)与非定常流动
(
t
0，非恒定流动或瞬态流动)
t
许多流体机械在起动或关机时的流体流动一般是非定常流动，
将结合具体的CFD商用软件进行详细讲解。
CFD的求解过程(续)
❖ 求解离散方程
在商用CFD软件中，往往提供了多种不同的解法，以适应不 同类型的问题。
主要是选择并设置求解器。
❖ 判断解的收敛性
在迭代过程中，会出现某些解发散，因此，要对解的收敛性 随时进行监视，并在系统达到指定精度后，结束迭代过程。
此部分内容属于经验性的，需要针对不同情况进行分析。
计算流体动力学（CFD)培训资料
－CFD原理及Fluent
XXXX有限公司
2021年02月05日
报告大纲
计算流体动力学(CFD)软件原理与应用
Fluent软件的基本用法 相关模拟案例 公XX司工业程绩的CFD模拟
CFD概述
计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流 体流动和热传导等相关物理现象的系统所作的分析.其可 以看作是在流动基本方程 （质量守恒方程、动量守恒方 程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这 种数值模拟, 可以得到极复杂问题的流场内各个位置的基 本物理量 (如速度、压力、浓度等) 的分布, 以及这些物 理量随时间的变化情况。
此外, 与CAD联合, 还可进行结构优化设计等。
CFD概述(续)
该方法与传统的实验测量方法、理论分析方法组成了 研究流体流动问题的完整体系，如下图所示：
CFD克服了实验测量方法和理论分析方法存在的弊端，其 更加形象、直观、高效、全面，被得到了广泛应用！
CFD的应用
随着计算机和CFD商业软件的发展，CFD以其强 大的生命力，广泛应用于水利工程、土木工程、食品 工程、航天航空、海洋结构工程、生物医学、工业制 造、燃烧、电子技术和环境污染等各个领域。
CFD的控制方程
❖ 质量守恒方程（连续方程）
(u) 0
t
❖ 动量守恒方程（ Navier-Stokes方程）
（1）
u
t
uu
p
gradu
Su
❖ 能量守恒方程
T
t
uT
cp
gradT
ST
❖ 组分质量守恒方程
（2） （3）
状态方程
p p(5,T)
cs t
ucs
Ds
grad
cs
Ss
边界条件：在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随地 点和时间的变化规律。对于任何问题，都需要给定边界条件。
CFD的求解过程(续)
❖ 划分计算网格
采用数值方法求解控制方程时，都是想办法将控制方程在空 间区域上进行离散，然后求解得到离散方程组。要想在空间域 上离散控制方程，必须使用网格。
网格生成技术：可以采用CFD软件配带的专用网格生成工 具，也可自行编程生成网格（对于简单问题）。
❖ 建立离散方程
根据所引入的应变量在节点之间的分布假设及推导离散化方 程的方法不同，主要分为有限差分法、有限元法、有限体积法。
CFD的离散方法
❖ 有限差分法（Finite Difference Method，FDM）
较多的用于求解双曲型和抛物型问题。
❖ 有限元法（Finite Element Method，FEM）
而正常运转时可看作定常流动。
❖ 雷诺数
Re uL uL
对于圆形管内的流动，特征长度L取圆管直径d；对于异形管内
的流动，特征长度取水力直径dH。
dH
4
A S
❖ 层流( Re 232)0与湍流( Re 8000 ~ 12000)
当 2320 Re 8000 时，流动处于层流和湍流间的过渡区。
求解速度较FDM和FVM慢，应用不是特别广泛。
❖ 有限体积法（Finite Volume Method，FVM）
关键是在导出离散方程过程中，需要对界面上的被求函 数本身及其导数的分布做出某种形式的假定。
用FVM法导出的离散方程可以保证具有守恒特 性，而且离散方程系数物理意义明确，计算量相 对较小,是目前CFD应用最广的一种方法。
CFD软件结构
一般分为三个部分, 即前处理器、解算器（求解器）和后 处理器。
❖ 前处理器（Preprocessor）
➢ 定义所求问题的几何计算域； ➢ 将计算域划分成多个互不重叠的子区域，形成 由
单元组成的网格； ➢ 对所要研究的的物理和化学现象进行抽象，选择
CFD的求解过程(续)
❖ 离散初始条件和边界条件
在商用CFD软件中，往往在前处理阶段完成了网格划分后， 直接在边界条件上指定初始条件和边界条件，然后由前处理软 件自动将这些初始条件和边界条件按离散的方式分配到相应的 节点上去。
❖ 给定求解控制参数
主要是给定流体的物理参数和湍流模型的经验系数，给定迭 代计算的控制精度、瞬态问题的时间步长和输出频率等。
CFD的求解过程(续)
❖ 建立控制方程
根据实际情况，选择式（1）～（4）的合适形式，或并补 充相应的湍流方程（如湍动能方程和湍流耗散率方程、雷诺应 力方程等）。
❖ 确定边界条件与初始条件
初始条件：所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空 间分布情况。对于瞬态问题，必须给定初始条件，对于稳态问 题，不需要初始条件。
（4）
CFD 求 解 过 程
为了进行CFD计算， 用户可借助商用软件来完 成所需要的任务，也可自 己直接编写计算程序。具 体工作过程如右图所示：
建立控制方程 确定初始条件及边界条件
ຫໍສະໝຸດ Baidu
划分计算网格,生成计算节点
建立离散方程 离散初始条件和边界条件
给定求解控制参数
求解离散方程
解收敛否?
N
Y
显示和输出计算结果
在环境工程领域，CFD广泛应用于室内空气质量 的评价、大气污染物的扩散、烟气净化设备的性能预 测和优化设计、二沉池的沉降性能、河流的泥沙沉降 等方面。
CFD中的常用术语
❖ 理想流体（无粘流体）和粘性流体
理想流体不考虑扩散和热传导。
❖ 动力粘度(μ)和运动粘度(ν)
❖ 牛顿流体和非牛顿流体
动力粘度为常数的流体称为牛顿流体，如，空气、水等。
动力粘度为变量的流体称为非牛顿流体，如，聚合物溶液、 含有悬浮粒杂质或纤维的流体等。
❖ 可压流体(ρ为常数)和不可压流体(ρ为变量)
有些可压流体在特定的流动条件下，可以按不可压流体对待。
CFD中的常用术语(续)
❖
定常流动(
0
，恒定流动或稳态流动
)与非定常流动
(
t
0，非恒定流动或瞬态流动)
t
许多流体机械在起动或关机时的流体流动一般是非定常流动，
将结合具体的CFD商用软件进行详细讲解。
CFD的求解过程(续)
❖ 求解离散方程
在商用CFD软件中，往往提供了多种不同的解法，以适应不 同类型的问题。
主要是选择并设置求解器。
❖ 判断解的收敛性
在迭代过程中，会出现某些解发散，因此，要对解的收敛性 随时进行监视，并在系统达到指定精度后，结束迭代过程。
此部分内容属于经验性的，需要针对不同情况进行分析。
计算流体动力学（CFD)培训资料
－CFD原理及Fluent
XXXX有限公司
2021年02月05日
报告大纲
计算流体动力学(CFD)软件原理与应用
Fluent软件的基本用法 相关模拟案例 公XX司工业程绩的CFD模拟
CFD概述
计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流 体流动和热传导等相关物理现象的系统所作的分析.其可 以看作是在流动基本方程 （质量守恒方程、动量守恒方 程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这 种数值模拟, 可以得到极复杂问题的流场内各个位置的基 本物理量 (如速度、压力、浓度等) 的分布, 以及这些物 理量随时间的变化情况。
此外, 与CAD联合, 还可进行结构优化设计等。
CFD概述(续)
该方法与传统的实验测量方法、理论分析方法组成了 研究流体流动问题的完整体系，如下图所示：
CFD克服了实验测量方法和理论分析方法存在的弊端，其 更加形象、直观、高效、全面，被得到了广泛应用！
CFD的应用
随着计算机和CFD商业软件的发展，CFD以其强 大的生命力，广泛应用于水利工程、土木工程、食品 工程、航天航空、海洋结构工程、生物医学、工业制 造、燃烧、电子技术和环境污染等各个领域。
CFD的控制方程
❖ 质量守恒方程（连续方程）
(u) 0
t
❖ 动量守恒方程（ Navier-Stokes方程）
（1）
u
t
uu
p
gradu
Su
❖ 能量守恒方程
T
t
uT
cp
gradT
ST
❖ 组分质量守恒方程
（2） （3）
状态方程
p p(5,T)
cs t
ucs
Ds
grad
cs
Ss
边界条件：在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随地 点和时间的变化规律。对于任何问题，都需要给定边界条件。
CFD的求解过程(续)
❖ 划分计算网格
采用数值方法求解控制方程时，都是想办法将控制方程在空 间区域上进行离散，然后求解得到离散方程组。要想在空间域 上离散控制方程，必须使用网格。
网格生成技术：可以采用CFD软件配带的专用网格生成工 具，也可自行编程生成网格（对于简单问题）。
❖ 建立离散方程
根据所引入的应变量在节点之间的分布假设及推导离散化方 程的方法不同，主要分为有限差分法、有限元法、有限体积法。
CFD的离散方法
❖ 有限差分法（Finite Difference Method，FDM）
较多的用于求解双曲型和抛物型问题。
❖ 有限元法（Finite Element Method，FEM）
而正常运转时可看作定常流动。
❖ 雷诺数
Re uL uL
对于圆形管内的流动，特征长度L取圆管直径d；对于异形管内
的流动，特征长度取水力直径dH。
dH
4
A S
❖ 层流( Re 232)0与湍流( Re 8000 ~ 12000)
当 2320 Re 8000 时，流动处于层流和湍流间的过渡区。
求解速度较FDM和FVM慢，应用不是特别广泛。
❖ 有限体积法（Finite Volume Method，FVM）
关键是在导出离散方程过程中，需要对界面上的被求函 数本身及其导数的分布做出某种形式的假定。
用FVM法导出的离散方程可以保证具有守恒特 性，而且离散方程系数物理意义明确，计算量相 对较小,是目前CFD应用最广的一种方法。