基于ABAQUS／CFD的流体力学分析

基于ABAQUS／CFD的流体力学分析

摘要本文首先介绍了流体力学的一般概念和控制方程。接着说明了ABAQUS/CFD软件的特点、适用范围和使用方法。通过对一个简单的流体力学问题的求解，列举利用ABAQUS/CFD软件进行流体力学问题中流体速度和流体压力的求解步骤，使读者对ABAQUS/CFD软件的特点和使用方法有了初步了解。

关键词流体力学；模拟分析；ABAQUS

0引言

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的研究始于上世纪70年代早期。经过几十年的发展，已经成为一门综合运用物理学、应用数学及计算机科学模拟流体流动状态的工程科学。到了上世纪80年代中期，流体力学的研究重点开始转移到对由Navier-Stokes方程描述的粘性流的模拟。与此同时，具有不同数值复杂性和精确度的湍流模型种类也逐渐演变而成。如今最先进的扰流模拟方法由直接数值模拟方法（Direct Numerical Simulation）为代表，可是这种方法并不能很好地用于工程领域。

到了80年代末，利用了数值方法，特别是隐性数值方法的先进性，需要进行真实气体模拟的的流体模拟也渐渐变得可行。目前，CFD方法已经广泛用于飞机、汽车、轮船的设计，以及天气预报、海洋学研究和天体物理学等方面。CFD方法在工程科学及某些物理科学的研究中已变得越来越重要。

ABAQUS/CFD是集成在ABAQUS软件包中用以求解流体力学问题的模块。ABAQUS/CFD采用混合有限体积法和有限元法的求解方法来计算不可压缩的层流和湍流问题，具有较高的求解精度，在集成的FEA-CFD多物理环境中能获得可扩展的CFD解。本文通过一个流体力学的例子，简单介绍在ABAQUS/CFD 中进行流体力学分析的基本步骤，并对计算结果进行了初步的分析。

1 流体力学控制方程

从流体力学连续性方程、动量方程和能量方程可以推导出非定常三维可压缩粘性流动的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程。

1.1连续性方程（continuity equation）

非守恒形式：

守恒形式：

1.2 动量方程（momentum equation）

2.1建立CFD模型

ABAQUS/CFD在进行流体力学分析时需首先建立流体的模型，本例中流体流经长10m，宽3m，高0.2m的长方形管道，管道中央有直径为0.5m的圆柱体。见图1。

2.2定义流体及网格划分

ABAQUS/CFD只能处理牛顿流体（Newtonian fluid，指流体中的剪应力与剪应变不成线性关系），在本例中，流体的密度为1000kg/m3，粘度为0.1pa.sec，温度设为室温。

在本例中划分网格类型为具有8个节点的线性流体块（8-node linear fluid brick），在中央的圆柱壁上网格变为梯台状，见图2。

2.3. 分析结果

通过在ABAQUS/CFD中进行分析，我们得到了以上例子的运算结果，图3a是容器内流体速度的分布情况，可见圆柱体

两侧流体速度较高。图3b是容器内流体压力分布的情况。

3 结论

本文首先介绍了计算流体力学的一般公式。基于ABAQUS/CFD平台，通过文中例子的分析，向读者介绍了ABAQUS/CFD软件的特点和一般使用方法分析了一个较简单的流体力学问题，并得到了该问题的流体速度和流体应力在分析域内的分布情况。通过运用ABAQUS/CFD软件，我们能得到一般流体力学问题中流体速度和应力较高的位置，并在设计和施工中予以一定的重视，对实际工程的设计和分析具有一定的参考意义。

参考文献

[1]putational Fluid Dynamics：Principles and Applications. ElSEVIER，2001.

[2]John D.Anderson，JR，Computational Fluid Dynamics：The Basics with Applications，2001.

[2]罗赛虎，田斌.基于ABAQUS的重力坝时程动力分析.云南水力发电，2011.

[3]王福军.计算流体力学分析-CFD软件原理和应用，清华大学出版社，2004.

[4]张文元.ABAQUS动力学有限元分析指南.中国图书出版社，2005.