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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
putational 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。
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。
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”。
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。
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,GRAPHE