CFD概念及应用

CFD概念及应用李立锋福建龙净环保股份有限公司实验研究中心目录前言CFD简介CFD分析的基本步骤CFD应用结论前言随着我国经济的不断发展，环保标准日趋严格，燃煤电厂的粉尘排放浓度降低到50mg/Nm3。这样就对除尘器的设计、制造、设备性能提出了更高的要求。而对设备的优化设计离不开模型试验,但模型实验往往是场地大、时间长、费用高。采用CFD数值分析方法则可以减少模型实验次数，甚至不需要模型实验就能解决一些因实验条件限制难以解决的问题，为电除尘器的优化设计提供依据。流体研究的方法目前，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。单纯试验研究单纯理论分析计算流体动力学（CFD）流体的研究方法▲理论分析具有普遍性――各种影响因素清晰可见、为实验和计算研究提供依据▲实验研究仍是研究工作的基石，数值研究的许多方面都密切依赖于实验研究：实验提供数据；计算结果需由实验验证；观察实验现象分析实验数据以建立计算模型等等▲数值模拟是特殊意义下的实验，也称数值实验CFD基本概念★计算流体力学（ComputationFluidDynamics，简称CFD）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。★控制方程：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分质量守恒方程★CFD方法可以降低实验的时间和费用等。CFD基本概念★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，能过一这的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。★CFD方法恰好克服了前两种方法的弱点，在计算机上实现一个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理试验。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可以应用于：☆新产品设计的概念研究☆产品开发的细节☆发现并解决故障☆产品的重新设计应用CFD可以提高企业的竞争能力和设计水平；是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。CFD基本概念CFD的基本概念CFD的应用领域近年来，CFD有了很大发展，替代了经典流体力学中的一些近似计算法和图解法。典型的应用场合及相关的工程问题包括：水轮机、风机和泵等流体机械内部的流体流动；飞机和航天飞机等到飞行器的设计；汽车流线外型对性能的影响；洪水波及河口潮流计算；风载荷对高层建筑物稳定性及结构性能的影响；温室及室内的空气流动及环境分析；电子元器件的冷却；换热器性能分析及换热器片形状的选取；河流中污染的扩散；汽车尾气对街道环境的污染；食品中细菌的运移。CFD控制方程质量守恒方程：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。0)()()(zyvxutCFD控制方程动量守恒方程：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的的各种力之和。zzzyzxzyzyyyxyxzxyxxxFzyxzpudivtFzyxypvudivtvFzyxxpuudivtu)()()()()()(CFD控制方程能量守恒方程(energyconservationequation)：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。TpSTgradckdivuTdivtT)()(CFD控制方程组分质量守恒方程(speciesmass-conservationequations)：系统内某种化学组分质量对时间的变化率，等于通过系统界面净扩散流量与通过化学反应产生的该组分的生产率之和。sssxsScgradDdivucdivtc))(()()(CFD结构输运方程–质量组分质量分数相体积分数–动量–能量状态方程物理模型解算器物理模型–湍流模型–燃烧模型–辐射模型–多项流模型–相变模型–移动区域–移动网格网格生成材料特性边界条件初始条件解算器设置前处理几何模型后处理求解的方程方案设计详细设计制造样机测试评估；性能；质量；可通过否？投产不通过通过•传统的设计方法流程：•应用CFD的设计流程：方案设计CFD评估详细设计试验验证投产CFD在现代设计中的应用☆“数值实验”比“物理实验”具有更大的自由度和灵活性，例如“自由”地选取各种参数，不受物理模型和实验模型的限制等☆“数值实验”可以进行“物理实验”不可能或很难进行的实验；例如：高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件☆“数值实验”的经济效益极为显著，而且将越来越显著CFD的优势：△流动机理不明的问题，数值工作无法进行△数值工作自身仍然有许多理论问题有待解决△离散化不仅引起定量的误差，同时也会引起定性的误差，所以数值工作仍然离不开实验的验证△程序的编制及资料的收集、整理与正确利用，在很大程度上依赖与试验和技巧CFD方法存在的问题与不足CFD分析的基本步骤问题说明和前处理1.定义模拟目标.2.定义模型区域.3.设计和划分网格.解方程4.设置数值计算模型.5.计算及监测方程的解.后处理6.检查结果.7.考虑模型修正.定义模拟目标希望得到什么样的结果及结果如何应用–模型的选择确定在模拟中需要的物理模型在模拟中哪些简化、假设是主要的在模拟中哪些简化、假设是次要的模型是否还需要独特的功能–在CFD中有用户自定义的功能(User-definedFunction)计算精度计算速度问题说明和前处理1.定义模拟目标.2.定义模型区域.3.设计和划分网格.定义模拟区域如何将需要模拟的区域从系统整体中独立出来？计算区域的范围（即从何处开始及结束）–是否有合理的边界条件?–边界条件的类型是否合适?–是否可以将现有的数据转化为几何模型？是否可以将模型简化或者近似为2D或者对称问题?问题说明和前处理1.定义模拟目标.2.定义模型区域.3.设计和划分网格.GasCycloneL-valveGas例:旋风分离器设计和划分网格网格使用网格的种类：矩形/六面体网格还是三角形/四面体网格或者金字塔型网格。–几何体和流动的复杂程度?–是否需要非规则的界面?每个区域内的网格精度–对几何体来说是否有足够的精度?–对高梯度区域如何预测?–使用自适应网格增加精度?计算机内存是否足够?–需要的网格数量?–使用的模型数量?问题说明和前处理1.定义模拟目标.2.定义模型区域.3.设计和划分网格.网格Triangle(三角形)Quadrilateral（矩形）Tetrahedron(四面体)Pyramid(金字塔)prism/wedge（楔型）Hexahedron（六面体）设置数值计算模型模型对于给定的问题,需要:–选择合适的物理模型.湍流,燃烧,多项流等.–定义材料特性.流体固体混合模型–描述操作条件.–在所有边界区域描述边界条件.–提供初始解.–设置解算器控制.–设置收敛监测.解方程4.设置数值计算模型.5.计算及监测方程的解.计算及监测方程的解离散方程通过迭代求解.–迭代通常要得到方程的收敛解.收敛的条件:–两次迭代之间解变量的变化是可忽略的.残差提供了监测这种变化趋势的方法.–达到所有特性的守恒.解收敛的准确性有以下各项决定:–物理模型的可靠性和准确性.–网格的分辨率和独立性.–问题调整.解方程4.设置数值计算模型.5.计算及监测方程的解.检查结果检查结果以检查解和选出有用的数据.–可视化工具可用来回答如下问题:所有的流体模式是什么?是否有分离?何处有振荡,剪切层等形式?关键的流动特性是否已经解决?–数值报告工具可用来计算定量解:力和力矩平均热传递系数面和体积积分流量平衡后处理6.检查结果.7.考虑模型修正.考虑模型修正物理模型是否合适?–是否是湍流?–流动是否稳定?–是否是压缩流动?–是否是3D模式?边界条件是否正确?–计算区域是否足够大?–边界条件是否合适?–边界值是否合理?网格是否足够?–网格是否能提高解的质量?–解是否随网格的自适应进行变化,或者解的网格是否独立?–边界条件是否需要改善?后处理6.检查结果.7.考虑模型修正.CFD的应用建立几何模型划分网格设置边界条件计算初始化迭代计算结果显示几何模型用前处理软件Gambit建立所要模拟的几何模型，并在建模的时候进行适当的简化处理。而几何模型建立的准确与否，直接影响模拟的结果。划分网格网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体。网格质量对CFD计算精确度和计算效率有重要影响。对于像电除尘器这样结构复杂的CFD问题，网格的生成极为耗时，且容易出错，生成网格的时间常常大于实际CFD计算的时间。划分网格划分网格设置边界条件所谓边界条件，是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数岁地点及时间变化的规律。只有给定了合理的边界条件的问题，才可能计算得出流场的解。在指定边界类型及区域类型之前，必须在slover菜单中指定求解器为FLUENT5/6，然后再进行指定。在CFD模拟时，基本边界条件包括流动进出口边界、流动出口边界、给定压力边界、壁面边界、对称边界、周期性（循环）边界。设置边界条件在Gambit中对各个边界条件的类型进行设置，给予各个面不同的边界类型。边界条件设置在FLUENT中对各个边界条件进行详细设置，给予各个边界的初始值。定义计算模型对模拟计算的各种模型，如湍流模型，采用何种迭代方式，能量方程等。进行初始化及迭代计算对迭代计算进行初始化，也就是为整体的计算赋一个初值迭代计算进行迭代计算，直到方程收敛。而收敛前的迭代次数，和模型求解的难度、网格网格细密程度、使用的算法、收敛判据等有关结果显示除尘器内的流线，电场端面的流速分布，以及气流的流向等结果显示烟道内的气流速度的分布结果显示烟道内测试断面的速度分布结果显示电场内端面的气流速度分布结果显示除尘器内整体速度的分布结果显示除尘器内速度流线的分布结果显示某个测试断面各个节点的速度分布散点图结论及前景由以上介绍可以看出，CFD数值模拟可以提供大量的精细研究结果以及与工程设计相关参数，运用这些信息与工程设计相结合可以实现真正意义上的工程设计的“数字化”，提高设计的清晰度，优化工程。而且CFD可以完成一些试验所无法做到的工作，可以看作是一种“数值试验”方法。CFD可以应用于电除尘器两相流的模拟、电流场的耦合、电袋浓度场的分布、电袋喷吹系统的模拟、烟气调质管道的模拟、脱硫塔两相流的模拟、气力输送等方面。谢谢大家！