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目录1.分析理念及CFD介绍2.分析流程介绍问题一：分析理念及CFD介绍第一课引言流体力学：宏观力学。是一种研究宏观运动规律的学科。研究对象：流体(Fluid)。包括液体和气体。液体：无形状，有一定的体积；不易压缩，存在自由（液）面。气体：既无形状，也无体积，易于压缩。研究任务：研究流体所遵循的宏观运动规律；流体和周围物体之间的相互作用。例如：网球、汽车风阻、水泵、风扇等第一课理论分析：根据实际问题建立理论模型、涉及微分体积法、速度势法、保角变换法。实验研究方法：根据实际问题利用相似理论建立实验模型，选择流动介质，设备包括风洞、水槽、水洞、激波管、测试管系等。尽管通过实验的结果一般上来说是比较可靠的，但是会受到模型尺寸以及边界条件等限制。数值计算方法：根据理论分析的方法建立数学模型，选择合适的计算方法，包括有限差分法、有限单元法、特征线法、边界元法等，利用商业软件和自编程序计算，得出结果，用实验方法加以验证，可以解决理论分析解决不了的复杂流动的问题，和实验相比所需的费用和时间也比较少。研究方法第一课计算流体动力学概述计算流体动力学：ComputationalFluidDynamics/CFD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做的分析。CFD的基本思想：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，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。第一课计算流体动力学的数学基础纳维—斯托克斯方程（N-S方程）关于纳维斯托克斯方程的历史背景以及现在很多关于流体问题的争论学习者可以自行上网查阅相关资料，对学习CFD会有一定帮助。第一课什么是仿真分析在这个分支图中的难点：1.如何结合企业目前的实验状况制定一套可行性分析方案；2.如何建立起软件计算和实验/理论计算数据的桥梁，形成结果的分析对比；3.如何通过实验数据和仿真数据为企业研发产生新的价值。第一课固体力学计算力学工程应用流体力学热力学动力学有限单元法有限差分法边界元法加权残数法计算机性能提高计算力学发展理论研究数值方法…………第一课成本都是企业和工程师必须考虑的一个主要因素，很多人对分析的认识存在极大的误区，认为仿真分析的成本就是电脑硬件成本和工程师的成本，其实仿真分析的成本包含以下几个方面（中国企业的实际情况暂时不考虑软件的成本）：1.电脑硬件成本；2.工程师的工资和培训成本；3.工作计算的时间成本；4.实验场地和设备的硬件成本；5.实验人员的工资和培训成本。第一课问题二：分析流程介绍第一课FlowSimulation流体分析步骤：1.准备用于分析的模型；2.使用向导功能设定流体仿真；3.加载边界条件；4.明确计算目标；5.运行分析；6.后处理结果。第一课分析实例：歧管问题描述：空气以0.05m^3/s的流量进入歧管入口，并从六个出口流出，分析管路内的流体分布以及沿管路红色箭头方向的压力分布。流体材料：空气入口：0.05m^3/s出口：StaticPressure第一课封盖创建向导网格第一课内流场和外流场内流Internal：流体被物理几何体封闭，由内部体积为典型分析构成。例如：流管,阀,发动机…外流External：物理几何体浸没在流体中求解域必须远大于实际几何体。分析典型倒置意义，对象被固定住并且流体在上面吹它。例如：翅膀,导弹,潜水艇…第一课层流和湍流层流Laminar:流动是有规则的，有层次的，稳定的；湍流Turbulent:流动是无规则脉动的，有强烈的掺混性和涡旋性。层流区过渡区紊流区雷诺实验（O.Reynolds,1883）德雷顿（H.Dryden,1934）热线测速仪第一课内流场封闭检查在流体与固体网格界定时，有两个主要因素需要重视：1.在内部分析中，不能存在与外界连通的开口；2.点接触与线接触都被视为无效接触，在内部和外部分析中均需避免。第一课边界条件第一课总压=静压+动压静压：流体静止状态下形成的压强，可通过设备直接测量。动压：流体的动能，一般不能被直接测量。第一课GlobalGoal：一个在整个计算域的物理参数计算。PointGoals：一个用户对模型的指定点物理参数计算。SurfaceGoal：一个用户对模型的指定面物理参数计算。VolumeGoal：一个用户指定空间内的计算域的物理参数计算，无论是在液体或固体（如固体传热考虑）EquationGoal：是一个目标明确的方程（基本数学函数）与指定的目标变量。例如：压降，温差等定义目标目标设置第一课计算求解结果云图第二课流线和迹线迹线（track）：流体质点的运动轨迹线。流线（streamline）：线上任意点的切线方向与该点的速度方向一致的假想曲线。第二课目录1.自动网格控制2.手动网格控制问题一：自动网格控制第三课软件2017版界面和2016版及以前的界面在网格划分上产生了一定的变动，但是功能及名称未发生变动，本视频以2017版界面讲解，所以学习者要稍微注意下软件版本，如若版本不对应，请在操作过程自行查找功能按钮位置。第三课分析实例：方管问题描述：方管内部包含两个间隔板，入口处通入1kg/s的水，出口为大气静压环境，通过网格控制，分析内部流体分布。流体材料：水第三课了解三个重点：1.等级设置2.昀小缝隙尺寸3.显示基础网格自动网格划分界面第三课3级5级第三课问题二：手动网格控制第三课每个设置参数的含义手动网格划分界面第三课目录1.自动网格控制2.局部网格控制3.网格无关性问题问题一：自动网格控制第四课分析实例：喷嘴问题描述：空气以5e-6m^3/s的流量从喷嘴喷入，并从顶部出口将气体排出，通过网格控制，将网格总数控制在40万以内，并分析内部流体分布。流体材料：空气第四课目标其中名词的意义第四课自动网格自动网格划分达到接近60万第四课自动网格控制（老版界面）初始网格的级别昀小缝隙尺寸昀小壁面厚度（仅在昀小壁厚的值小于昀小缝隙的时候这个数值才会工作）第四课昀小缝隙的选择第四课方案一：选取整个模型的昀小特征作为昀小缝隙尺寸。缺点：如果有极个别尺寸远远小于模型正常尺寸，网格数量将会很多。方案二：选取一个合理的模型尺寸作为昀小缝隙尺寸，极个别特征使用局部网格控制功能。问题二：局部网格控制第四课第四课局部网格划分界面每个设置参数的含义第四课问题三：网格无关性问题第四课目录1.热分析基础2.操作3.计算界面本课内容主要讲解的就是常规的操作和功能，涉及到流动过程的散热问题、风扇问题、多孔板以及PCB板这些流体问题的常规问题！第五课问题一：热分析基础第五课传热的基本方式：热传导是指在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度较高的部位传递给相邻的温度较低的部位，或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程，简称导热。热对流是指固体表面与附近流体间的传热。热辐射是指一定温度下物体的热能通过电磁波的形式向外发射的过程。多数工程问题，一般都是用不到热辐射这种传热方式！第五课傅里叶定律TcoldThot式中K为热导率，热导率是一种材料属性，它表示材料通过传导的方式传递热能的效率。第五课牛顿冷却方程对流的两种方式：1.自然对流：是没有外界驱动力但流体依然存在运动的情况，引起流体这种运动的内在力量是温度差。2.强制对流：当有外力推动（如泵或者风扇）流体导致流体运动的对流现象。第五课介质对流换热系数,h(W/m^2,K)空气（自然对流）5~25空气/过热蒸汽（强对流）20~300油（强制对流）60~1800水（强制对流）300~6000水（沸腾）3000~60,000蒸汽（压缩）6000~120,000典型的对流换热系数对流换热系数h的物理意义：当流体与固体表面之间的温度差为1K时，单位壁面面积在每秒所能传递的热量。h的大小反映对流换热的强弱。第五课问题二：操作第五课分析实例：机箱问题描述：机箱内各元器件工作时产生热功耗，由风扇强制流动降温，考察机箱内温度和流体分布。流体材料：空气固体材料：铜、PCB板等第五课模型的简化包括：1.复杂零件的特征简化；2.复杂装配体的零件简化。很多新手或者学习者低估了模型简化的价值，模型简化是仿真的第一步，这部分工作的好坏直接影响到你之后网格划分的精度和数量，也影响到求解的速度和计算结果的好坏。一般情况下，作为出工程图的三维模型是无法运用于分析计算的。合理的简化不代表你结果误差就一定大。第五课模型简化1.装配体零件简化2.零件特征简化第五课固体材料铜硅硅金铝不锈钢321PCB四层未标注材料均为绝缘体自定义材料第五课工程模型库第五课新建材料第五课热边界条件发热功率2W小电容35℃大电容45℃发热功率0.5W发热功率3W小电容35℃大电容45℃风扇P-Q曲线第五课多孔板如果我们分析遇到这样的问题，该如何处理？直接画网格么？第五课多孔板模型库第五课温度场分布流场分布第五课问题三：计算界面第五课后处理界面第五课目录1.耦合传热2.EFD缩放第六课问题一：耦合传热第六课分析实例：冷却板问题描述：将一块冷却板至于大气中，上表面产生200W的热量，下表面由冷却管内通入冷水进行冷却，入口质量流量0.001kg/s，温度为5℃，在空气与冷水共同作用下，温度场分布。流体材料：水,空气固体材料：铝冷水入口冷水出口第六课流体子域设置第六课第六课外流场计算域控制方法第六课补充介绍FlowSimulation帮助文件中对流体模型有一定的介绍，这部分知识类似于结构中的非线性模型第六课问题二：EFD缩放第六课本课开始前请关闭Windows防火墙第六课分析实例：散热器安装方案确定问题描述：散热器如图分别按照方案A和方案B进行安装，运用EFD缩放技术考察两种情况下散热效果。流体材料：空气固体材料：铜、PCB板等第六课EFD缩放思路用一个假象实体替代散热器并整体求解将之前的计算边界条件导入局部求解第六课EFD缩放边界条件导入步骤123第六课ab方案结果对比第六课目录1.圆柱绕流现象2.多孔介质3.参数研究问题一：圆柱绕流现象第七课内流场和外流场内流Internal：流体被物理几何体封闭，由内部体积为典型分析构成。例如：流管,阀,发动机…外流External：物理几何体浸没在流体中求解域必须远大于实际几何体。分析典型倒置意义，对象被固定住并且流体在上面吹它。例如：翅膀,导弹,潜水艇…第七课稳态流动：流体流动过程中各物理量均与时间无关。瞬态流动：流体流动过程中某个或某些物理量与时间有关。a为速度恒定，代表定常流；b为速度作小幅变化，可近似为定常流；c为周期性谐波脉动流（正弦波）；d为周期性非谐波脉动流（生理波）；e为非周期性脉动流（衰减波）；f为随机流动（湍流）。第七课层流和湍流层流Laminar:流动是有规则的，有层次的，稳定的；湍流Turbulent:流动是无规则脉动的，有强烈的掺混性和涡旋性。层流区过渡区紊流区雷诺实验（O.Reynolds,1883）德雷顿（H.Dryden,1934）热线测速仪第七课C就是我们所说的卡门涡街现象，它昀大的问题之一就是会产生激励频率，从而引发结构共振。第七课分析实例：圆柱绕流问题问题描述：水在常温常压下，流经直径为10mm圆柱，瞬态计算时长80S，结果步长4S，考察不同雷诺数下的计算此时对应的阻力系数。流体材料：水第七课雷诺数（Reynoldsnumber）一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。Re=ρvd/μ，其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度。例如流体流过圆形管道，则d为管道的当量直径。利用雷诺数可区分流体的流动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力。本次仿真中我们分别使用流速0.365m/s和1.21m/s两个值，由于流体为水，根据水的物理特性，ρ=1000kg/m^3，d=0.01m，μ=0.00101241Pa/s，分别可以求出两个流速下的雷诺数分别为60和200。第七课计算过程中细化网格第七课不同雷诺数下的圆柱扰流结果瞬态动画制作第七课问题二：多孔介质第七课分析实例：催化转换器问题描述