计算流体动力学新方法1-introduction

计算流体动力学新方法大连理工大学能源与动力学院李维仲Email：[e-mail]第一章绪论一、概述二、CFD及其应用例三、数值（虚拟）实验的特点四、CFD分析的一般过程五、CFD的研究内容六、CFD的计算例七、CFD的发展史八、CFD最新进展1.1绪论一、概述重要性：热流体产品性能的关键；CFD提高企业的竞争能力和设计水平；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。热、流体问题--广泛性、复杂性、重要性广泛性：大气、海洋；能源动力、石油化工、钢铁冶金、国防、环保；复杂性：数学描述；几何域；多种现象；理论、实验、计算流体力学1.条件：硬件：发展迅速软件：CFD比较成熟，FLOWLAB效果：二个例子，飞机阻力，大型换热器2.工程应用：广泛，普及（曾经禁运）？航天：运载工具（武器），能源：电厂、制冷的仿真，换热器电子：设备的热问题分析108w/m2高新技术：微机械现状：二、CFD及其应用例ComputationalfluiddynamicsCFD与CAD减少盲目性CFD——计算流体动力学是集流体力学、数值计算方法及计算机图形学于一体的模拟技术，已经在各个工业领域得到广泛的应用。近年来，CFD技术已经在各个领域内取得重大的进步。尤其是国外，CFD技术的应用研究开展得如火如荼。但是，在我国，CFD技术仍不为广大工程师熟悉，仍是“阳春白雪”。Inshort,today'sCFDsoftwareprovidespowerindustryuserswithacomprehensivevirtualmodelingtoolforpredictingmanytypesoffluidflowandheattransferphenomena.Today,manyofourcustomersarebenefitingfromthisimportanttechnology.（CFD）电力工业受益于CFDFornearlytwodecades,engineershavebeenusingCFDtoaddresscomplexfluidflowandheattransferproblemsCFD拥有包括流体流动、传热、辐射、多相流、化学反应、燃烧等问题丰富的通用物理模型；还拥有诸如气蚀、凝固、沸腾、多孔介质、相间传质、非牛顿流、喷雾干燥、动静干涉、真实气体等大批复杂现象的实用模型。图a为模拟美国F22战斗机的结果，图中显示的是对称面上的马赫数分布。计算共采用了260万个网格单元。模拟的升力、阻力及力矩系数都与实验值吻合的很好。图b是某飞机多段翼周围的压力分布图c是美国J-31型涡轮喷气发动机的整机模拟。包括进气道、压缩机、燃烧室、尾喷管四个部分。图a图b图c航空航天图a日本汽车工业协会模拟的某汽车外流场，图中显示了对称面、地面和车身表面的压力分布。图b模拟F1方程式赛车的外流场，图中显示的是对称面和地面的压力分布。图a图b汽车领域图a模拟伦敦街区一角的外部风场，图中显示了建筑物表面的压力分布。采用建筑物的风载模拟，为建筑的强度设计提供有效的压力数据，同时针对建筑物的具体特点，设计更灵活的通风系统。图b某帐篷式大型体育场的内部通风问题。图中显示的是体育场表面的网格划分。在设计初期就得到体育场内的详细流场信息，从而及时发现可能存在的通风隐患，修改通风设计方案，加快设计周期，提高设计质量。建筑工业图a计算船舶问题。船行速度为2.064[m/s]整船的计算阻力为43.9[N]，而实验结果为44.3[N]。误差几乎为1%。图b德国模拟的船后螺旋桨转动对船体的影响。图c是美国海军模拟的某型号潜艇在水下的运动。图中显示的是潜艇转弯时周围的流线。通过使用CFD，能更快地设计出在阻力、机动性等方面都有很大提高的潜艇。船舶工业图a是模拟的常规涡壳水泵。所得到的结果包括水泵内每一点的速度和压力，这是实验测量所无法完成的。通过CFD模拟，分析水泵内的分离区和回流区产生的原因并加以改进，提高了水泵的效率。图b显示的水轮机。模拟发现，可以在不增加整机压力损失的前提下，有余力提高水轮机的流量。目前，CFD已经成为进行设计分析的必需工具。图c模拟叶片内部冷却通道。考虑了流体和固体之间的耦合传热（CHT）。旋转机械图a是CFD模拟的500[Mwe]电站煤粉锅炉炉内燃烧。结果显示了在燃烧器喷流交叉形成的高温、高氧区，NOX生成速率大。图b显示的是管壳换热器的流线及温度分布。同时考虑管外流体、管内流体、以及管壁部分的耦合传热。图c是模拟燃料电池中氧浓度的分布。用户开发了专门的电化学反应模型，通过催化层的电化学反应速率模拟当地的电流密度。能源工业图a模拟的钢水铸造过程，图中显示的是铸造模具内的流线及表面温度分布图b是模拟连续加热炉，该炉采用直接加热方式，从图中温度分布可以看出，钢带有一角的温度过高，这会影响钢产品的质量。图c是模拟优化铸造炉内烧嘴的类型和位置。很好地模拟出了融池内因浮力驱动产生的二次流现象，及诸如回流区、涡、表面波的发展、温度分布的不均匀性等设计缺陷。冶金工业不受实验等条件限制：有利于单独参数影响的研究例如局部参数变化系统装置的联合研究例如配套的部件和设备其他条件下无法的研究高温、两相流、超常尺寸等三、数值模拟（虚拟实验）的特点可视化；微观、局部化；数值化流体机械虚拟试验平台流体机械虚拟试验平台功能及特点功能多重复性好科学性显示多样性集成性强宏观微观避免了试验误差减少设计的盲目性避免经验因素影响性能曲线的自动绘制矢量图、云图等损失与流动分析与CAD的接口操作简单易于管理压力云图速度云图噪声研究烟囱产生的噪声内部流动模拟压力云图挡板处的压力不均匀和旋涡该处压差最大值=389.9+778.2=1168.1Pa矢量图三种烟囱内压力云图比较产品的开发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：•现代设计方法流程（应用了CFD）：方案设计CFD评估详细设计试验验证投产出口管内流场涡旋鼓风机的开发静压比效率直叶片1.04229.2％前弯叶片1.07732.18％三维叶片1.137.8％37％41％不同叶片形状四、CFD分析的一般过程后处理阶段计算结果分析、数值计算不确定度的估计求解过程方程组和边界条件确定、方程离散(格式)、代数方程求解等前处理阶段（如果用商业CFD,人工干预多）包括实体建模、网格划分(时空间离散)等五、CFD的研究内容前提：方程组和边界条件确定物理模型离散：方程离散(格式)、网格划分(时、空间离散)解法：代数方程组求解(单独、联立；)（离散+解法）六、CFD的计算例一、扩散(质量、动量、能量)现象的方程和边界条件：LxTtxutu0,022初始条件t=0,u(x,0)=f(x)边界条件x=0,u(0,t)=f1(t)x=L,u(L,t)=f2(t)0f(x)LxtTf1(t)f2(t)离散：空间方向分为I等分，xi=L*i/I，i=0,1,…I0f(x)iLxtTnf1(t)f2(t)时间方向分为N等分，ti=T*n/N，n=0,1,…N离散点有(I+1)(N+1)个其中内点(I-1)(N-1)个边界点2(I+1+N+1)个(i,n)方程离散在节点(i,n)上数值解记为uin，解析解是u用差分代替微商？！2112212xuuuxutuutuninininininini1...2,1)21(1...1,0/)2(1112111IiuuuuNnxtuuuuuninininininininini联立I-1个代数方程和初始、边界条件求解；联立解N-1次；LxTtxutu0,022σ=μΔt/Δx2七、CFD的发展史在l933年，英国科学家Thom应用手摇计算机完成了对一个外掠圆柱流动的数值计算，大致始于60年代在全世界范围内逐渐形成规模而且得出有益的结果．1、萌芽初创时期(1965—1974)(1)交错网格的提出，1965(2)“JournalofComputationalPhysics”于1966年创刊。(3)1969年英国帝国理工学院(ImperialCollege)创建了CHAM，旨在把他们研究组的成果推广应用到工业界。(4)l972年SIMPLE算法问世(5)1974年美国学者提出了用微分方程来生成适体坐标的方法(TTM方法)2、开始走向工业应用阶段(1975—1984)1977年由Spalding及其学生开发的GENMIX程序公开发行1979大型通用软件PHOENICS第一版问世(意为对抛物型、双曲型、椭圆型方程进行数值积分的系列程序)。当时仅限在英国帝国理工CFD研究组内使用，为工业界计算一些应用问题。Leonard在1979年发表了著名的QUICK格式--具有三阶精度(从界函面数插值而言)的对流项离散格式，其稳定性优于中心差分。1981年英国CHAM公司把PHOENICS软件正式投放市场，开创了CFD／NHT商用软件市场的先河在这一段时期内也有进—步的发展，先后提出了SIMPLER，SIMPLEC算法。3、进一步兴旺发达的近期(1985年至今)(1)前后处理软件的迅速发展。(2)巨型机的发展促使了并行算法及紊流直接数值模拟(DNS)与大涡模拟(LES)的发展(3)PC机成为CFD／NHT研究领域中的一种重要工具是该时期的一个特色(4)各国都把计算流体与计算传热作为工科高层次人材培养的一门重要课程(5)多个计算传热与流动问题的大型商业通用软件陆续投放市场(6)数值计算方法向更高的计算精度、更好的区域适应性及更强的健壮性(鲁棒性)的方向发展八、CFD最新进展•NS方程对流项高阶差分格式1.SCSD，SGSD对流项格式2.对流项TVD高阶格式•压力速度的耦合算法1.一种求解不可压缩流体的全隐式算法——CLEAR算法2.一种高效稳定的分离算法——IDEAL算法•分子动力学模拟方法•Lattice-Boltzmann方法•直接数值模拟DSMC方法本节结束