CFD 基礎(chǔ) P31--P112
什么是CFD
計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)是一種求解數(shù)學(xué)方程組來預(yù)測流體流動(dòng),熱交換,質(zhì)量交換,化學(xué)反應(yīng)及相關(guān)現(xiàn)象的科學(xué)
CFD的分析結(jié)果即相應(yīng)的工程數(shù)據(jù)可以用于:
–新設(shè)計(jì)的概念研究
–詳細(xì)的產(chǎn)品分析
–問題分析解決
–重新設(shè)計(jì)
CFD分析作為實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)的補(bǔ)充
–減少實(shí)驗(yàn)的工作量
什么是CFD 應(yīng)用
CFD 當(dāng)今廣泛地用于汽車,航空,發(fā)熱器件,消費(fèi)產(chǎn)品和其它工業(yè)產(chǎn)品等的設(shè)計(jì)和分析
應(yīng)用包括:
–流動(dòng),熱交換,和加工設(shè)備(反應(yīng)堆,壓力容器,熱交換器,接觸設(shè)備,混合箱,泵,離心機(jī),燃燒器等)里的化學(xué)反應(yīng)
–造紙工藝
–食品加工
–功率設(shè)備系統(tǒng)的熱塑流動(dòng)分析
–電子封裝散熱
什么是CFD 優(yōu)點(diǎn)
低成本
–計(jì)算模擬的成本相對低于試驗(yàn)的成本
速度快
–CFD 模擬的周期短
–快速轉(zhuǎn)變的能力意味著工程數(shù)據(jù)可以用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期
具有模擬真實(shí)條件的能力
–許多流動(dòng)和熱交換的過程不能(不容易)試驗(yàn)?zāi)M-例如馬赫數(shù)為20的高超聲速流動(dòng)
–CFD 具有理論上模擬任何物條件的能力
具有模擬理想條件的能力
–CFD 允許對物理過程進(jìn)行強(qiáng)大的控制,并且可以對特有現(xiàn)象進(jìn)行單獨(dú)模擬
–例: 一個(gè)熱交換過程可以處理為絕熱,常熱流密度或是常溫邊界條件
全面的數(shù)據(jù)信息
–實(shí)驗(yàn)僅僅能得到系統(tǒng)中有限的一部分位置的數(shù)據(jù)(例.壓力和溫度探針,熱流量表,LDV等.)
–CFD 允許工程師得到任何感興趣的區(qū)域的數(shù)據(jù)
Icepak求解器
Icepak的CFD求解器將:
–離散非線性控制方程
有限體積法
–線性并簡化方程
非線性方程不能被直接求解
–求解線性代數(shù)方程組
使有反復(fù)迭代的方法
–收斂后
給出每個(gè)控制體的速度,壓力,溫度以及其它特性的值
Icepak求解器背景: 控制方程
Icepak求解是基于有限體積法的求解器
–求解區(qū)域離散為有限的控制體或單元
–離散質(zhì)量,動(dòng)量,能量等的輸運(yùn)方程并應(yīng)用到時(shí)每一個(gè)網(wǎng)格單元
每個(gè)輸運(yùn)方程都被離散成代數(shù)方程有形式
離散了的方程需要網(wǎng)格中心和網(wǎng)格面上的信息–材料特性,速度和壓力都存放在網(wǎng)格中心–通量在網(wǎng)格面上計(jì)算 可以用相鄰及當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)
格的值來表達(dá) 可以用許多不同的方法來求能量
通過控制體邊界的凈通量是這控制體積的四個(gè)面通量積分的代數(shù)和(三維時(shí)為6個(gè)面)
考慮一維的對流/擴(kuò)散方程 有限體積法(FVM)對控制體使用積分形式的守恒方程:
沿x方向在面e和面w上積分上述方程
需要知道面e和面w上的通量和速度的大小
Icepak求解器具有以上相同的離散過程,除了:–使用的是非結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格和拓?fù)?ndash;求通量時(shí)使用的是不同的方程 增加了穩(wěn)定性,提高了
精度–網(wǎng)格面上的值使用調(diào)和平均值 提高精度
Fluent 求解器背景: 代數(shù)方程的形式
方程組由反復(fù)迭代求解
–系數(shù)ap和anb是求解變量的函數(shù)(非線性并且相互耦合)
對流項(xiàng)包含速度分量(u, v, 和w)
溫度或流動(dòng)相關(guān)的特性
–系數(shù)使用上一步迭代的變量的值寫出
線性化: 在φ上忽略系數(shù)的依賴項(xiàng)
–每一步都更新系數(shù)
對于一個(gè)指定的迭代步系數(shù)為常數(shù)
Icepak資料下載: Icepak高級(jí)建模(456頁).pdf
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