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《流體流動數(shù)值模擬》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、.流體流動現(xiàn)象普遍存在于自然界及多種工程領(lǐng)域中。所有這些流動過程都遵循質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒和組分守恒等基本物理定律；而且流動若處于湍流狀態(tài)，則該流動系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運方程。本講座將依據(jù)流體運動的特性闡述計算流體動力學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)知識及任務(wù)；在流體運動所遵循的守恒定律及其數(shù)學(xué)描述的基礎(chǔ)上，介紹數(shù)值求解這些基本方程的思想及其求解過程。第一節(jié)計算流體動力學(xué)概述計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)用于流體機械內(nèi)部流動分析及其性能預(yù)測，具有成本低，效率高，方便、快捷用時少等優(yōu)點。近年來隨著計算流體力學(xué)和計算流體動力學(xué)及計算
2、機技術(shù)的發(fā)展,CFD技術(shù)已成為解決各種流體運動和傳熱，以及場問題的強有力、有效的工具，廣泛應(yīng)用于水利、水電，航運，海洋，冶金，化工，建筑，環(huán)境，航空航天及流體機械與流體工程等科學(xué)領(lǐng)域。利用數(shù)值計算模擬的方法對流體機械的內(nèi)部流動進行全三維整機流場模擬，進而進行性能預(yù)測的方法越來越廣泛地被從事流體機械及產(chǎn)品性能取決于各種場特性的設(shè)計、科研等科技人員所使用；過去只有通過實驗才能獲得的某些結(jié)果或結(jié)論，現(xiàn)在完全可借助CFD模擬的手段來準確地獲取。這不僅既可以節(jié)省實驗資源,還可以顯示從實驗中不能得到的許多場特性的細節(jié)信息。一、什么
3、是計算流體動力學(xué)計算流體動力學(xué)(ComputationalFluidDynamics，簡稱CFD)是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含流體流動和有熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。CFD的基本思想可以歸結(jié)為：把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理場（如速度場和壓力場，以及熱力場等），用一系列有限個離散點上變量值的集合來代替；并通過一定的原則和規(guī)律建立起關(guān)于這些離散點上的場變量之間關(guān)系，從而組成這些場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組；然后求解這種代數(shù)方程組，來獲得這些場變量的近似值[1-3]；這就是流動的數(shù)值計算?；蛘咧庇^地說
4、，通過數(shù)值計算中的各種離散方法，把描述連續(xù)流體運動的控制偏微分方程離散成代數(shù)方程組，由此建立該流動的數(shù)值模型；再根據(jù)問題的具體情況，設(shè)定邊界條件和初始條件封閉方程組；然后通過計算機數(shù)值計算求解這種代數(shù)方程組，從而獲得描述該流場場變量的某些運動參數(shù)的數(shù)值解。計算流體動力學(xué)是在經(jīng)典流體力學(xué)、數(shù)值計算理論、計算方法，以及計算機科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)上建立和發(fā)展起來的多學(xué)科、多領(lǐng)域交叉的流體力學(xué)中的一個新分支；或可以說是一門新學(xué)科。他將科學(xué)的理論知識與實際工程計算緊密地結(jié)合在了一起，是我們流體機械及流體工程學(xué)科和工程領(lǐng)域中目前科學(xué)研
5、究與工程計算、分析或設(shè)計的高質(zhì)、高效，短周期、低費用的強有力不可或缺的重要工具。-..所謂CFD，從實質(zhì)上講就是對流體運動狀態(tài)的一種分析方法；可以被看作是對在流動基本方程(質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程)控制下的流動進行數(shù)值模擬描述的一種方法。通過這種數(shù)值模擬，我們可以獲得復(fù)雜流場內(nèi)各個位置上的基本物理量(如速度、壓力、溫度、濃度等)的分布及其隨時間的變化情況。據(jù)此可以描述出其流動的特征，如旋渦分布、空化特性及脫流區(qū)等；還可以計算出其它相關(guān)的物理量，如對于旋轉(zhuǎn)流體機械的轉(zhuǎn)矩、水力損失、效率和空蝕系數(shù)等。此外，
6、結(jié)合CAD還可以進行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化和可靠性設(shè)計等。CFD方法與傳統(tǒng)的理論分析方法、實驗測量方法組成了研究流體運動問題的完整體系，三者之間的互補關(guān)系如圖1所示。圖1研究流動的三種方法互補關(guān)系示意圖理論分析方法的優(yōu)點在于所得結(jié)果具有普遍性和一定準確性，各種影響因素清晰可見，是指導(dǎo)實驗研究和驗證數(shù)值計算方法正確與否及其計算精確度的基礎(chǔ)。但是，它往往需要對計算對象進行抽象和簡化，且只有對較簡單的流動問題才可能得出理論上的解析解；對于復(fù)雜的特別是非線性的問題，很難求解。因此，對存在于自然界和實際工程中的流動問題，只有其中的極少數(shù)才
7、能給出解析結(jié)果。實驗測量方法所得到的實測結(jié)果一般真實可信，它是對理論分析和數(shù)值計算結(jié)果的驗證依據(jù)。然而，實驗往往受到試驗條件（如模型尺寸、形狀，流場擾動和測量精度等）的影響和限制，有時也很難得到很準確的結(jié)果。此外，實驗還會遇到人力和物力的巨大耗費而受到經(jīng)費投入及周期長等許多因素的制約。而CFD方法恰好克服了前面兩種方法的弱點，它是在計算機上實現(xiàn)對某一流動系統(tǒng)或某一流動現(xiàn)象的一個特定的計算。這個特定的計算，就是用數(shù)值的方法所作的近似計算，即通過數(shù)值求解各種簡化的或非簡化的流體動力學(xué)基本方程，以獲得流動在各種條件下的狀態(tài)參
8、數(shù)和作用在形成流道的邊壁或繞流物上的力或力矩等數(shù)據(jù)，以及流場的分布與流動的狀態(tài)等。這種計算就好像在計算機上做一次物理實驗。例如，機翼的繞流，通過計算-..并將其結(jié)果在屏幕上顯示，就可以看到流場分布的各種細節(jié)，如激波的運動及其強度，渦的生成與傳播，流動的分離及其表面的壓力分布、受力的大小及其隨時間的變化等。數(shù)值模擬實質(zhì)上就是在計算機
