CFD 基礎 P31--P112
什么是CFD
 計算流體動力學(CFD)是一種求解數學方程組來預測流體流動,熱交換,質量交換,化學反應及相關現象的科學
 CFD的分析結果即相應的工程數據可以用于:
–新設計的概念研究
–詳細的產品分析
–問題分析解決
–重新設計
 CFD分析作為實驗和試驗的補充
–減少實驗的工作量

什么是CFD 應用
 CFD 當今廣泛地用于汽車,航空,發熱器件,消費產品和其它工業產品等的設計和分析
 應用包括:
–流動,熱交換,和加工設備(反應堆,壓力容器,熱交換器,接觸設備,混合箱,泵,離心機,燃燒器等)里的化學反應
–造紙工藝
–食品加工
–功率設備系統的熱塑流動分析
–電子封裝散熱

什么是CFD 優點
 低成本
–計算模擬的成本相對低于試驗的成本
 速度快
–CFD 模擬的周期短
–快速轉變的能力意味著工程數據可以用于產品設計的初期
 具有模擬真實條件的能力
–許多流動和熱交換的過程不能(不容易)試驗模擬-例如馬赫數為20的高超聲速流動
–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 允許對物理過程進行強大的控制,并且可以對特有現象進行單獨模擬
–例: 一個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
 全面的數據信息
–實驗僅僅能得到系統中有限的一部分位置的數據(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域的數據

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
–求解線性代數方程組
 使有反復迭代的方法
–收斂后
 給出每個控制體的速度,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
–求解區域離散為有限的控制體或單元
–離散質量,動量,能量等的輸運方程并應用到時每一個網格單元
 每個輸運方程都被離散成代數方程有形式
 離散了的方程需要網格中心和網格面上的信息–材料特性,速度和壓力都存放在網格中心–通量在網格面上計算 可以用相鄰及當地網

格的值來表達 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面通量積分的代數和(三維時為6個面)
 考慮一維的對流/擴散方程 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:–使用的是非結構的網格和拓撲–求通量時使用的是不同的方程 增加了穩定性,提高了

精度–網格面上的值使用調和平均值 提高精度

Fluent 求解器背景: 代數方程的形式
 方程組由反復迭代求解
–系數ap和anb是求解變量的函數(非線性并且相互耦合)
 對流項包含速度分量(u, v, 和w)
 溫度或流動相關的特性
–系數使用上一步迭代的變量的值寫出
 線性化: 在φ上忽略系數的依賴項
–每一步都更新系數
 對于一個指定的迭代步系數為常數

Icepak資料下載:  Icepak高級建模(456頁).pdf

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