計算流體力學在工程中的應用目錄ListABCDCFD背景介紹軟件使用原理介紹在暖通工程中的應用CFD模型性能優(yōu)化對比CFD背景介紹APPT模板下載：/moban/行業(yè)PPT模板：/hangye/節(jié)日PPT模板：/jieri/PPT素材下載：/sucai/PPT背景圖片：/beijing/PPT圖表下載：/tubiao/優(yōu)秀PPT下載：/xiazai/PPT教程：/powerpoint/Word教程：/word/Excel教程：/excel/資料下載：/ziliao/PPT課件下載：/kejian/范文下載：/fanwen/試卷下載：/shiti/教案下載：/jiaoan/PPT論壇：

CFD背景介紹計算流體力學(ComputationalFluidDynamics,簡稱CFD)是基于計算機技術(shù)的一種數(shù)值計算工具,用于求解流體的流動和傳熱問題。具體表現(xiàn)為求解固定幾何形狀空間內(nèi)的流體的動量、熱量和質(zhì)量方程以及相關(guān)的其它方程,并通過計算機模擬獲得某種流體在特定條件下的有關(guān)數(shù)據(jù)。CFD最早運用于汽車制造業(yè)、航天事業(yè)及核工業(yè),用離散方程解決空氣動力學中的流體力學問題。直到1974年丹麥學者PVNilsen首次將CFD技術(shù)用于計算室內(nèi)空氣流動,數(shù)值模擬技術(shù)開始應用于暖通空調(diào)(HVAC）工程領(lǐng)域。相比傳統(tǒng)的模型實驗和經(jīng)驗公式預測流體的流動和傳熱而言,CFD技術(shù)具有眾多優(yōu)點,逐漸受到人們的青睞,尤其是隨著計算機技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展,CFD已被廣泛用于解決工程中的實際題。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本CFD技術(shù)優(yōu)勢較容易地改變實驗條件、參數(shù),以獲取大量在傳統(tǒng)實驗中很難得到的信息資料更細致地分析、研究流體的流動、物質(zhì)和能量的傳遞等過程;整個研究設(shè)計所花的時間減少;可方便地用于那些無法實現(xiàn)具體測量的場合,如高溫、危險的環(huán)境根據(jù)模擬數(shù)據(jù),可以全方位的控制過程和優(yōu)化設(shè)計。1234軟件使用原理介紹B點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本CFD處理過程一般結(jié)構(gòu)前處理求解器后處理a.幾何模型b.劃分網(wǎng)格a.確定CFD方法的控制方程（N-S方程）b.選擇離散型方法進行離散（有限容積/差分，有限元）c.選用數(shù)值計算方法d.輸入相關(guān)參數(shù)速度場、溫度場、壓力場以及其他參數(shù)的計算機可視化及動畫處理點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本CFD處理過程——前處理a.幾何模型b.劃分網(wǎng)格首先，利用CAD軟件幾何造型對需要流動分析的對象進行建模。其次，為了便于分析，還需對幾何模型近似與簡化便。同時，還應該對實施仿真的流域范圍做一個確定,流域的部分邊界應與幾何模型曲面保持一致。（注：建模過程中通常需要考慮網(wǎng)格生成的結(jié)構(gòu)和拓撲。）將流域離散成為網(wǎng)格時，網(wǎng)格生成包括結(jié)構(gòu)和拓撲確定，然后在該拓撲上生成網(wǎng)格。然而，這些網(wǎng)格塊可能是對接的，連續(xù)的，非連續(xù)的或者重疊的。網(wǎng)格必須滿足最低的網(wǎng)格質(zhì)量要求，如正交性（尤其是在邊界上），相對網(wǎng)格間距（最大值不能超過15%到20%），網(wǎng)格扭曲率等等。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本CFD處理過程——求解器a.建立數(shù)學物理模型（確定控制方程）在CFD中所的建立數(shù)學物理模型是對所研究的流動問題進行數(shù)學描述，對于暖通空調(diào)工程領(lǐng)域內(nèi)的流體流動一般滿足連續(xù)性方程、動量方程和能量方程,且通常是不可壓流體的粘性流體流動的控制微分方程（N-S方程）。黏性流動方程（N-S方程）點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本CFD處理過程——求解器a.建立數(shù)學物理模型（確定控制方程）黏性流動方程（N-S方程）點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本CFD處理過程——求解器a.建立數(shù)學物理模型（湍流模型）一般而言，湍流運動物理上近乎無窮多尺度漩渦流動和數(shù)學上的強烈非線性，使得理論實驗和數(shù)值模擬都很難解決湍流問題。雖然N-S方程能夠準確地描述湍流運動地細節(jié)，但求解這樣一個復雜的方程會花費大量的精力和時間。在實際求解過程中，往往采用平均N-S方程來描述工程和物理學問題中遇到的湍流運動。當我們對三維非定常隨機不規(guī)則的有旋湍流流動的N-S方程平均后，得到相應的平均方程，此時平均方程中增加了六個未知的雷諾應力項，從而形成了湍流基本方程的不封閉問題（通俗講就是解不了）。研究表明，雖然湍流運動十分復雜，但是它仍然遵循連續(xù)介質(zhì)運動的特征和一般力學規(guī)律，因此，雷諾提出用時均值概念來研究湍流運動的方法，導出了以時間平均速度場為基礎(chǔ)的雷諾時均方程。從雷諾方程可以看出，由于湍流運動采用了時均方法，在運動方程中出現(xiàn)了雷諾應力，從而增加了方程中的未知量。因此需要補充新的關(guān)系式才能求解。如果補充的關(guān)系式是一個代數(shù)方程，而不需要補充任何附加的微分方程來求解時均流場，則稱這種模型為零方程模型；CFD處理過程——求解器湍流模型一、湍流運動的連續(xù)方程

由于湍流流動中各物理量都具有某種統(tǒng)計特征的規(guī)律，所以基本方程中任一瞬間物理量都可用平均物理量和脈動物理量之和來代替，并且可以對整個方程進行時間平均的運算。在湍流運動中，瞬時運動的速度應滿足粘性流體的基本方程。其連續(xù)方程為：經(jīng)過時均運算后，可壓縮湍流運動的連續(xù)方程為與瞬時值的連續(xù)方程相比，多出了三個脈動量乘積的導數(shù)的時均值經(jīng)過一系列推導后，連續(xù)方程可化為：對不可壓湍流運動，時均運動和脈動運動的連續(xù)方程和瞬時運動的連續(xù)方程具有相同的形式。CFD處理過程——求解器湍流模型二、雷諾方程

對于不可壓縮粘性流動，在不考慮質(zhì)量力的情況下，N-S方程具有下列形式：

利用不可壓流瞬時運動的連續(xù)方程，可推導不可壓縮流體作湍流運動時的時均運動方程（雷諾方程）為：雷諾方程與N-S方程在形式上是相同的，在粘性應力（雷諾應力）項中多出了附加的湍流應力項。

非定常項對流項單位質(zhì)量流體壓力差黏性力項CFD處理過程——求解器湍流模型三、普朗特混合長度理論（零方程模型）

從雷諾方程可以看出，由于湍流運動采用了時均方法，在運動方程中出現(xiàn)了雷諾應力，從而增加了方程中的未知量，因此需要補充新的關(guān)系式才能求解。如果補充的關(guān)系式是一個代數(shù)方程，而不需要補充任何附加的微分方程來求解時均流場，則稱這種模型為零方程模型；

混合長度理論是基于經(jīng)驗性的一個經(jīng)過實驗驗證的理論模型。在許多問題中得到了較好的應用。其基本思想是如果能夠找出湍流應力與其它流場參數(shù)之間的關(guān)系，即找到了這些物理量的補充關(guān)系式，就可以使方程組封閉。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本CFD處理過程——求解器b.選用離散方法進行離散c.選用數(shù)值計算方法上述的各微分方程相互耦合，具有很強的非線性特征，目前只能利用數(shù)值方法進行求解。這就需要對實際問題的求解區(qū)域進行離散。數(shù)值方法中常用的離散形式有：有限容積，有限元、差分法。目前這三種方法在暖通空調(diào)工程領(lǐng)域的CFD技術(shù)中均有應用。總體而言，對于暖通空調(diào)領(lǐng)域中的低速，不可壓流動和傳熱問題，采用有限容積法進行離散的情形較多。它具有物理意義清楚，總能滿足物理量的守恒規(guī)律的特點。離散后的微分方程組就變成了代數(shù)方程組，表現(xiàn)為如下形式可見，通過離散之后使得難以求解的微分方程變成了容易求解的代數(shù)方程，采用一定的數(shù)值計算方法求解式表示的代數(shù)方程，即可獲得流場的離散分布，從而模擬關(guān)心的流動情況。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本CFD處理過程——后處理a.圖形后視化b.選用數(shù)值計算方法上述代數(shù)方程求解后的結(jié)果是離散后的各網(wǎng)格節(jié)點上的數(shù)值，這樣的結(jié)果不直觀，難以為一般工程人員或其他相關(guān)人員理解。因此將求解結(jié)果的速度場、溫度場或濃度場等表示出來就成了CFD技術(shù)應用的必要組成部分。通過計算機圖形學等技術(shù)，就可以將我們所求解的速度場和溫度場等形象、直觀地表示出來。右圖所示即為某會議室側(cè)送風時的速度場與溫度場。（顏色的暖冷表示溫度高低，矢量箭頭的大小表示速度大小。）可見，通過可視化的后處理，不僅能顯示靜態(tài)的速度、溫度場圖片，而且能顯示流場的流線或跡線動畫，非常形象生動，甚至非專業(yè)人士也可理解。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本常用軟件

目前,數(shù)值模擬最主要的問題就是計算精度問題。網(wǎng)格的形狀、結(jié)構(gòu)和所采用的湍流模型和計算方法都對精度有影響。因而我們在利用CFD軟件處理問題時,采用什么樣的網(wǎng)格形式、坐標形式、網(wǎng)格密度及湍流模型都是需要研究者慎重考慮的。應在能保證模擬準確度、精確度的前提下,盡可能地選用簡單的方法和模型。這樣不僅可以簡化問題,而且可以節(jié)約計算機資源,減少計算時間。隨著CFD在工程技術(shù)中應用的推廣,CFD也逐漸軟件化、商業(yè)化。CFD商業(yè)軟件中既有通用的也有作為特殊用途的專業(yè)軟件,而且這些軟件大多數(shù)都能在一般高性能計算機的UNIX、LINUX、WINDOWS操作系統(tǒng)上運行,這為這些軟件的推廣使用打下了良好的基礎(chǔ)。表1中列出了主要的一些商用CFD軟件。暖通行業(yè)使用較多的FLUENT和PHOENICS,其它軟件的可以見表1中給出的網(wǎng)址。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本常用軟件在暖通工程中的運用C點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本CFD在暖通工程中的應用建筑內(nèi)環(huán)境的設(shè)計和優(yōu)化分析建筑外環(huán)境的評價分析和自然通風設(shè)計特殊空間內(nèi)環(huán)境的分析和設(shè)計建筑設(shè)備內(nèi)流體流動和傳熱分析、指導設(shè)計設(shè)備1432點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本CFD在暖通工程中的應用CFD模型優(yōu)化對比CFD模型優(yōu)化比暖通空調(diào)設(shè)計優(yōu)化氣流組織設(shè)計是通風空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵,合理的氣流組織可以達到滿意的空調(diào)效果,并且節(jié)省能耗。圖1為某會議室變風量系統(tǒng)側(cè)送風示意圖。由于變風量系統(tǒng)在部分負荷下送風速度很小,對于這種側(cè)送風情形很可能出現(xiàn)冷風下墜現(xiàn)象,于是利用STACH-3對夏季兩種不同氣流組織工況做了模擬對比分析，如表2所示。建筑內(nèi)環(huán)境的設(shè)計和優(yōu)化分析2點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本CFD在暖通工程中的應用由兩工況中心的計算結(jié)果對比可見，工況1確實出現(xiàn)了冷風下墜的現(xiàn)象，容易造成吹風感，調(diào)整風口出風方向斜向上的工況2改善了室內(nèi)的氣流組織，速度溫度分布較為合理，而采用傳統(tǒng)的射流理論分析無法做出類似分析，對于冬季也可采用不同方案得到合理的氣流組織形式，由此可見CFD對室內(nèi)環(huán)境的氣流設(shè)計方面有著獨特的優(yōu)點。建筑內(nèi)環(huán)境的設(shè)計和優(yōu)化分析點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本CFD在暖通工程中的應用1建筑外環(huán)境的評價分析和自然通風設(shè)計2

用CFD方法對建筑外來流風繞流作用下的風環(huán)境進行數(shù)值模擬，可以了解建筑室外環(huán)境的優(yōu)劣，以及知道自然通風設(shè)計。圖4為某建筑室外風環(huán)境的模擬結(jié)果。由圖可知，我們可以根據(jù)該建筑外來空氣流動情況合理組織自然通風，而如果采用模型實驗對該問題進行研究的話，則存在周期長，價格昂貴的缺陷，無法適應工程需要。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本CFD在暖通工程中的應用1建筑外環(huán)境的評價分析和自然通風設(shè)計2點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本CFD在暖通工程中的應用1特殊空間內(nèi)環(huán)境的分析和設(shè)計3

用CFD方法也可對特殊空間的流體流動和傳熱數(shù)值模擬。圖5所示為某客車空間內(nèi)夏季空調(diào)送風形成的溫度場分布進行計算的結(jié)果。由圖可見，借助CFD模擬所得結(jié)果，可以形象直觀地分析該空間內(nèi)的空氣分布是否符合人體熱舒適的要求，借此知道和優(yōu)化其空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本CFD在暖通工程中的應用1建筑設(shè)備內(nèi)流體流動和傳熱分析、指導設(shè)計設(shè)備3設(shè)備內(nèi)的流動和傳熱也是暖通空調(diào)工程領(lǐng)域常見的問題。借助CFD可以對風機，冷藏柜，蓄冰槽等建筑設(shè)備內(nèi)的流體流動和傳熱問題進行數(shù)值分析。3MW主控熱設(shè)計仿真計算案例從下方往上流的空氣，在經(jīng)過中隔板的孔后沿著斜面方向往斜上方流，在靠近電源處附近空氣流量較小且速度較低。點擊添加文本點擊添