計(jì)算流體力學(xué)(CFD)課件本課件將介紹計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的基本原理、應(yīng)用以及發(fā)展趨勢(shì)，并提供一些典型實(shí)例分析。CFD的定義及應(yīng)用背景CFD的定義計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是一種利用計(jì)算機(jī)數(shù)值方法求解流體力學(xué)問(wèn)題的學(xué)科，它通過(guò)建立流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并使用數(shù)值計(jì)算方法來(lái)模擬流體流動(dòng)。應(yīng)用背景CFD在航空航天、汽車(chē)、能源、環(huán)境、生物醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如飛機(jī)設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化、風(fēng)能利用、污染物擴(kuò)散模擬、血液流動(dòng)分析等。流體力學(xué)基礎(chǔ)流體能夠流動(dòng)且能變形、具有黏性的物質(zhì)，如水、空氣、油等。流體動(dòng)力學(xué)研究流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、流體與固體相互作用的學(xué)科。流體靜力學(xué)研究流體處于靜止?fàn)顟B(tài)的規(guī)律?？刂品匠?控制方程2質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒定律是流體力學(xué)的基本定律之一，表示流體在流動(dòng)過(guò)程中質(zhì)量不會(huì)增加或減少。3動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒定律是流體力學(xué)的基本定律之一，表示流體在流動(dòng)過(guò)程中動(dòng)量不會(huì)增加或減少。4能量守恒能量守恒定律是流體力學(xué)的基本定律之一，表示流體在流動(dòng)過(guò)程中能量不會(huì)增加或減少。質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒定律可以用連續(xù)性方程表示，該方程描述了流體在流動(dòng)過(guò)程中質(zhì)量的守恒性。動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒定律可以用動(dòng)量方程表示，該方程描述了流體在流動(dòng)過(guò)程中動(dòng)量的守恒性，它反映了流體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的外力。能量守恒能量守恒定律可以用能量方程表示，該方程描述了流體在流動(dòng)過(guò)程中能量的守恒性，它反映了流體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)化和傳遞。湍流模型湍流一種流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，特點(diǎn)是混亂、無(wú)序、不可預(yù)測(cè)。湍流模型為了簡(jiǎn)化湍流的模擬，需要使用湍流模型來(lái)近似描述湍流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。湍流運(yùn)動(dòng)方程湍流運(yùn)動(dòng)方程是基于雷諾平均方法對(duì)Navier-Stokes方程進(jìn)行簡(jiǎn)化的結(jié)果，它包含了湍流模型的具體形式。湍流模型的選擇模型選擇湍流模型的選擇取決于具體問(wèn)題的特點(diǎn)，如流動(dòng)類(lèi)型、雷諾數(shù)、邊界條件等。模型類(lèi)型常見(jiàn)的湍流模型包括k-ε模型、RNGk-ε模型、LES模型等。數(shù)值離散化數(shù)值離散化是將流體控制方程轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程組的過(guò)程，常用的方法包括有限差分法、有限體積法、有限元法等。網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是將流體計(jì)算域分割成許多小的單元，每個(gè)單元都有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，用于存儲(chǔ)流體變量的值。差分格式差分格式是將流體控制方程中的導(dǎo)數(shù)用差分近似表達(dá)，常用的差分格式包括中心差分、迎風(fēng)差分、迎風(fēng)差分等。邊界條件邊界條件是流體計(jì)算域邊界上的條件，它用來(lái)描述流體在邊界上的流動(dòng)狀態(tài)，例如速度、壓力、溫度等。迭代求解算法迭代求解算法是用來(lái)求解流體控制方程的離散方程組的數(shù)值方法，常用的迭代求解算法包括松弛迭代法、共軛梯度法等。網(wǎng)格收斂性網(wǎng)格收斂性是指隨著網(wǎng)格尺寸的減小，計(jì)算結(jié)果逐漸趨于穩(wěn)定，說(shuō)明數(shù)值計(jì)算結(jié)果是可靠的。結(jié)果的后處理結(jié)果的后處理是將CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化、分析和解釋的過(guò)程，常用軟件包括Tecplot、Paraview等。CFD的建模過(guò)程1問(wèn)題定義明確分析目標(biāo)、物理問(wèn)題和邊界條件。2幾何建模創(chuàng)建流體計(jì)算域的幾何模型。3網(wǎng)格劃分將計(jì)算域分割成多個(gè)網(wǎng)格單元。4邊界條件設(shè)置設(shè)定流體在邊界上的流動(dòng)狀態(tài)。5求解計(jì)算使用數(shù)值方法求解流體控制方程。6結(jié)果后處理可視化、分析和解釋CFD計(jì)算結(jié)果。流動(dòng)模擬實(shí)例分析本節(jié)將介紹一些常見(jiàn)的CFD模擬實(shí)例，例如繞流體、管道流動(dòng)、熱傳導(dǎo)等，并展示CFD模擬結(jié)果。穩(wěn)態(tài)流固耦合分析流固耦合分析是指流體流動(dòng)與結(jié)構(gòu)變形之間的相互作用，例如風(fēng)力對(duì)橋梁的影響。瞬態(tài)流動(dòng)模擬瞬態(tài)流動(dòng)模擬是指模擬時(shí)間變化的流動(dòng)現(xiàn)象，例如波浪傳播、爆炸沖擊等。多相流動(dòng)分析多相流動(dòng)是指兩種或兩種以上不同相的流體混合流動(dòng)，例如油水混合、氣液兩相流動(dòng)等?；瘜W(xué)反應(yīng)耦合分析化學(xué)反應(yīng)耦合分析是指將化學(xué)反應(yīng)過(guò)程與流體流動(dòng)耦合，例如燃燒過(guò)程、催化反應(yīng)等。先進(jìn)湍流模型應(yīng)用近年來(lái)，一些新的湍流模型被開(kāi)發(fā)出來(lái)，例如大渦模擬(LES)模型，它們?cè)谔幚韽?fù)雜湍流問(wèn)題方面具有優(yōu)勢(shì)。自適應(yīng)網(wǎng)格生成自適應(yīng)網(wǎng)格生成技術(shù)可以根據(jù)流體流動(dòng)情況自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格密度，提高計(jì)算精度和效率。并行計(jì)算技術(shù)并行計(jì)算技術(shù)可以將CFD計(jì)算任務(wù)分配到多個(gè)處理器上同時(shí)進(jìn)行，顯著縮短計(jì)算時(shí)間?？梢暬c后處理CFD計(jì)算結(jié)果的可視化和后處理是分析和解釋CFD模擬結(jié)果的重要手段。CFD模擬結(jié)果驗(yàn)證CFD模擬結(jié)果的驗(yàn)證是確保CFD模擬結(jié)果可靠性的重要步驟，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)或其他數(shù)值方法進(jìn)行驗(yàn)證。CFD發(fā)展趨勢(shì)CFD技術(shù)正在不斷發(fā)展，未來(lái)將更加注重與人工智能、機(jī)器學(xué)