计算流体力学的研究进展.pptx

计算流体力学是什么？ 概念和研究价值 应用领域及发展史 几个CFD的研究成果 计算流体力学 —— 研究进展概述 / ©wl-heu ; Fluent Inc. 2014 王良 S314020083 1 计算流体力学 —— 研究进展概述 计算流体力学（CFD）是流体力学的一个分支，它是流体力学、传热学和数值计算的结合，主要使用数值计算的方法，解决目前工程中流体的流动和传热问题。 流体流动问题、传热问题、传质问题 2 计算流体力学 —— 研究进展概述 对于一个具体的工程流动传热问题，一般的求解过程如下： 实际问题 建立数学模型 选取计算方法 进行工程预算，得到预估结果 对于建立的模型进行简化，对计算域进行离散化 比较工程计算结果和数值结果，得出最终结果 把计算结果转化为实际手段，解决工程实际问题 问题解决 对离散计算域上各个节点求解，得到近似值 因此，计算流体力学也是流体力学、计算机和数学的一个交叉学科： 3 计算流体力学 —— 研究进展概述 比如对于一个实际中有应用的突扩管流，为了分析其中流体流动的情况，在做出工程计算之外，采用计算流体力学的方法，对于模型进行以下处理： 这是做沿程阻力系数测试管实验的测试管 4 计算流体力学 —— 研究进展概述 不同雷诺数下突扩管中流体流动的速度分布图 使用以上模型及其简化几何，可以使用计算流体力学得到如下的速度场： 5 计算流体力学 —— 研究进展概述 同样，对于其他实际问题，也可以使用计算流体力学求解： 可见，对于计算流体力学的研究价值还是很大的，通过对各个实际问题的求解，可以实现全尺寸模拟，不需要投入过多的实验研究，并能给实验做出一定的指导。 6 计算流体力学 —— 研究进展概述 使用计算流体力学的方法，可以预测流体流动的情况，定量的得到流体流动参数，一般在以下情况中有应用： 随时间发生变化的流动传热过程； 质量传输问题（如液化和分解）； 相变问题（如融化、凝固、沸腾）； 化学反应（如燃烧和生锈问题）； 机械运动问题（如活塞、风扇、船舵的运动）； 物体所受应力和发生的位移。 房间内气流流动速度云图 非线性结构材料受力分析 二维内燃发动机工作过程中温度变化： 7 计算流体力学 —— 研究进展概述 计算流体力学是在流体力学的基础上发展起来的，Archimedes，Bernoulli，Leonhard，Henry Navier ，George Gabriel Stokes等人逐步建立起的经典流体力学是其应用基础； 进入20世纪，由于一些问题采用传统的解法无法得到精确解，计算流体力学得到发展。 1922年，Lewis Fry Richardson发明了第一个数值天气预测系统，把空间分成了许多网格，并使用了有限差分进行离散； 1933年，提出了圆柱扰流的最早数值解法： - A.Thom, ‘The Flow Past Circular Cylinders at Low Speeds’, Proc. Royal Society, A141, pp. 651-666, London, 1933. 1953年，日本人Kawaguti对于圆柱扰流问题进行了数值求解： - M. Kawaguti, ‘Numerical Solution of the NS Equations for the Flow Around a Circular Cylinder at Reynolds Number 40’, Journal of Phy. Soc. Japan, vol. 8, pp. 747-757, 1953. 实际卫星云图上的卡门涡阶 8 计算流体力学 —— 研究进展概述 1960s以后，随着计算机技术的提高，计算流体力学也得到发展： Los Alamos提出了许多离散格式，对理论计算提供了有效的帮助，其中好多格式到现在还有使用： Particle-In-Cell (PIC); Marker-and-Cell (MAC); k-ε turbulence model. D. Brian Spalding带领的研究小组在1970s对计算流体力学的发展做出了重要的贡献： SIMPLE algorithm; k-ε equations that are used today; ‘Eddy break-up’ and ‘p