CFD仿真实践综述报告
Cad software simulation practice review
report
作者：李欣
单位：北京石油化工学院 电话：15801349865
摘要：计算流体力学是流体力学的一个分支。它用于求解固定几何形状空间内的流体的动量、热量和质量方程以及相关的其它方程,并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关信息,是分析和解决问题的强有力和用途广泛的工具。对计算流体力学的发展和应用进行了综述并对其发展趋势做了探讨。 关键词：玻尔兹曼方程，计算流体力学，数值模拟，Fluent，分叉
Abstract: computational fluid mechanics is a branch of fluid mechanics. It is used to solve the fixed geometry space within the fluid momentum, heat and mass equations as well as other related equation, and get some kind of fluid under certain conditions by computer simulation of relevant information, is to analyze and solve the problem of powerful and versatile tool. The development and application of computational fluid dynamics is reviewed and its development trend is discussed.
Key words: boltzmann equation, computational fluid dynamics, numerical simulation of the Fluent software, the split ends
0、引言
首先，让我们通过简单的介绍来了解一下何为CFD仿真，以及如何模拟的。
计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)是近代流体力学、数值流体力学和计算机科学结合的产物,是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具,应用各种离散化的计算方法,对流体力学的各类问题进行数值试验、计算机模拟和分析研究,以解决各种实际问题。计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机试验,它从基本物理定理出
发,在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备,在科学研究和工程技术中产生巨大的影响。计算流体力学(CFD)数值模拟方法最早起源于航空工程领域对机翼绕流特性的研究,利用CFD技术可以高效、准确地计算和描述一些复杂流动的流动细节,例如围绕飞行的飞机的大气流动。随后CFD技术被广泛应用于飞行器和喷气发动机的设计、大跨桥梁、水利工程、土木工程等多个领域。综上,计算流体力学(CFD)数值模拟无疑是一种发展前景十分广阔的研究方法。
下面，我将简单的介绍流体计算力学新的方向以及他有哪些方面的应用价值。 随着计算机能力的突飞猛进, 尤其是大规模并行计算的产生, 人们越来越感受到利用计算模拟手段解决科技工程问题的可行性和必要性. 流体力学作为一门经典学科, 也从中得到了新的生命力. 流体力学的应用领域遍及基础工业的各个方面, 除了航空航天、气象预报和油气开采等领域外, 还包括汽车车型空气动力学优化、风扇及运动物体空气噪音源的分析和降低、热对流及热传输对于器件乃至环境的影响等, 不一而足. 随着新兴工业的诞生, 流体力学的应用也扩展到微流、多相流、非牛顿流以及其他复杂流体. 而随着计算机功能的飞速发展,人们运用计算流体力学对重要科学和工程课题实行大规模计算模拟已经形成世界新兴高科技研发的发展方向.
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计算流体力学的实际应用使得人们能对流体的物理机制取得许多以往经典方法不可能达到的认识程度. 这不仅对于高效率低消耗的新科技研发有着重要的影响, 同时对于更深入地了解乃至优化工程设计都有着关键性的意义. 例如, 飞机在大攻角飞行或在机动飞行的情况下, 传统的风洞试验手段很难取得有关流体效应复杂现象的细节认识, 在许多情况下这些关键细节是用实验手段无法测量的, 然而, 根据对流体基本物理的理解, 我们知道流体的特性往往可能由于某个细小的变化而发生质的改变, 而且风洞试验存在着实验周期长, 价格昂贵等缺点, 所有这些因素限制了风洞试验手段对气动外形设计所能起到的作用. 因此, 准确而快捷的计算流体方法能使我们对于流体力学问题的认识从“知其然”到“知其所以然”, 给设计人员提供及时准确的反馈, 从而对产品的优化和新技术的研发起着举足轻重的作用.
在了解了这些之后，我们可以系统的逐步综述更深入的内容了。
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1 计算流体力学的基本方程
计算流体力学的基本方程可以分为可压缩与不可压缩两类,也可分为无粘性(Euler方程)与粘性(N-S方程)两类。本文将计算流体力学应用于建筑结构表面风压分布中,主要适用于低速、不可压缩的流动现象,其控制方程是纳维)))斯托克斯方程(N-S方程)。基于雷诺平均后,N-S方程可写为5(ui)5xi=0(1)
5(ui)5t+ (uj)5(ui)5xj=-1Q5(p)5xi+ v52(ui)5xj5xj-55xj(uicujc) (2)
对于不可压缩流体,方程组(1)、(2)中有包含6个未知量的雷诺应力项-55xj(uicujc),连同速度和压力,方程组共有10个未知量,而控制方程只有4个(3个运动方程、1个连续方程)。因此,雷诺方程是不封闭的。为了求解这一方程,必须先使方程封闭,于是提出了一系列封闭雷诺方程的方法,称之为湍流封闭模型
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。本文采用雷诺应力方程模型(RSM)进行计算。这种模
型放弃了涡粘性系数假设,直接建立边界层内雷诺应力的微分方程,比简单的零方程模型和常见的k-E及其改进模型有更高的准确度和更广泛的适用范围,它可以考虑涡粘性方向的影响,更适合于复杂流动的数值模拟。
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2 CFD数值模拟方法的应用
2.1 CFD软件Fluent简介
目前,常见的商用CFD软件有:美国的Fluent、英国的CFX、Phoenics及Star-CD。Fluent在CFD软件市场所占份额约为31%,远远高于其它CFD软件。Fluent软件是20世纪70年代由美国Fluent Inc.开发的适用于可压缩和不可压缩复杂流体模拟的分析软件,1983年正式推出。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能。其解算器采用完全的非结构化网格和控制体积法。作为一个通用求解器,适用于低速不可压流动、跨音速流动乃至可压缩性强的超音速和高超音速流动等各种复杂的流场。Fluent丰富的物理模型能够精确地模拟无粘流、层流、湍流、化学反应、多相流等其它复杂的流动现象。
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2.2 Fluent关键参数的确定 2.2.1 计算模型和计算域
模型尺寸x@y@z,四周封闭,几何缩尺比为1:S,计算域的大小需满足阻塞度<3%的要求。 计算域断面取为10y@8z,长度取为15x,模型中心距入口边界的距离L1一般不应大于x/3。这里计算域长度要足够长,以保证建筑物周围流场的尾流得到充分发展,一般不能<10x。参考坐标系为:x正方向为来流方向,z正方向为建筑物高度方向。图1为本文立方体(1B1B1)的计 算模型、计算域及其网格划分。
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2.2.2 边界条件
入口来流条件:以具有代表性的B类地貌对应的大气边界层湍流为来流条件进行计算。模型化后的风剖面(模型比为1:S)的表达式为V(z) = V10(S@z/10)A(3)其中V10为10 m高度处的远处来流风速,取值V10=12 m/s,A为地面粗糙度指数:B类地貌取值A=0.16,z为风剖面内任意点高度,自模型底部或计算域底部计算。来流湍流强度I按文献[2]中日本风荷载规范确定
LZ=011(ZZT)-A-0.05(4)其中Z为风剖面内任意点高度,ZT为梯度风高度,B类地 貌ZT取350 m,A取0.16。本文中湍流特征尺度l取建筑物檐口高度。
2.2.3 求解方法和收敛控制
对于不可压缩稳态流场问题,采用分离求解器。同时引入代数多重网格技术,使求解过程中的低频慢变误差可以被点-高斯赛得尔迭代法在一系列较粗的网格情况下所识别,并予以消除。
在Fluent进行迭代计算时,监测12个RSM下的控制方程迭代残余量及所研究对象多个表面的风压系数变化,当所有控制方程的相对迭代残余量均<5@10-4,且同时监测得到的各表面风压系数基本不发生变化时,认为所得流场进入稳态[3]。