【小白的CFD之旅】07 CFD常識

2017-01-18 by:CAE仿真在線來源:互聯網

學了一周的流體力學,小白對于流體力學有了基本的了解,但是流體力學涵蓋的內容何其之多,一周的時間怎么可能學得好呢,很多的概念都是模棱兩可。為了在一個月之后能夠應用CFD,小白又找到了黃師姐。

“師姐,看了一周的流體力學,現在對它有了基本的認識,我想知道計算流體力學和流體力學有什么聯系么?“小白問。
”小白,這樣吧,我給你推薦一本書,你先去圖書館借出來自己先看看吧,有不懂的再來問我。“黃師姐說。
于是,小白去圖書館借到了黃師姐推薦的書《計算流體力學:從實踐中學習》。

黑色的封皮兒,看著挺高端。聽黃師姐介紹,這本書原本就是為高年級本科生準備的,里面的理論部分不是很多,而且書中更偏重于工程應用,非常適合于像小白這類零基礎人員入門。

【小白的CFD之旅】07 CFD常識fluent培訓課程圖片1

黃師姐同時還叮囑小白在閱讀此書時思考的問題,并提醒重點弄明白以下問題:

CFD是什么?
CFD可以應用于哪些場合?
CFD是如何應用于工程的?
常用的CFD軟件有哪些?

小白去文具店買了個筆記本,將這些問題寫在筆記本上。經過三天的學習,小白覺得已經把這幾個問題弄清楚了。

小白的學習心得:

1 CFD是什么
2 CFD應用場合
3 CFD如何應用于工程
3.1 前處理
3.2 計算求解
3.3 計算后處理
4 CFD軟件
4.1 通用軟件及專業軟件
4.2 商業軟件及開源軟件
4.3 前處理及后處理軟件

1 CFD是什么

CFD是計算流體動力學(Computional Fluid Dynamic)的英文縮寫,其利用計算機求解流體流動過程中的質量傳遞、能量傳遞、動量傳遞以及化學反應問題。CFD是一種方法或者工具,解決對象是流體力學問題,利用手段是數值計算。

2 CFD應用場合

只要存在流體流動的場合均可應用CFD。隨著計算機技術及計算機計算能力的發展,CFD以及廣泛應用于航空航天、造船、汽車、食品、能源、石油化工、生物醫學等領域,而且還在不斷的向其他行業擴展。

3 CFD如何應用于工程

要將CFD應用于工程,需要做很多的工作,一般來講,CFD工程應用都可以分為三個階段:前處理、計算求解以及計算后處理。

3.1 前處理

計算前處理的主要目的在于使計算機識別現實世界。計算機和人腦有很大的不同,要想讓計算機識別真實世界是一件不太容易的事情。
舉個簡單的例子,如圖所示,杯子里有水。

【小白的CFD之旅】07 CFD常識fluent培訓課程圖片2

人類的識別方式可能是通過視覺將光學圖像送入大腦,再憑借記憶將圖像識別為杯子和水。
但是要讓計算機來識別可就有點兒麻煩了。我們該怎樣告訴計算機“這里有個杯子,杯子中有半杯水”這一事實呢?
首先要告訴計算機“這里有個杯子”。我們需要告訴計算機:

杯子的尺寸。杯子的形狀是怎樣的?圓柱形還是圓臺形?半徑及壁厚等尺寸參數需要定義。
杯子的空間屬性。杯子是放在地上的還是放在桌子上?我們需要給它一個定位尺寸。
其次,我們需要告訴計算機“杯子中有水”。杯具的是,計算機可不知道什么水是什么玩意兒。不過我們可以告訴計算機:
杯子中盛裝的物質的各種物理性質。比如說水的密度、粘度、比熱等。
杯子中裝了多少水。比如說告訴計算機水位高度或者水的體積。
通過提供以上信息,計算機就能識別出“杯子中裝了水”這一物理現實。

前處理的作用就在如此,要告訴計算機流體流動發生的場合、流體屬性、流體流動遵循的物理規則等。CFD前處理包含以下一些內容:

定義流動計算域:建立流體流動區域。告訴計算機流體流動發生的場合。
計算域離散:將流動計算區域離散成網格單元。
指定計算控制方程:告訴計算機所要解決的流體流動遵循的物理規則。
定義邊界流動條件:特定流動問題有特定的流動邊界條件。
定義初始時刻流動條件:告訴計算機,零時刻計算域處于何種狀態。
求解參數定義: 如指定串行或并行計算、計算過程監測、離散算法指定等。
輸出參數定義:定義計算過程中一些計算參數輸出。

3.2 計算求解

計算求解通常由計算機自動完成,一般不需要人工干預。在前處理指定完畢后,求解器讀取所有的求解參數進行自動求解計算,直至求解完成。

3.3 計算后處理

通過計算后處理將計算求解得到的數據以直觀的方式展示出來,便于解讀和工程應用。數據展現的方式包括:

數據表:每一個網格節點上的物理量數據,通常為壓力、速度等原始變量。
曲線圖:反映物理量變化規律
云圖:反映物理量空間分布
矢量圖:反映矢量空間分布
動畫:以動畫形式反應物理量隨時間變化

4 CFD軟件

CFD本身是一種數值計算方法,常常將其編制為計算機程序。當前有很多CFD軟件可用于工程流體計算,根據軟件功能,可分為通用軟件及專業軟件;根據軟件源代碼是否公開,可分為商業軟件及開源軟件;根據軟件在CFD過程中的位置,可分為前處理軟件、求解器軟件及后處理軟件。

4.1 通用軟件及專業軟件

通用軟件:設計用于所有的CFD場合,求解的是通用流體控制方程。通用軟件的前處理對象普遍,能應付大多數的工程問題。然而也正是因為要保證通用性,而犧牲了部分性能。通用CFD軟件很多,比較常用的如ANSYS系列的FLUENT及CFX、CD-Adapco公司的STAR CCM+及STAR CD、ESI公司的Fastran及ACE+、CHAM公司的Phoenics、Metacomp公司的CFD++、Altair公司的Acusolve等
專業軟件:專為某一行業設計的CFD軟件。專業CFD軟件如用于泵閥壓縮機的PumpLinx、NUMECA;用于火災消防的pyrosim及FDS等;用于建筑物暖通計算的Flovent及AirPak等;用于電子散熱的Flotherm及Icepak等,專業軟件在特定的行業上具備通用軟件無可比擬的建模和計算精度優勢。

4.2 商業軟件及開源軟件

商業軟件:軟件源代碼不公開,需要花錢購買的軟件。上網提到的CFD軟件都是商業軟件,都需要花費不少的銀子才能使用。
開源軟件:源代碼公開的軟件,用戶可以自己進行編譯也可以對源代碼進行修改形成自己的計算軟件。目前CFD開源軟件也不少,比較出名的如OpenFoam、SU2等都是比較好的開源CFD軟件。

4.3 前處理及后處理軟件

前面提到的CFD軟件基本上都是求解器軟件(不排除一些軟件包含前后處理),當前市面上還存在一些專業前后處理軟件。

前處理軟件:對于CFD前處理軟件,其主要任務是進行網格劃分。代表性的CFD商用前軟件包括ICEM CFD、Pointwise、Gridgen、GridPro等,開源前處理軟件如Gmsh、Salome等
后處理軟件:后處理軟件也有不少,代表性的商用后處理軟件包括Tecplot、Ensight等,開源的如ParaView等。

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來自為知筆記(Wiz)

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