CFD仿真模拟

什么是CFD"_blank" href="/item/偏微分方程组/53286469" data-lemmaid="53286469">偏微分方程组的技术，这其中将涉及流体力学(尤其是湍流力学)、计算方法乃至计算机图形处理等技术。

因问题的不同，CFD技术也会有所差别，如可压缩气体的亚音速流动、不可压缩气体的低速流动等。对于暖通空调领域内的流动问题，多为低速流动，流速在10m/s以下；流体温度或密度变化不大，故可将其看作不可压缩流动，不必考虑可压缩流体高速流动下的激波等复杂现象。从此角度而言，此应用范围内的CFD和数值传热学NHT(Numerical Heat Transfer)等同。另外，暖通空调领域内的流体流动多为湍流流动，这又给解决实际问题带来很大的困难。由于湍流现象至今没有完全得到解决，目前HVAC内的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解决。

总体而言，CFD通常包含如下几个主要环节：建立数学物理模型、数值算法求解、结果可视化。

CFD仿真模拟建立模型

建立数学物理模型是对所研究的流动问题进行数学描述，对于暖通空调工程领域的流动问题而言，通常是不可压流体的粘性流体流动的控制微分方程。另外，由于暖通空调领域的流体流动基本为湍流流动，所以要结合湍流模型才能构成对所关心问题的完整描述，便于数值求解。

如下式为粘性流体流动的通用控制微分方程，随着其中的变量f的不同，如f代表速度、焓以及湍流参数等物理量时，上式代表流体流动的动量守恒方程、能量守恒方程以及湍流动能和湍流动能耗散率方程。基于该方程，即可求解工程中关心的流场速度、温度、浓度等物理量分布。

CFD仿真模拟数值算法

上述的各微分方程相互耦合，具有很强的非线性特征，目前只能利用数值方法进行求解。这就需要对实际问题的求解区域进行离散。数值方法中常用的离散形式有：有限容积，有限差分，有限元。目前这三种方法在暖通空调工程领域的CFD技术中均有应用。总体而言，对于暖通空调领域中的低速，不可压流动和传热问题，采用有限容积法进行离散的情形较多。它具有物理意义清楚，总能满足物理量的守恒规律的特点。离散后的微分方程组就变成了代数方程组，表现为如下形式 可见，通过离散之后使得难以求解的微分方程变成了容易求解的代数方程，采用一定的数值计算方法求解式表示的代数方程，即可获得流场的离散分布。从而模拟关心的流动情况。

CFD仿真模拟结果可视

上述代数方程求解后的结果是离散后的各网格节点上的数值，这样的结果不直观，难以为一般工程人员或其他相关人员理解。因此将求解结果的速度场、温度场或浓度场等表示出来就成了CFD技术应用的必要组成部分。通过计算机图形学等技术，就可以将我们所求解的速度场和温度场等形象、直观地表示出来。

可见，通过可视化的后处理，可以将单调繁杂的数值求解结果形象直观地表示出来，甚至便于非专业人士理解。如今，CFD的后处理不仅能显示静态的速度、温度场图片，而且能显示流场的流线或迹线动画，非常形象生动。

CFD用于解决以下几类暖通空调工程的问题。

CFD仿真模拟组织设计

通风空调空间的气流组织直接影响到其通风空调效果，借助CFD可以预测仿真其中的空气分布详细情况，从而指导设计。通风空调空间通常又可分为：普通建筑空间，如住宅、办公室、高大空间等；特殊空间，如洁净室、客车、列车及其它需要空调的特殊空间。利用CFD设计的某体育馆高大空间和某空调客车内部的气流组织结果中，用色调的暖冷表示温度的高低，矢量箭头的长短表示速度的大小，将空调空间内的流场形象直观地表示出来。

CFD仿真模拟环境分析

建筑外环境对建筑内部居者的生活有着重要的影响，所谓的建筑小区二次风、小区热环境等问题日益受到人们的关注。采用CFD可以方便地对建筑外环境进行模拟分析，从而设计出合理的建筑风环境。而且，通过模拟建筑外环境的风流动情况，还可进一步指导建筑内的自然通风设计等。

CFD仿真模拟性能研究

暖通空调工程的许多设备，如风机、蓄冰槽、空调器等，都是通过流体工质的流动而工作的，流动情况对设备性能有着重要的影响。通过CFD模拟计算设备内部的流体流动情况，可以研究设备性能，从而改进其更好地工作，降低建筑能耗，节省运行费用。

CFD是一种模拟仿真技术，在暖通空调工程中的应用主要在于模拟预测室内外或设备内的空气或其他工质流体的流动情况。以预测室内空气分布为例，目前在暖通空调工程中采用的方法主要有四种：射流公式，Zonal model，CFD以及模型实验。

由于建筑空间越来越向复杂化、多样化和大型化发展，实际空调通风房间的气流组织形式变化多样，而传统的射流理论分析方法采用的是基于某些标准或理想条件理论分析或试验得到的射流公式对空调送风***流的轴心速度和温度、射流轨迹等进行预测，势必会带来较大的误差。并且，射流分析方法只能给出室内的一些集总参数性的信息，不能给出设计人员所需的详细资料，无法满足设计者详细了解室内空气分布情况的要求；

Zonal model是将房间划分为一些有限的宏观区域，认为区域内的相关参数如温度、浓度相等，而区域间存在热质交换，通过建立质量和能量守恒方程并充分考虑了区域间压差和流动的关系来研究房间内的温度分布以及流动情况，因此模拟得到的实际上还只是一种相对"精确"的集总结果，且在机械通风中的应用还存在较多问题。

模型实验虽然能够得到设计人员所需要的各种数据，但需要较长的实验周期和昂贵的实验费用，搭建实验模型耗资很大，有文献指出单个实验通常耗资3000~20000美元，而对于不同的条件，可能还需要多个实验，耗资更多，周期也长达数月以上，难于在工程设计中广泛采用。

另一方面，CFD具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点，故其逐渐受到人们的青睐。由表1给出的四种室内空气分布预测方法的对比可见，就目前的三种理论预测室内空气分布的方法而言，CFD方法确实具有不可比拟的优点，且由于当前计算机技术的发展，CFD方法的计算周期和成本完全可以为工程应用所接受。尽管CFD方法还存在可靠性和对实际问题的可算性等问题，但这些问题已经逐步得到发展和解决。因此，CFD方法可应用于对室内空气分布情况进行模拟和预测，从而得到房间内速度、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细分布情况。

进一步而言，对于室外空气流动以及其它设备内的流体流动的模拟预测，一般只有模型实验或CFD方法适用。表1的比较同样表明了CFD方法比模型实验的优越性。故此，CFD方法可作为解决暖通空调工程的流动和传热传质问题的强有力工具而推广应用。

比较项目：

CFD在暖通空调工程的应用始于1974年，国外在这方面发展较快，目前国内也有一些大学或科研机构在对此进行研究。就其研究方向而言，主要可分为两方面：基础研究和应用研究。目前，美国、欧洲、日本等发达国家对CFD的基础和应用研究都处于领先水平，我国的清华大学等也有较为独特的研究方向。下面简要介绍。

CFD仿真模拟基础研究

目前CFD在暖通空调工程的应用基础研究方面，主要有如下新动态：

(1)室内空气流动的简化模拟：美国MIT，从描述空调风口入流边界条件的方法、湍流模型等方面进行研究，以对室内空气流动进行简化模拟；中国清华大学，研究空调风口入流边界条件的新方法、湍流模型以及数值算法，建立室内空气流动数值模拟的简捷体系；

2)室内外空气流动的大涡模拟：美国MIT、日本东京大学，研究大涡模拟这一高级湍流数值模拟技术在室内外空气流动模拟中的应用，目前已经开始尝试用于建筑小区和自然通风模拟等；

(3)室内空气流动模拟和建筑能耗的耦合模拟：美国MIT，通过将简化的CFD模拟方法和建筑能耗计算耦合对建筑环境进行设计；

CFD仿真模拟应用研究

(1)自然通风的数值模拟：美国MIT、香港大学等，主要借助大涡模拟工具研究自然通风问题；

(2)置换通风的数值模拟：美国MIT、丹麦Aalborg大学、中国清华大学等，如地板置换通风、座椅送风等；

(3)高大空间的数值模拟：中国清华大学等，以体育场馆为主的高大空间的气流组织设计及其与空调负荷计算的关系研究；

(4)VOC散发的数值模拟：美国MIT等，借助CFD研究室内有机散发污染物在室内的分布，研究室内IAQ问题；

(5)洁净室的数值模拟：中国清华大学等；对型式比较固定的洁净室空调气流组织形式进行数值模拟，指导工程设计；2100433B

海尔CFD302主要参数

容积大小：3L

产品功率：500W

预约定时煮饭：24

内胆材质：黑色“晶石”超硬耐磨不粘涂料

适用人数：2-8个

外形设计：超大液晶橙屏时钟显示,多种米种选择

其它性能：工作开始与结束音乐提示功能

高沸微压蒸汽阀

海尔CFD302产品附件

包装清单：电饭煲 x1

电源线 x1

量杯 x1

饭勺 x1

保修卡 x1

说明书 x1

第一部分　CFD工程应用基础

第1章　概述　10

1．1　什么是CFD　10

1．2　CFD发展概况　11

1．3　CFD工程应用领域　12

1．4　什么时候使用CFD软件　13

1．5　通用流体计算软件的利与弊　13

1．6　本书读者定位　14

1．7　本书特点　14

第2章　ANSYS CFD软件简介　16

2．1　CFD工程应用一般流程　16

2．1．1　计算前处理　16

2．1．2　计算求解器　16

2．1．3　计算后处理　17

2．2　ANSYS CFD软件族简介　17

2．2．1　前处理软件：ICEM CFD　17

2．2．2　CFD求解器：Fluent　18

2．2．3　CFD求解器：CFX　19

2．2．4后处理模块：CFD-POST　21

第二部分　计算前处理

第3章　流体计算域　24

3．1　计算域模型　24

3．1．1　内流计算域　24

3．1．2　外流计算域　25

3．1．3　混合计算域　25

3．2　计算域生成方法　25

3．2．1　直接建模　25

3．2．2　几何抽取　25

3．3　计算域简化　26

3．4　多区域计算模型　26

3．4．1　Interface　27

3．4．2　Interior　27

3．5　计算域创建工具ANSYS DesignModeler　27

3．5．1　Fill 功能　28

3．5．2　Enclosure 功能　29

3．6　计算域创建实例　29

3．6．1　【实例3-1】直接创建计算域　29

3．6．2　【实例3-2】Fills方式创建计算域模型　32

3．6．3　【实例3-3】Enclosure方式创建计算域模型　34

3．6．4　【实例3-4】创建混合计算域　35

3．7　本章小结　37

第4章　流体网格　38

4．1　流体网格基础概念　38

4．1．1　网格术语　38

4．1．2　网格形状　38

4．1．3　结构网格与非结构网格　39

4．2　网格的度量　39

4．2．1　网格数量　39

4．2．2　网格质量　40

4．3　流体网格划分软件：ICEM CFD简介　40

4．3．1　ICEM CFD主要特点　41

4．3．2　ICEM CFD中的文件类型　41

4．3．3　ICEM CFD操作界面　41

4．3．4　ICEM CFD操作键　47

4．3．5　ICEM CFD的启动　47

4．3．6　ICEM CFD网格划分基本流程　48

4．4　本章小结　49

第5章　ICEM CFD几何操作　50

5．1　ICEM CFD中的几何组织形式　50

5．2　基本几何创建　50

5．2．1　点的创建　50

5．2．2　线的创建　52

5．2．3　面操作　54

5．2．4　Body创建　55

5．3　几何修补　56

5．3．1　几何拓扑构建　56

5．3．2　几何检查　57

5．3．3　封闭孔洞与去除孔洞　58

5．3．4　边匹配　58

5．3．5　特征检测　58

5．4　辅助几何　59

5．5　几何操作实例　59

5．5．1　【实例5-1】快速流道抽取　59

5．5．2　【实例5-2】几何建模　62

5．5．3　【实例5-3】几何修补　68

5．6　本章小结　71

第6章　ICEM CFD六面体网格划分　72

6．1　块基本概念　72

6．1．1　块的层次结构　72

6．1．2　初始块的创建　72

6．1．3　块的关联操作　75

6．2　自顶向下构建块　79

6．2．1　常规切分　79

6．2．2　O型切分　80

6．2．3　Y型切分　87

6．2．4　【实例6-1】2D块切割实例　91

6．2．5　【实例6-2】3D块切割实例　96

6．3　自底向上构建块　98

6．3．1　From Vertices/Faces　99

6．3．2　Extrude Faces　100

6．3．3　由2D块形成3D块　101

6．3．4　【实例6-3】弹簧网格划分　102

6．4　常见分块策略　104

6．5　块变换操作　110

6．5．1　块平移　110

6．5．2　块旋转　110

6．5．3　块镜像　111

6．5．4　块缩放　111

6．5．5　周期块复制　111

6．5．6　【实例6-4】块平移操作　111

6．5．7　【实例6-5】块旋转操作　115

6．6　Edge网格参数设置　119

6．6．1　参数设置对话框及各参数含义　119

6．6．2　节点分布律　121

6．6．3　边界层网格　123

6．6．4　【实例6-6】分叉管网格划分　124

6．6．5　【实例6-7】外流场边界层网格　127

6．7　【实例6-8】排烟风道网格划分　129

6．8　本章小结　133

第7章　ICEM CFD非结构网格划分　134

7．1　非结构网格生成　134

7．2　全局网格参数设置　134

7．2．1　全局网格尺寸设置　135

7．2．2　壳网格参数　136

7．2．3　体网格参数设置　139

7．2．4　棱柱网格设置　139

7．2．5　周期网格设置　141

7．3　Part网格设置　141

7．4　面网格参数设置　143

7．5　线网格参数设置　144

7．6　密度盒　144

7．7　网格生成　145

7．8　【实例7-1】分支管非结构网格划分　146

7．9　【实例7-2】活塞阀装配体网格划分　148

第8章　ICEM CFD常用技巧　151

8．1　ICEM CFD快捷键　151

8．1．1　Geometry快捷键　151

8．1．2　Edit Mesh快捷键　152

8．1．3　Blocking快捷键　153

8．1．4　选择模式快捷键　154

8．2　创建多区域网格　156

8．2．1　Interface与Interior　156

8．2．2　【实例8-1】非结构网格多计算域模型　156

8．2．3　【实例8-2】结构网格多计算域模型　160

8．2．4　【实例8-3】网格模型组装　162

8．3　创建周期网格　164

8．3．1　指定几何周期　164

8．3．2　周期顶点定义　165

8．3．3　【实例8-4】2D旋转周期网格　165

8．3．4　【实例8-5】2D平移周期网格　173

8．3．5　【实例8-6】3D旋转周期网格　175

第三部分　求解器

第9章　FLUENT用户界面　180

9．1　FLUENT的启动　180

9．1．1　启动方式　180

9．1．2　FLUENT启动界面　181

9．2　软件界面　183

9．2．1　Meshing模式界面　183

9．2．2　Solution模式界面　184

9．3　FLUENT操作流程　191

第10章　FLUENT Meshing模式　192

10．1　【实例10-1】Tet网格划分　192

10．2　【实例10-2】分区混合网格划分　196

第11章　FLUENT前处理基础　199

11．1　FLUENT前处理流程　199

11．2　网格控制　200

11．2．1　网格缩放　200

11．2．2　网格检查　201

11．2．3　网格显示　201

11．3　求解设置中的一些基本概念　202

11．3．1　压力基与密度基求解器　202

11．3．2　稳态与瞬态计算　203

11．3．3　FLUENT中的压力　205

11．4　湍流模型　207

11．4．1　湍流和层流判断　207

11．4．2　湍流求解方法　207

11．4．3　FLUENT中的湍流模型　208

11．4．4　y 的基本概念　210

11．4．5　壁面函数　212

11．4．6　边界湍流设置　212

11．5　边界条件　214

11．5．1　边界条件分类　214

11．5．2　边界条件设置　215

第12章　FLUENT后处理基础　216

12．1　后处理概述　216

12．2　FLUENT后处理操作　216

12．2．1　创建特征位置　216

12．2．2　流场可视化　220

12．2．3　Graphics and Animations　220

12．2．4　动画创建　223

12．2．5　图形设置选项　225

12．2．6　Plot　227

12．2．7　Reports　228

第13章　基本流动问题计算　231

13．1　【实例13-1】翼型计算(可压流动)　231

13．1．1　问题描述　231

13．1．2　FLUENT前处理设置　231

13．1．3　结果后处理　237

13．2　【实例13-2】卡门涡街计算(瞬态计算)　239

13．2．1　问题描述　240

13．2．2　FLUENT前处理设置　241

13．2．3　结果后处理　245

第14章　动区域计算模型　246

14．1　运动区域计算概述　246

14．2　单运动参考系模型　247

14．2．1　SRF模型中的网格模型　247

14．2．2　在FLUENT中使用SRF模型　248

14．2．3　SRF模型求解策略　250

14．3　多运动参考系模型　250

14．3．1　多参考系模型　250

14．3．2　混合面模型　252

14．3．3　滑移网格模型　253

14．4　【实例14-1】离心压缩机仿真计算(SRF模型)　253

14．4．1　问题描述　253

14．4．2　FLUENT前处理设置　253

14．4．3　后处理分析　260

14．5　【实例14-2】垂直轴风力机流场计算(MRF)　263

14．5．1　问题描述　263

14．5．2　FLUENT前处理设置　264

14．5．3　后处理分析　268

14．6　【实例14-3】垂直轴风力机流场计算(滑移网格)　270

14．6．1　模型描述　270

14．6．2　UDF定义　270

14．6．3　FLUENT前处理设置　271

14．6．4　后处理分析　274

第15章　动网格模型　276

15．1　FLUENT中使用动网格　276

15．2　网格更新方法　276

15．2．1　Smoothing　276

15．2．2　Layering　279

15．2．3　Remeshing　280

15．3　运动指定　281

15．3．1　瞬态Profile　281

15．3．2　动网格中的UDF　283

15．4　运动区域定义　284

15．4．1　静止部件(Stationary)　285

15．4．2　刚体(Rigid Body)　285

15．4．3　变形体(Deforming)　285

15．4．4　其他类型　286

15．5　网格预览　286

15．6　【实例15-1】齿轮泵仿真　287

15．6．1　问题描述　287

15．6．2　FLUENT前处理设置　288

15．6．3　计算后处理　296

15．7　【实例15-2】利用6DOF计算船舶行驶情况　296

15．7．1　问题描述　297

15．7．2　FLUENT前处理设置　297

15．7．3　计算后处理　305

15．8　【实例15-3】止回阀流场计算　307

15．8．1　问题描述　307

15．8．2　FLUENT前处理设置　308

15．8．3　计算后处理　312

第16章　多相流模型　313

16．1　多相流概述　313

16．1．1　多相流定义　313

16．1．2　多相流形态　313

16．2　FLUENT中的多相流模型　314

16．2．1　多相流模型的选择　315

16．2．2　FLUENT多相流模拟步骤　316

16．2．3　VOF模型设置　317

16．2．4　Mixture模型设置　318

16．2．5　Eulerian模型设置　319

16．3　【实例16-1】空化现象仿真计算(Mixture模型)　320

16．3．1　物理现象描述　320

16．3．2　几何模型　320

16．3．3　建立模型并划分网格　321

16．3．4　FLUENT前处理设置　323

16．3．5　后处理分析　328

16．4　【实例16-2】溃坝模拟(VOF模型)　329

16．4．1　问题描述　330

16．4．2　建立模型及划分网格　330

16．4．3　FLUENT前处理设置　330

16．4．4　后处理分析　334

16．5　【实例16-3】鼓泡塔仿真计算(Eulerian模型)　336

16．5．1　问题描述　336

16．5．2　几何模型　336

16．5．3　FLUENT前处理设置　336

16．5．4　后处理分析　340

第17章　组分输运及反应流模型　342

17．1　FLUENT中的组分输运及反应流模型　342

17．2　组分输运模型前处理　343

17．2．1　无反应组分输运模型　343

17．2．2　有限反应速率模型　345

17．3　【实例17-1】引擎着火导致气体扩散　345

17．3．1　问题描述　345

17．3．2　FLUENT前处理操作　346

17．3．3　计算后处理　351

17．4　【实例17-2】锥形燃烧器燃烧模拟(有限速率模型)　353

17．4．1　实例简介　353

17．4．2　问题描述　353

17．4．3　FLUENT前处理设置　353

17．4．4　计算后处理　357

17．5　【实例17-3】锥形燃烧器燃烧模拟(zimount预混模型)　358

17．5．1　实例概述　358

17．5．2　FLUENT前处理设置　359

17．5．3　计算后处理　362

第四部分　计算后处理及工程应用

第18章　流体计算后处理　366

18．1　流体计算后处理概述　366

18．2　常用的流体计算后处理工具　366

18．3　CFD-POST计算后处理一般流程　366

第19章　CFD-POST应用　360

19．1　CFD-POST的启动方式　368

19．1．1　直接启动CFD-POST　368

19．1．2　从Workbench中启动CFD-POST　369

19．1．3　从计算软件中启动CFD-POST　369

19．2　CFD-POST软件工作界面　369

19．2．1　CFD-POST的菜单项　370

19．2．2　工具栏按钮　371

19．3　CFD-POST后处理功能　371

19．3．1　创建后处理位置　371

19．3．2　生成后处理对象　378

19．3．3　数据操作　383

19．3．4　其他工具　387

19．4　【实例19-1】CFD-POST基本操作　387

19．5　【实例19-2】定量后处理　394

19．6　【实例19-3】比较多个CASE　397

19．7　【实例19-4】瞬态后处理　399

第20章　CFD-POST高级功能　402

20．1　CEL基础　402

20．1．1　运算符　402

20．1．2　常量　403

20．1．3　标准函数　403

20．1．4　基本变量　404

20．1．5　CFD-POST函数　405

20．2　CCL基础　406

20．2．1　CCL基本结构　406

20．2．2　CCL语法细节　407

20．3　CFD-POST自动化　408

20．3．1　报告模板定义　409

20．3．2　模板操作　410

20．3．3　【实例20-1】定义后处理模板　411

第21章　Design Xplorer优化设计　415

21．1　数值优化概述　415

21．2　Design Xplorer概述　415

21．3　Design Xplorer优化基础　416

21．3．1　基本概念　416

21．3．2　ANSYS Design Xplorer基本设置　417

21．3．3　目标驱动优化设计　4202100433B

《精通CFD工程仿真与案例实战——FLUENT GAMBIT ICEM CFD Tecplot》详细介绍了FLUENT、GAMBIT、ICEM CFD和Tecplot基础理论、具体操作和典型的应用案例。

全书共分8章。第1章介绍了CFD基本理论及软件的基本应用，并通过简单实用的算例，说明了FLUENT的求解过程和后处理步骤。第2章介绍CFD前处理概念和GAMBIT、ICEM CFD的使用方法。第3章介绍CFD求解理论和FLUENT的使用方法。第4章介绍FLUENT后处理和Tecplot使用方法。第5章是网格应用实战，以10个网格应用的典型实例为讲解主线，详细介绍GAMBIT和ICEM CFD创建四面体网格、六面体网格的功能应用，涉及局部加密法、边界层网格和块结构化网格的划分方法。第6章至第8章，分别是求解综合实战案例，通过26个典型算例，介绍FLUENT在多个领域的应用。

本书理论讲解详细、操作介绍直观、实例内容丰富，全面介绍了FLUENT、GAMBIT、ICEM CFD和Tecplot应用于流体工程计算的操作，具有较强的实用性。本书包含的大量实例基本涵盖了ICEM CFD和FLUENT在各大领域中的典型应用，本书的这些经典算例是对ICEM CFD和FLUENT功能应用很全面的总结。

本书可作为航空航天、船舶、能源、石油、化工、机械、制造、汽车、生物、环境、水利、火灾安全、冶金、建筑、材料等众多领域的研究生和本科生学习CFD基本理论和软件应用的教材，也可供上述领域的科研人员、企业研发人员，特别是从事CFD基础和应用计算的人员学习参考。