【小白的CFD之旅】07 CFD常識(shí)

2017-01-18 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

學(xué)了一周的流體力學(xué),小白對(duì)于流體力學(xué)有了基本的了解,但是流體力學(xué)涵蓋的內(nèi)容何其之多,一周的時(shí)間怎么可能學(xué)得好呢,很多的概念都是模棱兩可。為了在一個(gè)月之后能夠應(yīng)用CFD,小白又找到了黃師姐。

“師姐,看了一周的流體力學(xué),現(xiàn)在對(duì)它有了基本的認(rèn)識(shí),我想知道計(jì)算流體力學(xué)和流體力學(xué)有什么聯(lián)系么?“小白問(wèn)。
”小白,這樣吧,我給你推薦一本書,你先去圖書館借出來(lái)自己先看看吧,有不懂的再來(lái)問(wèn)我。“黃師姐說(shuō)。
于是,小白去圖書館借到了黃師姐推薦的書《計(jì)算流體力學(xué):從實(shí)踐中學(xué)習(xí)》。

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(jí)本科生準(zhǔn)備的,里面的理論部分不是很多,而且書中更偏重于工程應(yīng)用,非常適合于像小白這類零基礎(chǔ)人員入門。

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黃師姐同時(shí)還叮囑小白在閱讀此書時(shí)思考的問(wèn)題,并提醒重點(diǎn)弄明白以下問(wèn)題:

CFD是什么?
CFD可以應(yīng)用于哪些場(chǎng)合?
CFD是如何應(yīng)用于工程的?
常用的CFD軟件有哪些?

小白去文具店買了個(gè)筆記本,將這些問(wèn)題寫在筆記本上。經(jīng)過(guò)三天的學(xué)習(xí),小白覺得已經(jīng)把這幾個(gè)問(wèn)題弄清楚了。

小白的學(xué)習(xí)心得:

1 CFD是什么
2 CFD應(yīng)用場(chǎng)合
3 CFD如何應(yīng)用于工程
3.1 前處理
3.2 計(jì)算求解
3.3 計(jì)算后處理
4 CFD軟件
4.1 通用軟件及專業(yè)軟件
4.2 商業(yè)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computional Fluid Dynamic)的英文縮寫,其利用計(jì)算機(jī)求解流體流動(dòng)過(guò)程中的質(zhì)量傳遞、能量傳遞、動(dòng)量傳遞以及化學(xué)反應(yīng)問(wèn)題。CFD是一種方法或者工具,解決對(duì)象是流體力學(xué)問(wèn)題,利用手段是數(shù)值計(jì)算。

2 CFD應(yīng)用場(chǎng)合

只要存在流體流動(dòng)的場(chǎng)合均可應(yīng)用CFD。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的發(fā)展,CFD以及廣泛應(yīng)用于航空航天、造船、汽車、食品、能源、石油化工、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,而且還在不斷的向其他行業(yè)擴(kuò)展。

3 CFD如何應(yīng)用于工程

要將CFD應(yīng)用于工程,需要做很多的工作,一般來(lái)講,CFD工程應(yīng)用都可以分為三個(gè)階段:前處理、計(jì)算求解以及計(jì)算后處理。

3.1 前處理

計(jì)算前處理的主要目的在于使計(jì)算機(jī)識(shí)別現(xiàn)實(shí)世界。計(jì)算機(jī)和人腦有很大的不同,要想讓計(jì)算機(jī)識(shí)別真實(shí)世界是一件不太容易的事情。
舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子,如圖所示,杯子里有水。

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人類的識(shí)別方式可能是通過(guò)視覺將光學(xué)圖像送入大腦,再憑借記憶將圖像識(shí)別為杯子和水。
但是要讓計(jì)算機(jī)來(lái)識(shí)別可就有點(diǎn)兒麻煩了。我們?cè)撛鯓痈嬖V計(jì)算機(jī)“這里有個(gè)杯子,杯子中有半杯水”這一事實(shí)呢?
首先要告訴計(jì)算機(jī)“這里有個(gè)杯子”。我們需要告訴計(jì)算機(jī):

杯子的尺寸。杯子的形狀是怎樣的?圓柱形還是圓臺(tái)形?半徑及壁厚等尺寸參數(shù)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(gè)定位尺寸。
其次,我們需要告訴計(jì)算機(jī)“杯子中有水”。杯具的是,計(jì)算機(jī)可不知道什么水是什么玩意兒。不過(guò)我們可以告訴計(jì)算機(jī):
杯子中盛裝的物質(zhì)的各種物理性質(zhì)。比如說(shuō)水的密度、粘度、比熱等。
杯子中裝了多少水。比如說(shuō)告訴計(jì)算機(jī)水位高度或者水的體積。
通過(guò)提供以上信息,計(jì)算機(jī)就能識(shí)別出“杯子中裝了水”這一物理現(xiàn)實(shí)。

前處理的作用就在如此,要告訴計(jì)算機(jī)流體流動(dòng)發(fā)生的場(chǎng)合、流體屬性、流體流動(dòng)遵循的物理規(guī)則等。CFD前處理包含以下一些內(nèi)容:

定義流動(dòng)計(jì)算域:建立流體流動(dòng)區(qū)域。告訴計(jì)算機(jī)流體流動(dòng)發(fā)生的場(chǎng)合。
計(jì)算域離散:將流動(dòng)計(jì)算區(qū)域離散成網(wǎng)格單元。
指定計(jì)算控制方程:告訴計(jì)算機(jī)所要解決的流體流動(dòng)遵循的物理規(guī)則。
定義邊界流動(dòng)條件:特定流動(dòng)問(wèn)題有特定的流動(dòng)邊界條件。
定義初始時(shí)刻流動(dòng)條件:告訴計(jì)算機(jī),零時(shí)刻計(jì)算域處于何種狀態(tài)。
求解參數(shù)定義: 如指定串行或并行計(jì)算、計(jì)算過(guò)程監(jiān)測(cè)、離散算法指定等。
輸出參數(shù)定義:定義計(jì)算過(guò)程中一些計(jì)算參數(shù)輸出。

3.2 計(jì)算求解

計(jì)算求解通常由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成,一般不需要人工干預(yù)。在前處理指定完畢后,求解器讀取所有的求解參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)求解計(jì)算,直至求解完成。

3.3 計(jì)算后處理

通過(guò)計(jì)算后處理將計(jì)算求解得到的數(shù)據(jù)以直觀的方式展示出來(lái),便于解讀和工程應(yīng)用。數(shù)據(jù)展現(xiàn)的方式包括:

數(shù)據(jù)表:每一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的物理量數(shù)據(jù),通常為壓力、速度等原始變量。
曲線圖:反映物理量變化規(guī)律
云圖:反映物理量空間分布
矢量圖:反映矢量空間分布
動(dòng)畫:以動(dòng)畫形式反應(yīng)物理量隨時(shí)間變化

4 CFD軟件

CFD本身是一種數(shù)值計(jì)算方法,常常將其編制為計(jì)算機(jī)程序。當(dāng)前有很多CFD軟件可用于工程流體計(jì)算,根據(jù)軟件功能,可分為通用軟件及專業(yè)軟件;根據(jù)軟件源代碼是否公開,可分為商業(yè)軟件及開源軟件;根據(jù)軟件在CFD過(guò)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(yè)軟件

通用軟件:設(shè)計(jì)用于所有的CFD場(chǎng)合,求解的是通用流體控制方程。通用軟件的前處理對(duì)象普遍,能應(yīng)付大多數(shù)的工程問(wèn)題。然而也正是因?yàn)橐ＷC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(yè)軟件:專為某一行業(yè)設(shè)計(jì)的CFD軟件。專業(yè)CFD軟件如用于泵閥壓縮機(jī)的PumpLinx、NUMECA;用于火災(zāi)消防的pyrosim及FDS等;用于建筑物暖通計(jì)算的Flovent及AirPak等;用于電子散熱的Flotherm及Icepak等,專業(yè)軟件在特定的行業(yè)上具備通用軟件無(wú)可比擬的建模和計(jì)算精度優(yōu)勢(shì)。

4.2 商業(yè)軟件及開源軟件

商業(yè)軟件:軟件源代碼不公開,需要花錢購(gòu)買的軟件。上網(wǎng)提到的CFD軟件都是商業(yè)軟件,都需要花費(fèi)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(jìn)行編譯也可以對(duì)源代碼進(jìn)行修改形成自己的計(jì)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(dāng)前市面上還存在一些專業(yè)前后處理軟件。

前處理軟件:對(duì)于CFD前處理軟件,其主要任務(wù)是進(jìn)行網(wǎng)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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