1、CFD基础讲座基础讲座CFD基础概要基础概要CFD基础讲座基础讲座一、传统的一、传统的CFD方法方法二、二、CFD 问题分类。汽车工业中的问题分类。汽车工业中的CFD问题问题三、三、N-S方程处理方式方程处理方式四、四、CFD 解题的一般步骤解题的一般步骤五、与五、与FEA的对比的对比六、常见六、常见CFD软件及其结构软件及其结构七、常用前处理工具介绍与演示七、常用前处理工具介绍与演示 与与CFD软件的接口软件的接口八、网格类型介绍八、网格类型介绍九、九、 LBM方法简介方法简介十、部分应用算例十、部分应用算例目录目录CFD基础讲座基础讲座一、传统的一、传统的CFD方法方法q 基于连续介质力学
2、原理基于连续介质力学原理 认为在所考虑的空间，流体是连续分布的 流体的运动规律服从N-S方程组（连续）传统传统CFD方法的特点：方法的特点：q 主要用有限体积法（主要用有限体积法（FVM）离散、求解）离散、求解RANS方程组方程组 连续问题 离散化求解近似的连续结果 （少数软件采用有限元方法）q 对于特定的问题添加相应的方程对于特定的问题添加相应的方程（连续） 能量、组分、声学、燃烧、辐射等q 体网格与面网格相关体网格与面网格相关 共用壁面节点 （依赖关系）CFD基础讲座基础讲座History of CAE/CAD1940s First digital computers developed
3、1950s Commercial computers become available Academic and industrial research into computer-aided drafting 2-dimensional tools used to generate machine toolpaths 1960s Development of interactive computer graphics (“Sketchpad”) Large companies develop own CAD software based on room-sized mainframes o
4、primarily automotive, aerospace, and government agencies Development of finite-element analysis and computer-aided manufacturing tools 1970s US Navy begins development of 3-dimensional programs CAD still represents Computer-Aided Drafting to majority of industry Development of CFD begins in earnest
5、商品化CFD软件出现于80年代，90年代后期进入中国汽车行业。一、传统的一、传统的CFD方法方法CFD基础讲座基础讲座二、问题分类二、问题分类从从CFD角度：角度：q 时间相关：定常，非定常时间相关：定常，非定常 （稳态，瞬态）（稳态，瞬态）q 热能相关：流场分析，流场热能相关：流场分析，流场+温度场分析温度场分析q 压缩性：压缩性：低速流动低速流动（如汽车），高速流动高速流动q 物相：连续相，离散相物相：连续相，离散相 单相流单相流，多相流，多相流q 组分：组分： 单组分单组分，多组分，多组分 q 网格状态：固定网格，动网格网格状态：固定网格，动网格q 专门问题：噪声、燃烧、除霜、制动专门问
6、题：噪声、燃烧、除霜、制动 q CFD基础讲座基础讲座二、问题分类：二、问题分类：汽车工业中的汽车工业中的CFD问题问题从汽车工业应用角度：从汽车工业应用角度：q 外流场分析：给出气动力与流场（速度外流场分析：给出气动力与流场（速度/压力场）结果。含附加装置压力场）结果。含附加装置 汽车外形优化。减阻降耗。提高车辆稳定性。减小风噪。汽车外形优化。减阻降耗。提高车辆稳定性。减小风噪。 给出部件风载荷给出部件风载荷q 内流分析：内流分析：给出流量分配给出流量分配/ /速度场速度场/ /压力场压力场/ /温度场。温度场。 空调风路优化，提高乘员舒适空调风路优化，提高乘员舒适性，除霜，通风口设计性，除
7、霜，通风口设计q 机舱分析：内外流结合，系统级热流分析结合。主要解决发动机冷却问题机舱分析：内外流结合，系统级热流分析结合。主要解决发动机冷却问题q 部件散热：给出部件部件散热：给出部件/周围的速度场周围的速度场/压力场压力场/温度场。温度场。 提高散热效率（制动器、大灯等）提高散热效率（制动器、大灯等）q 气动噪声：给出整车或部件的气动噪声。提高舒适性气动噪声：给出整车或部件的气动噪声。提高舒适性q 发动机相关：缸内燃烧、进排气道、冷却系统、旋风除尘、污染发动机相关：缸内燃烧、进排气道、冷却系统、旋风除尘、污染 q 专门问题：专门问题： 泵、气泵、气/油路、轮胎、油路、轮胎、 CFD基础讲座
8、基础讲座三、三、N-S方程处理方式方程处理方式LES 大涡模拟大涡模拟 （气动噪声）RANS 雷诺平均雷诺平均RSM 雷诺应力模型雷诺应力模型涡粘模型涡粘模型双方程双方程单方程单方程零方程零方程标准标准 k-模型模型RNG k-模型模型realizable k-模型模型k-模型模型主要模拟方式主要模拟方式CFD基础讲座基础讲座四、四、CFD 解题的一般步骤解题的一般步骤1. 确定问题的性质与分析目标，制定分析方案确定问题的性质与分析目标，制定分析方案 方案比较方案比较 or 绝对值？绝对值？ 简化方式？简化方式？ （散热中的辐射，除霜中的相变） 2. 建模建模 几何模型几何模型 （Catia.
9、 Pro/E ） CFD 模型（面网格）。模型（面网格）。 根据问题性质。根据问题性质。 常用工具：常用工具：HyperMesh, ANSA, IcemCFD, CFD前处理模块前处理模块 汽车行业的复杂几何需要强大的建模工具汽车行业的复杂几何需要强大的建模工具 3. 生成体网格生成体网格 含边界层网格。通常在含边界层网格。通常在CFD软件中生成。软件中生成。4. 设定各种求解条件与模型设定各种求解条件与模型 边界条件，材料属性，计算模型，求解方式，监视变量等边界条件，材料属性，计算模型，求解方式，监视变量等5. 求解求解 监视收敛情况，进行必要的调整监视收敛情况，进行必要的调整6. 提取结果
10、，后处理提取结果，后处理 生成需要的数表与图形生成需要的数表与图形7. 撰写报告撰写报告CFD基础讲座基础讲座CFD FEA （有限元分析）（有限元分析）五、与五、与FEA的对比的对比结构分析结构分析流动分析流动分析处理对象处理对象固体结构本身固体结构本身流体流体 （气体，液体，（气体，液体，），无固定形状，没有），无固定形状，没有“大变形大变形”概念概念 固体固体（如车）只是边界，通常不须考虑其属性只是边界，通常不须考虑其属性力学模型力学模型与与数学模型数学模型弹、塑性体弹、塑性体固体力学方程组固体力学方程组 (平衡平衡/动力学方程动力学方程) （位移、应力）（位移、应力）粘性流体粘性流体
11、（牛顿流体与非牛顿流体）（牛顿流体与非牛顿流体）三维三维N-S方程组方程组 （二阶非线性方程组）（二阶非线性方程组） 动量方程动量方程 能量方程 连续性方程 湍流方程 （速度、压强）（速度、压强）求解方法求解方法有限单元法有限单元法 (FEM)多采用 有限体积法有限体积法 (FVM) 网格性质网格性质固定于介质固定于介质拉格朗日方法拉格朗日方法不固定于介质不固定于介质（固定于计算域）（固定于计算域）欧拉方法欧拉方法 方程属性方程属性线性线性 / 非线性非线性非线性非线性网格数量网格数量几万几十万几万几十万百万千万百万千万CFD的难点：的难点： 非线性非线性 计算量大计算量大 （网格百万千万）（
12、网格百万千万） 物理机制物理机制 （湍流，分离，多相，燃烧等）（湍流，分离，多相，燃烧等） 数值算法问题数值算法问题 （有时不易收敛）（有时不易收敛）CFD基础讲座基础讲座五、与五、与FEA的对比的对比CFD基础讲座基础讲座 常见商品化常见商品化CFD软件软件软软 件件公公 司司方方 法法 Fluent CFX Star CCM+ / Star CD AVL FIRE 美国 ANSYS 英国 CD-adapco 奥地利 AVL 有限体积法有限体积法FVM CFDesign 美国 Blue Ridge Numerics 有限单元法有限单元法FEM Power FLOW美国 EXALBM六、六、常
13、见常见CFD软件及其结构软件及其结构CFD基础讲座基础讲座六、六、常见常见CFDCFD软件及其结构软件及其结构 Fluent 软件结构：软件结构： Gambit 建模建模 生成生成2D/3D网格网格 Tgrid3D 网格生成器网格生成器 Fluent 网格调整网格调整 物理模型物理模型 边界条件边界条件 求解求解 后处理后处理3D网格网格2D网格网格3D网格网格 Star CCM + 软件结构：软件结构：一体化环境，含一体化环境，含2D/3D网格生成、设置、求解、后处理网格生成、设置、求解、后处理2D网格网格几何几何CFD基础讲座基础讲座七、常用前处理工具介绍与演示七、常用前处理工具介绍与演示
14、 与与CFD软件的接口软件的接口 常用前处理工具介绍常用前处理工具介绍 CAD几何数据几何数据 Catia、 Pro/E 等等 HyperMesh 建模 生成生成2D网格网格 Fluent 网格调整网格调整 物理模型物理模型 边界条件边界条件 求解求解 后处理后处理*.hmascii*.nastran*.igs / stp / stlHyperMesh、ANSA、IemCFD、AVL Fame ， 配合CFD软件的前处理模块以以 HyperMesh + Fluent 为例的流程： Tgrid 生成生成3D网格（含边界层）网格（含边界层） 设置边界设置边界 质量检查质量检查3D网格网格2D网格网
15、格 *.mshCAS 文件 其它其它FEA 2D 网格网格 2D 网格网格 CFD基础讲座基础讲座七、常用前处理工具介绍与演示七、常用前处理工具介绍与演示 与与CFD软件的接口软件的接口 用用FEA模型作为输入的前处理示例模型作为输入的前处理示例有限元模型有限元模型CFD面网格面网格Tgrid 生成生成 CFD体网格体网格HyperMeshANSA*.hmascii*.nastran做出计算域边界网格做出计算域边界网格*.igs / stp / stl2D 网格网格CFD基础讲座基础讲座七、常用前处理工具介绍与演示七、常用前处理工具介绍与演示 与与CFD软件的接口软件的接口 用用 HyperM
16、esh 建模示例建模示例 1. 车身建模车身建模 2. 内流建模内流建模CFD基础讲座基础讲座 面网格面网格：三角形。尽量接近正三角形 八、网格类型介绍八、网格类型介绍 体网格体网格： 1.四面体四面体 2.六面体六面体3.六面体核心六面体核心4.多面体多面体5.Trimmed 网格网格6.边界层网格边界层网格CFD基础讲座基础讲座八、网格类型介绍八、网格类型介绍多面体网格：多面体网格：由四面体聚合而成 改善网格质量，减少网格数量 生成时占用内存很大CFD基础讲座基础讲座Trim 网格网格八、网格类型介绍八、网格类型介绍CFD基础讲座基础讲座八、网格类型介绍八、网格类型介绍边界层网格边界层网格
17、由物体表面沿法向拉伸而成 （三棱柱）捕捉物理量在壁面附近的急剧变化混合网格混合网格CFD基础讲座基础讲座 LBM方法：大量位于网格节点上的离散流体质点粒子，按碰撞和迁移规则在网格上运动，通过对各网格流体质点及运动特征的统计，获得流体宏观运动规律（速度、压力温度场 ）。 粒子分布函数 （粒子数密度） 粒子分布函数 满足Lattice Boltzmann方程：九、九、LBM方法简介方法简介 LBM 格子格子Boltzmann方法方法（Lattice Boltzmann Method） LBM从微观动力学角度出发，将流体的宏观运动看作是大量微观粒子运动的统计平均结果。宏观的物理量可由微观粒子的统计平
18、均得到。( , , )f x v t tfvfC软件：PowerFlow CFD基础讲座基础讲座格子结构格子结构九、九、LBM方法简介方法简介CFD基础讲座基础讲座 LBM的计算过程的计算过程 是一个循环演化的过程，每个演化过程包括碰撞和流动（迁移）两个分步。1( , )( , )( , )( , )(,)( , )eqiiiiiiifx tf x tf x tfx tf xce t ttfx t碰撞：流动：,( , )( , )(,)( , )(0,1. )eqiiiiiLBMfx tfx tfxet ttfx tib 标准的可写为：九、九、LBM方法简介方法简介LBM 的计算过程CFD基础
19、讲座基础讲座 * 体网格不依赖于面网格节点九、九、LBM方法简介方法简介CFD基础讲座基础讲座十、部分十、部分应用应用算例算例部分部分CFD算例算例（来自一汽）（来自一汽）外流外流：风阻计算准确度可达：风阻计算准确度可达25底部精确模拟底部精确模拟CFD基础讲座基础讲座十、部分十、部分应用应用算例算例内流：内流：CFD基础讲座基础讲座十、部分十、部分应用应用算例算例前风挡流场与除霜前风挡流场与除霜CFD基础讲座基础讲座十、部分十、部分应用应用算例算例散热问题散热问题CFD基础讲座基础讲座十、部分十、部分应用应用算例算例观测点处的计算噪声频谱观测点处的计算噪声频谱观测点处的实测噪声频谱观测点处的实测噪声频谱风扇气动噪声分析风扇气动噪声分析（2005）CFD基础讲座基础讲座轿车机舱散热器布置设计优化轿车机舱散热器布置设计优化 (Opel)十、部分应用算例十、部分应用算例轿车进风口设计优化轿车进风口设计优化 (Opel)CFD基础讲座基础讲座HyperMesh 建模示例建模示例
