CFD数值模拟原理-1(好).ppt

CFD数值模拟原理 南京工业大学材料工程 叶旭初 § 1-2 CFD的理论基础 ——理论流体力学+数值方法（数值计算） 1、基本概念 控制体 拉格朗日和欧拉坐标系 质量守衡定律 牛顿运动定律 能量守衡定律 线性和非线形的偏微分方程组 离散原理 离散后的大型非线性代数方程组 边界条件 控制体 拉格朗日和欧拉坐标系 可在这两种坐标系下描述基本守衡定律方程 拉格朗日原理 研究流体质点的运动 跟踪这一部分流体质点随时间变化的空间位置和特性 一般用于研究颗粒的空间运动轨迹的研究等 欧拉原理 研究流体流过的控制体, 该控制体在空间位置是固定的 独立变量是空间坐标 (x,y,z) 和时间 (t) 2、流体运动守衡方程 质量守衡方程 动量守衡方程-牛顿运动定律 能量守衡方程-热力学第一定律 这三个守衡方程是CFD的理论基石！ 质量守衡   单元设备/过程模拟模型 煤颗粒燃烧模型 1、挥发模型 Dv/dt=Kv(vf-v) Kv=Avexp(-Ev/Tp) V/vf=1-exp[- kvdt] 2、碳颗粒燃烧模型(1967 FIELD,1985 GIBB) Kd=(2.53*10-7)/Rp[(Tp+Tg)/2]0.75PA/P Kc=Acexp(-Tc/Tp) (Kd-1+kc-1)Pg4 Rp2 P/PA 方程特性 流动方程非线性 需要求解的是一组耦合方程组，而不是一个方程 方程本身具有强非线性 无法获得简单的理论结果 必须借助于离散方法,如有限元法、有限差分等数值计算方法 离散原理 步骤: 确定研究区域 将控制体（流体流动区域）划分为离散区域 (网格) 对每一个网格应用守衡准则: 对每个网格上的微分方程积分 应用Gauss 原理将体积分转换为面积分 插值所有网格和网格表面的流体运动物理参数 如需要, 线性化 应用边界条件 求解代数方程组 如果是非线性的, 迭代直至收敛 * 第一章 绪论 §1-1 CFD数值模拟 1、工程研究的任务 发展满足国民经济各部门所需要的新产品和对现有的生产过程进行改造。 2、工程开发研究 （1）实验室内进行模型的开发研究 进行大量的可能采用的实际方法作比较试验，确定较优的方法；— 解决可能性问题。 （2）工程二次开发 就是得出所有必要的资料，确保在实验室的初步研究成果能转化为生产力。 — 解决可行性问题。 （3）第一套生产装置的建立 开发、设计第一套生产装置，检测（或生产性试验）。 用其结果来检查初始设计过程中的“假设参数”以及所依赖的数学模型的正确性，合理性。 周期较长，投资大，工业化放大的可靠性不高。 3、现代工程研究方法 随着近代科学技术的进步，在绝大部分的研究领域内，人们对常见现象的理论研究已达到了一个崭新的境界，如力学、新材料设计的超分子建筑学、统计物理学、流体力学、传热学、化学反应流等 数学物理方程、理论模型或经验模型，在大量的实验研究及工程应用中得到证实。 方案设计 详细设计 试验验证 投产 工程模拟分析评估 改进 ? 理想的新产品现代设计过程 4、过程装置问题特征 流动、传热、传质、化学反应—复杂 5、学习方法 （1）了解原理—描述问题的基本方程 （2）数值方法与编程 （3）通用软件的掌握与正确使用 6、 CFD技术发展概况 一、 CFD与CFD技术 “CFD”-Computational Fluid Dynamics(计算流体动力学) CFD技术-现广义地将对工程中的流体流动、传热、燃烧、化学反应、多相流等的数值模拟（Simulation ）同称为CFD技术 CFD的特点： CFD是仿真技术中的一种，其特点都是以描述该类物理或化学现象的理论方程为基础（代数、微分方程等），采用计算机，运用一定的数学方法加以离散与求解，最终得到一系列对工程实践具有指导意义的规律性的研究结果。分析、评估在给定条件下的工程设计合理性，并确定修正措施。 一般来说，影响模拟的可靠性的因素： （1）描述方程本身是否能客观地反映出该类物理或化学现象的本质、共性； （2）数值方法的正确性； （3）计算机硬件、软件本身的可靠性 （4）使用人正确掌握。 二、工程数字（信息）化设计 （1）传统的工程设计程序 设计工程师 工艺工程师 原、燃料；配料方案 设备工程师 设计任务 经济分析师 工程计划 专用设备开发 联系工作单 联系工作单 联系工作单 联系工作单 制图 特点（1）每个入的工作领域、工作方法不同； （2）彼此沟通困