计算流体力学有限元方法及其编程详解_毕超编译_1-125

内容简介CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件，CFX已经遍及航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、防火安全、冶金、环保等领域，为全球6000多个用户解决了大量的实际问题。本书以CFX13.0为蓝本，由浅入深、循序渐进地介绍了CFX的使用方法，包括CFX的基本理论与方法、ICEMCFD网格生成、CFX前处理、CFX求解、CFX后处理等功能的介绍，并通过几个典型的CFX实例详细介绍CFX从网格划分到模型建立，从求解到后处理的全过程，可以按照实例讲解一步一步地完成CFX模拟的实现，并对CFX建模过程、求解理念和后处理方法有一定的认识和了解。本书适合CFX的初学者和使用过其他模拟软件的读者使用，同时对使用CFX有一定经验的读者来讲，也很有参考价值。前言CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件，是英国AEATechnology公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而开发的，诞生在工业应用背景中的CFX一直将精确的计算结果、丰富的物理模型、强大的用户扩展性作为其发展的基本要求，并以其在这些方面的卓越成就，引领着CFD技术的不断发展。目前，CFX已经遍及航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、冶金、环保等领域，为全球6000多个用户解决了大量的实际问题。CFX软件主要有以下几个特色功能：先进的全隐式耦合多网格线性求解器，收敛速度快(同等条件下比其他流体软件快1～2个数量级),可以读入多种形式的网格，并能在计算中自动加密/稀疏网格，优秀的并行计算能力，强大的前后处理功能，丰富的物理模型，可以真实模拟各种工业流动，简单友好的用户界面，方便使用，CCL语言使高级用户能方便地加入自己的子模块，支持批处理操作，支持多物理场耦合，支持Workbench集成。CFX功能的实现主要由5部分组成：几何建模、网格划分、前处理、求解和后处理。几何建模可以使用CAD、Pro-E、Solidworks等商业画图软件实现，鉴于以上软件的参考书籍较多，本书不再赘述，本书使用的三维模型是以Solidworks软件进行建模的。网格划分使用软件为ICEMCFD,其具有强大的网格生成功能和几何建模功能。可以通过其自动生成网格功能划分四面体网格，或者使用生成拓扑功能生成质量更高的六面体网格和O-grid网格。CFX前处理主要用来建立计算区域，选择物质，选用模型，边界条件设定，设定求解等功能，同时CFX提供的复杂模型还可以用来建立燃烧、化学反应、气蚀、凝固、沸腾、多孔介质、相间传质、非牛顿流、喷雾干燥、动静干涉、真实气体等大批复杂现象的模型。CFX求解使用了有限元的有限体积法，在保证了有限体积法的守恒特性的基础上，吸收了有限元法的数值精确性。CFX后处理可以快速地展示计算结果，生成点、线、面、体等位置，创建矢量图、云图、流线、曲线等对象，还可以生成数据、输出数据等。本书是结合作者多年CFX模拟软件使用经验的基础上编写的，在编写过程中，本书突出了以下特点：①直观易懂性。全书以图解实例的形式介绍基础知识和实例操作，所有的知识点和操作流程尽可能集中在图上，直观易懂，能够在最短的时间内获取最多的知识。②先进性。以最新的CFX13.0为蓝本进行讲解，参阅了CFX使用手册、CFX最新培训课程和大量的应用实例，为CFX使用者从入门到进阶提供了大量的实例参考。③实用性。全书采用了基础知识介绍和实例操作相结合的方法，互相补充，书中实例大多都可直接应用于生产实践，对快速将模拟应用于实践大有裨益。④结构清晰，讲解详尽。全书采用“基础理论—功能讲解—实训实例”的循序渐进的讲解方法，一步步完成从初学到熟练掌握的转变，而且每个知识点和实例都做了尽可能详细的讲解，学习起来轻松自如。第1章流体流动分析概述流体力学是研究流体平衡和宏观运动规律的科学。其研究流体平衡的条件及其压强分布，流体运动的基本规律，流体绕流某物体或流过某通道时的速度分布、压强分布、能量损失，以及流体与固体间的相互作用等。流体力学研究方法分为理论分析方法、试验研究方法和数值计算方法三种，本章重点介绍数值计算方法，其实现步骤包括：①对实际的流体力学问题进行科学抽象，建立理论模型；②对模型建立描写流体运动规律的封闭方程组，以及与之相应的边界条件和初始条件；③合理选用计算方法，可以是有限差分方法、特征线方法、有限元方法、边界元方法、谱方法等；④编程计算或使用商业软件计算；⑤分析结果。电子计算机的出现和迅速发展大大改变了科学技术发展的进程。流体力学的发展也因此出现了崭新的面貌。计算流体动力学(CFD)应运而生，早期的计算流体力学是通过编程实现的，但编出的程序没有可移植性，无法广泛应用，渐渐为商业CFD软件所替代。CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件，是英国AEATechnology公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而开发，诞生在工业应用背景中的CFX一直将精确的计算结果、丰富的物理模型、强大的用户扩展性作为其发展的基本要求，并以其在这些方面的卓越成就，引领CFD技术的不断发展。目前，CFX已经遍及航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、防火安全、冶金、环保等领域，为其在全球6000多个用户解决了大量的实际问题。y流体分析的发展yCFD软件简介S流体分析的应用领域1.1流体分析的发展1.1.1CFD的提出CFD(ComputationalFluidDynamics,计算流体动力学)是计算技术与数值计算技术的结合体，是将流体试验用数值模拟方法求解的过程。数值模拟就是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。CFD在最近20年中得到飞速的发展，除了计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外，还主要因为无论是分析的方法还是试验的方法都有较大的限制。例如，由于问题的复杂性，既无法作分析解，也因费用昂贵而无力进行试验确定，而CFD的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。经过一定考核的CFD软件可以拓宽试验研究的范围，减少成本昂贵的试验工作量。在给定的参数下，用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次数值试验，历史上也曾有过首先由CFD数值模拟发现新现象而后由试验予以证实的例子。CFD软件一般都能推出多种优化的物理模型，如定常或非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等。对每一种物理问题的流动特点，都有适合它的数值解法，可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。CFD软件之间可以方便地进行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在计算机方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。1.1.2CFD软件简介目前，CFD软件主要可以分为三类：第一类是针对具体问题的专用程序，如TPS-2D和TPS-3D等；第二类是针对一种类型问题编制的程序，专业性较强；第三类是CFD的软件包，具有完善的前处理和后处理系统，其求解器部分可以容纳大量的物理模型，可用于分析涉及流体力学的各类问题，无论该问题是一维、二维还是三维，湍流还是层流，牛顿流体还是非牛顿流体，都可以求解，并且可以处理各种不同的、简单的或十分复杂的几何形体。该类大型商业软件较成熟的一般有ANSYS(CFX)、FLUENT、FLOW3D、PHOENICS、STAR-CD等。其优点在于不必深入研究控制方程，只需研究问题的物理本质、问题的提法、边界(初值)条件和计算结果的合理解释等重要方面。自从1981年英国CHAM公司首先推出求解流动与传热问题的商业软件PHOENICS以来，迅速在国际软件产业中形成了统称为CFD软件的产业市场。目前，全世界至少已有50余种这样的流动与传热问题的商业软件，在促进CFD技术应用于工业实际中起了很大的作用。下面介绍当今世界上应用较广的CFD商业软件。(1)CFX该软件采用有限容积法、拼片式块结构化网络，在非正交曲线坐标(适体坐标)系上进行离散，变量的布置采用同位网格方式。对流项的离散格式包括一阶迎风格式、混合格式、QUICK、CONDIF、MUSCI及高阶迎风格式。压力与速度的耦合关系采用SIMPLE系列算法(SIM2PLEC),代数方程求解的方法中包括线迭代、代数多重网络、ICCG、STONE强隐方法及块隐式(BIM)。软件可计算不可压缩及可压缩流动、耦合传热问题、多相流、化学反应、气体燃烧等问题。(2)FIDAPFIDAP(FluidDynamicsAnalysisPackage)是，1983年由美国FluidDynamicsInternationalInc.推出，是世界上第一个使用有限元法(FEM)的CFD软件。可以接受如I-DEAS、PATRAN、ANSYS和ICEMCFD等著名生成网格的软件所产生的网格。该软件可以计算可压缩及不可压缩流、层流与湍流、单相与两相流、牛顿流体及非牛顿流体的流动问题。(3)FLUENT这一软件由美国FLUENTInc.于1983年推出，是继PHOENICS软件之后的第二个投放市场的基于有限容积法的软件。它包含结构化及非结构化网格两个版本。在结构化网格版本中有适体坐标的前处理软件，同时也可以纳入I-DEAS、PATRAN、ANSYS和ICEMCFD等著名生成网格的软件所产生的网格。速度与压力耦合采用同位网格上的SIM2PLEC算法。对流项差分格式纳入了一阶迎风、中心差分及QUICK等格式。软件能计算可压缩及不可压缩流动、含有粒子的蒸发、燃烧过程、多组分介质的化学反应过程等问题。(4)PHOENICS这是世界上第一个投放市场的CFD商业软件，可以算是CFD商用软件的鼻祖。这一软件中所采用的一些基本算法，如SIMPLE方法、混合格式等，正是由该软件创始人D.B.Spalding及其合作者S.V.Patankar等所提出的，对以后开发的商业软件有较大的影响。近年来，PHOENICS软件在功能上与方法方面做了较大的改进，包括纳入拼片式多网格及细密网格嵌入技术，同位网格及非结构化网格技术；在湍流模型方面开发了通用的零方程、低Reynoldsk-E模型、RNGk-E模型等。应用这一软件可计算大量的实际工作问题，其中包括：城市污染预测、叶轮中的流动、管道流动。(5)STAR-CD该软件名称STAR是SimulationofTurbulentFlowinArbitraryRegion的缩写，连字符后的CD是开发商ComputationalDynamicsLtd的简称。这是基于有限容积法的一个通用软件。在网格生成方面，采用非结构化网格，单元的形态可以有六面体、四面体、三角形截面的棱柱体、金字塔形的锥体及6种形状的其他多面体。应用这一软件可以计算稳态与非稳态流动、牛顿流体及非牛顿流体的流动、多孔介质中的流动、亚声速及超声速流动，并且这一软件在世界汽车工业中应用的十分广泛。1.1.3流体分析的应用领域流体分析已经在多个领域有了较好的应用，尤其是在涉及空气动力学和流体动力学的方面，计算流体力学的主要应用范围包括以下几种领域：(1)航空航天领域流体分析可以应用航空航天领域，模拟飞机的马赫数和攻角。使用CFX强大的并行功能，软件自动将网格分为若干部分，分配到网络上的各个处理器计算，这使得大规模CFD问题的计算能够在短时间内得到结果。CFX模拟的升力、阻力及力矩系数都与试验值吻合的很好。(2)汽车领域模拟汽车外流场，计算对称面、地面和车身表面的压力分布。采用CFD模拟，可以有效地减少风洞试验次数、节省经费、加快新车的研发过程。(3)船舶工业应用船舶问题。可以计算某航行速度下，整船所受的阻力。还可以采用自由液面模型，使用自适应网格技术来加密自由液面的网格，从而更精确地捕捉到自由液面。(4)建筑工业可以通过流体分析计算建筑的外部风场，可以为建筑的强度设计提供有效的压力数据，同时针对建筑物的具体特点，设计更灵活的通风系统。(5)火灾通风利用CFD技术模拟地铁火灾及通风。可以为火灾蔓延的走势做事先的模拟，为火灾后的人员疏散，降低人员伤亡提供可靠的依据。(6)涡轮水泵采用CFX模拟常规涡壳水泵。其通用网格界面(GGI)模型使得能够用更短的时间，轻松完成涡壳和叶片的网格划分，而所得到的结果包括水泵内每一点的速度和压力，这是试验测量所无法完成的。通过CFX模拟，分析水泵内的分离区和回流区产生的原因并加以改进，提高了水泵的效率。(7)管壳换热管壳换热器的流线及温度分布。CFX强大的全隐式耦合算法允许其同时考虑管外流体、管内流体，以及管壁部分的耦合传热。通过CFX的模拟，能得到换热器内局部过热的具体位置，为进一步改造提供了丰富的信息。(8)冶金行业CFX模拟的钢水铸造过程，可以描述铸造模具内的流线及表面温度分布。CFX丰富的物理模型中包括了凝固模型，该模型考虑了瞬态的潜热变化、凝固过程中熔融区的阻力，以及相变过程中的湍流衰减。(9)石油化工利用CFX模拟的流化床内气泡的形成和发展过程。可以模拟任何扩散和连续流动的组合，包括液体、固体、气体和化学物质。1.2CFX软件简介CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件，是英国AEATechnology公司首先为解决核反应堆多相流问题而开发，并于1986年开始作为商业软件向全球发售。自从瑞士PSI成为CFX第一个商业用户以来的10多年时间里，CFX的用户已近600万家，遍及过程工业、能源、机械制造、汽车、航空、水处理、防火安全及环保等各个行业。在欧洲的过程工业，80%的企业使用CFX作为主要的CFD工具，在过程工业中CFX已成为最主要的单元模拟软件。对于一次具体的设计或优化过程，使用CFX的典型过程包括如下6个阶段：(1)几何造型通过点、线、面、体等元素最终生成三维几何模型，其目标是描述流体流动区域。(2)设置流体介质的物理化学属性和机理模型CFX包含一个6000余种流体介质属性的数据库，以及丰富的机理模型，用户通过菜单系统可选定适合特定问题的流体介质和机理模型。同时，CFX提供足够的开放性，可以修改流体介质属性参数、添加新流体介质、修改机理模型参数、甚至创建自己的机理模型。(3)设置边界条件边界条件是指流动区域的边界如入口、出口、壁面等处应满足的物理化学条件。CFX中包含大量的边界条件库并给出了详细的指导，通过菜单系统人机交互设置。(4)生成网格网格生成的目标是离散流动区域，流体力学基本方程组就在这些离散化后的网格单元上求解，由于流动区域的形状可能会各种各样，通常网格生成的工作意义重大而又非常繁琐。在CFX中，这一步的工作可以进行视具体情况人为控制或自动进行。(5)求解CFX的求解器可以监视求解的全过程，显示收敛情况，并会在收敛不太好的情况下自动调整求解策略。(6)可视化、定性和定量化分析CFX的后处理通过现代可视化技术，可以深入了解流场的细节。如速度、压力、温度、浓度等物理量的分布，不仅获得定性结果，而且由于CFX后处理提供宏语言，可以在计算结果基础上进一步得到各种宏观量，以进行定量化分析。CFX软件有如下几个特点：(1)直观友好界面(2)精确数值处理①CFX采用了基于有限元的有限体积法，在保证了有限体积法的守恒特性的基础上，吸收了有限元法的数值精确性。②CFX在湍流模型的应用上，除了常用的湍流模型外，CFX最先使用了大涡模拟(LES)和分离涡模拟(DES)等高级湍流模型。(3)稳健快速求解使用全隐式多网格耦合求解，同时求解动量方程和连续性方程。(4)丰富物理模型CFX拥有包括流体流动、传热、辐射、多相流、化学反应、燃烧等问题的的通用物理模型；还拥有如气蚀、凝固、沸腾、多孔介质、相间传质、非牛顿流体、喷雾干燥、动静干涉、真实气体等大批复杂现象的实用模型。1.2.1Windows版本运行方法启动CFX13.0,弹出的运行窗口如图1-1所示。CFX运行窗口主要由四个部分组成，其功能分别如下：①TurboGrid13.0。旋转机械设定，通过此项设定，可以进入旋转机械网格划分界面，通过导入图形，设置拓扑，生成网格等操作生成旋转机械网格文件。②CFX-Pre13.0。CFX前处理，通过前处理对所要模拟的模型进行设定，选择求解方法，控制方程，设定边界条件初始条件等。③CFX-SolverManager13.0。CFX求解，对建立的模型进行求解。④CFX-Post13.0。CFX后处理，使用后处理查看求解结果，对结果进行分析。1.2.2并行计算并行性是指在同一时刻或是同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作。只要时间上互相重叠就存在并行性。为提高计算效率或降低单机的计算负担，CFX求解可以通过并行计算来完成。并行计算模式如图1-2所示。并行计算类型可以分为以下三种：①串联计算(Serial)。默认模式，按常规模式计算模拟。②局部并行(LocalParallel)。分别有两种局部并行模式，分别是PVM(并行虚拟计算机)局部并行和MPICH(开放源代码的消息传递接口)局部并行，共同点在于局部并行都是基于本机的并行计算，是基于机器硬件的，一般适用于多个处理器的大型计算机。③分布式并行(DistributedParallel)。同样有两种分布式并行模式，分别是PVM(并行虚拟计算机)局部并行和MPICH(开放源代码的消息传递接口)分布式并行，共同点在于分布并行可以通过网络同时使用多台计算机进行计算。原资料见附件免责声明：本页面/内容部分素材来源于互联网公开信息，旨在传递更多信息，不代表本平台立场。版权归原作者或机构所有，如涉及侵权，请通过平台联系我们，我们将在核实后第一时间处理。本平台对转载内容的真实性、准确性不作任何保证，用户需自行判断并承担使用风险。