【CFD小贴士】CFD入门基础
1 何谓CFD？
CFD是计算流体动力学（Computational fluid dynamics）的缩写，是预测流体流动、传热传质、化学反应及其他相关物理现象的一门学科。CFD一般要通过数值方法求解以下的控制方程组：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒方程、体积力等
CFD 分析一般应用在以下阶段:概念设计、产品的详细设计、发现问题、改进设计
CFD分析是测试和实验的补充，减少了实验和数据采集所需的全部精力和成本
2 如何开展CFD模拟？
ANSYS CFD 求解器是基于有限体积法
计算域离散化为一系列控制体积
在这些控制体上求解质量、动量、能量、组分等的通用守恒方程
偏微分方程组离散化为代数方程组
用数值方法求解代数方程组以获取流场解
例：将管道流动的流体区域离散为一系列的控制体
* FLUENT控制体以单元cell为中心(即它们与网格直接对应)，而CFX控制体以节点node为中心
3 CFD模拟基本流程
1 确定模拟目标
我们希望得到什么样的结果（例如，压降，流量），如何使用这些结果？
模拟有哪些选择？
分析应该包括哪些物理模型（例如，湍流，压缩性，辐射）？
需要做哪些假设和简化？
能做哪些假设和简化（如对称、周期性）？
需要自定义数学模型吗？–FLUENT使用UDF，CFX使用 User FORTRAN
计算精度要求到什么级别？
获取模拟结果的时间？
CFD是否是合适的工具？
2 确定计算域
如何把一个完成的物理系统分割出来？
计算域的起始和结束位置
在这些位置能获得边界条件吗？
这些边界条件类型合适吗？
能把边界延伸到有合适数据的位置吗？
可以简化为二维或者轴对称问题吗？
3 创建几何模型
如何得到流体域的几何模型？
使用现有的CAD模型。从固体域中抽取出流体域？
直接创建流体计算域几何模型？
CAD几何可以简化吗？
去除可能引起复杂网格的不必要特征（倒角、焊点等）
使用对称或周期性？流场和边界条件是否都是对称或周期性的？
需要切分模型以获得边界条件或者创建域吗？
4 计算域网格化
计算域的各个部分都需要哪种程度的网格分别率（密度)？
网格必须能捕捉感兴趣的几何特征以及关注的变量梯度，如速度梯度、压力梯度、温度梯度等。
可以预估出大梯度的位置吗？
需要使用自适应网格来捕捉大梯度吗？
哪种类型的网格是最合适的？
几何的复杂度如何？
四边形/六面体网格？三角形/四面体网格？多面体或马赛克 网格？
需要使用非一致边界条件吗？
计算机资源是否足够？
需要多少个单元/节点？
需要使用多少个物理模型？
5 设置求解模型
对给定的问题，需要
定义材料属性 流体？固体？混合物？
选择合适的物理模型 湍流，燃烧，多相流等。
指定操作条件
指定边界条件
提供初始值
设置求解器控制参数
设置监测收敛参数
* 对于复杂的问题，先求解一个简化的或2D的问题将在短时间内对模型选取和求解设置提供宝贵的经验
6 求解计算
通过迭代求解这些离散的守恒方程直至收敛
以下情况达到收敛：
两次迭代的流场结果差异小到可以忽略。监测残差趋势能帮助理解这个差异
达到全局守恒：全局量的平衡
感兴趣的量（如阻力、压降）达到稳定值：监测感兴趣量的变化
收敛解的精度和以下因素有关：
合适的物理模型，模型的精度
网格密度，网格无关性
数值误差
7 查看模拟结果
查看结果，提取有用的数据
使用可视化的工具能回答以下问题:
什么是全局的流动类型？
是否有分离？
激波、剪切层等在哪儿出现？
关键的流动特征是否捕捉住了？
数值报告工具能给出以下量化结果：
力、动量
平均换热系数
面积分、体积分量
通量平衡
8 考虑对模型修订
这些物理模型是否合适？
流动是湍流的吗？
流动是非稳态的吗？
是否有压缩性效应？
是否有三维效应？
这些边界条件是否合适？
计算域是否足够大？
边界条件是否合适？
边界值是否是合理的？
网格是否是足够的？
加密网格能否提高精度？
网格是否有无关性？
是否需要提高网格捕捉几何的细节？
Fluent中常用的物理模型
流动和传热
动量、质量、能量方程
辐射
湍流
雷诺平均模型 (Spalart-Allmaras, k–ε, k–ω, 雷诺应力模型)
大涡模拟 (LES) 和分离涡模拟 (DES)
组分输运
体积反应
Arrhenius 有限速率化学反应
湍流快速化学反应：涡耗散, 非预混, 预混，局部预混
湍流有限速率反应：EDC, laminar flamelet, composition PDF transport，表面化学反应
多相流模型：离散相模型 (DPM)，VOF：混合模型，欧拉－欧拉/欧拉－粒子，液/固与空化相变模型
动网格
Moving zones：Single and multiple reference frames (MRF)，Mixing plane model，Sliding mesh model
Moving and deforming (dynamic) mesh (MDM)
用户定义标量输运方程
一些附加模型。如电池模型
