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