【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 modelMoving and deforming (dynamic) mesh (MDM)用户定义标量输运方程一些附加模型。如电池模型来源：CFD仿真区
