《流體力學(xué)與流體機(jī)械 第2版》課件 第8-10章 流動(dòng)測(cè)量技術(shù)、泵與風(fēng)機(jī)概述、計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)

第八章流動(dòng)測(cè)量技術(shù)

介紹流體的粘度、壓強(qiáng)、速度、流量的測(cè)量方法以及流動(dòng)顯示技術(shù)。2第一節(jié)粘性的測(cè)量

1.毛細(xì)管粘度計(jì)

32.落球粘度計(jì)

43.旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)

54.恩氏粘度計(jì)

6第二節(jié)壓強(qiáng)的測(cè)量

1.測(cè)壓孔72.液柱式測(cè)壓計(jì)83.機(jī)械式壓力表94.壓力傳感器10第三節(jié)速度的測(cè)量1.風(fēng)速計(jì)

112.畢托管

123.熱線風(fēng)速儀

KA22熱線式風(fēng)速儀

6162中高溫風(fēng)速儀

Testo405微型風(fēng)速儀

134.粒子圖像測(cè)速儀PIV

1415165.三維粒子動(dòng)態(tài)分析儀（PDPA）

17第四節(jié)流量的測(cè)量

1.文丘里流量計(jì)182.孔板流量計(jì)193.轉(zhuǎn)子流量計(jì)204.堰板流量計(jì)

215.渦輪流量計(jì)

226.電磁流量計(jì)

23第五節(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.JDDF1400型開閉兩用低速風(fēng)洞（江蘇大學(xué)）

242.HDF-500型回路低速風(fēng)洞（江西省氣象臺(tái)）

3.大氣邊界層風(fēng)洞（上海交大）253.水洞與水槽26第六節(jié)流動(dòng)顯示技術(shù)

27一.外加示蹤物質(zhì)法

1）液體染料2）氣泡3）氣體煙線4）固體粒子與油滴

二.化學(xué)反應(yīng)示蹤法

三.壁面流動(dòng)顯示

四.絲線法

第九章泵與風(fēng)機(jī)概述第1節(jié)用途與分類

流體機(jī)械的定義：是指在流體具有的機(jī)械能和機(jī)械所做的功之間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的機(jī)械裝置。通常包括水輪機(jī)、泵、通風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等。如推廣可以包括汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、膨脹機(jī)、風(fēng)力機(jī)、液力耦合器、液力變矩器、風(fēng)動(dòng)工具、氣動(dòng)馬達(dá)和液壓馬達(dá)等。定義：泵與風(fēng)機(jī)是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為被輸送流體的能量（位能、壓能與動(dòng)能）的流體機(jī)械，輸送液體的稱為泵，輸送氣體的稱為風(fēng)機(jī)。29泵與風(fēng)機(jī)的用途：城市供水、排水；農(nóng)業(yè)灌溉、排澇；礦道內(nèi)的通風(fēng)、排水；冶金工業(yè)中各種冶煉鍋爐的鼓風(fēng)以及氣體液體的輸送；石油工業(yè)中的輸油與注水；化學(xué)工業(yè)氣體與液體的輸送；廠房、車間空調(diào)以及原子防護(hù)設(shè)備的通風(fēng)等。占國民經(jīng)濟(jì)發(fā)電量的30%。泵與風(fēng)機(jī)發(fā)展方向：高轉(zhuǎn)速、大容量、高效率泵的歷史：公元5世紀(jì)葡萄牙人在圣多明戈銅礦中所用的木制排水離心泵，該泵葉輪安裝有雙曲率的葉片（1772年發(fā)現(xiàn)）。1705年法國物理學(xué)家德尼斯·帕潘設(shè)計(jì)制造了近代第一臺(tái)提升液體的泵。1785年丁·斯蓋宣布了一種新泵的專利，這是一種軸流泵的雛形。1918年格瑞尼給出了艾利斯螺旋泵的混流葉輪圖形。30泵與風(fēng)機(jī)按工作原理：（1）葉片式泵與風(fēng)機(jī)。葉輪通過旋轉(zhuǎn)作用將能量連續(xù)地傳給流體，從而使流體獲得壓能、位能與動(dòng)能的泵與風(fēng)機(jī)。例如：離心式、軸流式、混流式泵與風(fēng)機(jī)。（2）容積式泵與風(fēng)機(jī)。通過工作室容積的周期性變化而實(shí)現(xiàn)輸送流體的泵與風(fēng)機(jī)。根據(jù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式的不同還可以分為往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式。如活塞泵、螺桿泵等。（3）其他類型的泵與風(fēng)機(jī)。凡是不屬于上述類型的泵與風(fēng)機(jī)，如射流泵、水錘泵等。31第二節(jié)葉片式泵的主要部件和結(jié)構(gòu)型式一、葉片式泵的主要部件葉片式泵的主要部件有吸水室、葉輪、壓水室（包括導(dǎo)葉）等321.吸水室：葉片式泵吸入管接頭與葉輪進(jìn)口前的空間稱為吸水室，吸水室有直錐形、彎管形和螺旋形三種型式。直錐形彎管形螺旋形2.葉輪：葉輪是葉片式泵最重要的工作部件。葉輪一般由前蓋板、后蓋板、葉片以及輪轂組成。在前、后蓋板間裝有葉片（軸流式除外），并形成流道。33根據(jù)液體從葉輪流出的方向不同，葉輪分為徑流式（離心式）、混流式（斜流式）和軸流式三種型式。徑流式（離心式）葉輪——液體流出葉輪的方向垂直于軸線，即沿半徑方向流出?；炝魇剑ㄐ绷魇剑┤~輪——液體流出葉輪的方向傾斜與軸線；軸流式葉輪——液體流出葉輪的方向平行于軸線，即沿軸線方向流出。離心式葉輪混流式葉輪軸流式葉輪343.壓水室：水室主要有螺旋形（環(huán)形）壓水室（蝸殼）、徑向?qū)~和空間導(dǎo)葉三種型式。4.泵的過流部件二、葉片式泵的結(jié)構(gòu)形式1.按主軸方向臥式；立式；斜式。2.按葉輪種類離心式；混流式；軸流式。3.按吸入方式單吸；雙吸。4.按級(jí)數(shù)單級(jí)；多級(jí)6.按殼體剖分方式分段式；節(jié)段式；中開式；水平開中式；斜中開式。7.按泵體形式蝸殼式；雙蝸殼式；透平式；筒袋式。8.按泵體的支撐方式懸架式；托架式；中心支撐式。9.特殊結(jié)構(gòu)型式的葉片式泵另外，還有一些用途和結(jié)構(gòu)特殊的葉片式泵，如潛水電泵，貫流泵、屏蔽泵、磁力泵、管道泵、無堵塞泵、自吸泵等。35第三節(jié)

葉片式風(fēng)機(jī)的主要部件和結(jié)構(gòu)型式一、離心式通風(fēng)機(jī)的主要部件包括有葉輪、機(jī)殼、進(jìn)風(fēng)口、導(dǎo)流器和擴(kuò)壓器等。葉輪-葉片-翼型平板型、圓弧型和機(jī)翼型機(jī)殼：主要有螺旋形室（蝸殼）、風(fēng)舌等組成。進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)流器擴(kuò)壓器36二、離心式通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式1.按旋轉(zhuǎn)方式

，離心式通風(fēng)機(jī)可以做成右旋轉(zhuǎn)和左旋轉(zhuǎn)兩種型式。2.按進(jìn)氣方式

離心式通風(fēng)機(jī)又可以分成單側(cè)進(jìn)氣（單吸）和雙側(cè)進(jìn)氣（雙吸）兩種型式。3.按出口位置4.按傳動(dòng)方式第十章計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算流體力學(xué)概述有限差分法有限元法有限體積法離散方法分類常用CFD軟件

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computationalFluidDynamics,簡(jiǎn)稱CFD)是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。

CFD的基本思想：把原來在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。計(jì)算流體力學(xué)概述

CFD可以看做是在流動(dòng)基本方程(質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程)控制下對(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬。通過這種數(shù)值模擬，我們可以得到極其復(fù)雜問題的流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量(如速度、壓力、溫度、濃度等)的分布，以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況，確定旋渦分布特性、空化特性及脫流區(qū)等。還可據(jù)此算出相關(guān)的其他物理星，如旋轉(zhuǎn)式流體機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、水力損失和效率等。此外，與CAD聯(lián)合，還可進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等。研究流體流動(dòng)問題的體系

單純實(shí)驗(yàn)測(cè)試

單純理論分析

計(jì)算流體力學(xué)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可信，它是理論分析和數(shù)值方法的基礎(chǔ)。

局限性：

(1)實(shí)驗(yàn)往往受到模型尺寸、流場(chǎng)擾動(dòng)、人身安全和測(cè)量精度的限制，有時(shí)可能很難通過試驗(yàn)方法得到結(jié)果。

(2)實(shí)驗(yàn)還會(huì)遇到經(jīng)費(fèi)投入、人力和物力的巨大耗費(fèi)及周期長等許多困難。Important!

理論分析方法

優(yōu)點(diǎn):所得結(jié)果具有普遍性，各種影響因素清晰可見，是指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證新的數(shù)值計(jì)算方法的理論基礎(chǔ)。局限性：它往往要求對(duì)計(jì)算對(duì)象進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化，才有可能得出理論解。對(duì)于非線性情況，只有少數(shù)流動(dòng)才能給出解析結(jié)果。CFD方法克服了前面兩種方法的弱點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)—個(gè)特定的計(jì)算，就好像在計(jì)算機(jī)上做一次物理實(shí)驗(yàn)。例如，機(jī)翼的繞流，通過計(jì)算并將其結(jié)果在屏幕上顯示，就可以看到流場(chǎng)的各種細(xì)節(jié)：激波的運(yùn)動(dòng)、強(qiáng)度，渦的生成與傳播，流動(dòng)的分離、表面的壓力分布、受力大小及其隨時(shí)間的變化等。數(shù)值模擬可以形象地再現(xiàn)流動(dòng)情景，與做實(shí)驗(yàn)沒有什么區(qū)別。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)

流動(dòng)問題的控制方程一般是非線性的，自變量多，計(jì)算域的幾何形狀和邊界條件復(fù)雜，很難求得解析解，而用CFD方法則有可能找出滿足工程需要的數(shù)值解可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)值試驗(yàn)，例如，選擇不同流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行物理方程中各項(xiàng)有效性和敏感性試驗(yàn)，從而進(jìn)行方案比較它不受物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南拗?，省錢省時(shí)，有較多的靈活性，能給出詳細(xì)和完整的資料，很容易模擬特殊尺寸、高溫、有毒、易燃等真實(shí)條件和實(shí)驗(yàn)中只能接近而無法達(dá)到的理想條件。數(shù)值解法是一種離散近似的計(jì)算方法，依賴于物理上合理、數(shù)學(xué)上適用、適合于在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算的離散的有限數(shù)學(xué)模型，且最終結(jié)果不能提供任何形式的解析表達(dá)式，只是有限個(gè)離散點(diǎn)上的數(shù)值解，并有一定的計(jì)算誤差。它不像物理模型實(shí)驗(yàn)一開始就能給出流動(dòng)現(xiàn)象并定性地描述，往往需要由原體觀測(cè)或物理模型試驗(yàn)提供某些流動(dòng)參數(shù)，并需要對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。程序的編制及資料的收集、整理與正確利用，在很大程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)與技巧。因數(shù)值處理方法等原因有可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的不真實(shí)，例如產(chǎn)生數(shù)值粘性和頻散等偽物理效應(yīng)。CFD因涉及大量數(shù)值計(jì)算，因此，常需要較高的計(jì)算機(jī)軟硬件配置。理論分析成本最低結(jié)果最理想影響因素表達(dá)清楚缺點(diǎn)：局限與非常簡(jiǎn)單的問題數(shù)值方法成本較低：數(shù)值實(shí)驗(yàn)適用范圍寬缺點(diǎn)：可靠性差，表達(dá)困難實(shí)驗(yàn)測(cè)量可靠成本高

將三種方法有機(jī)結(jié)合，互為補(bǔ)充，必然會(huì)取得相得益彰的效果CFD：總體步驟給出物理模型（Physicalmodel/description)借助基本原理/定律給出數(shù)學(xué)模型（Mathematicalmodel)質(zhì)量守恒（MassConservation）能量守恒（EnergyConservation）動(dòng)量守恒（MomentumConservation）傅立葉定律（Fourier’sheatconductionlaw)菲克定律（Fick’smassdiffusionlaw）牛頓內(nèi)摩擦定律（Newton’sfrictionlaw）。。。。。。。出發(fā)點(diǎn)和基礎(chǔ)！

物理模型：把實(shí)際的問題，通過相關(guān)的物理定律概括和抽象出來并滿足實(shí)際情況的物理表征。比如，我們研究管道內(nèi)的流體流動(dòng)，抽象出來一個(gè)直管，和粘性流體模型，或者我們認(rèn)為管道內(nèi)的液體是沒有粘性的，使用一個(gè)直管和無粘流體模型.還有，我們根據(jù)熱傳導(dǎo)定律，認(rèn)為固體的熱流率是溫度梯度的線形函數(shù)，相應(yīng)的傅立葉定律就是導(dǎo)熱問題的物理模型。因此，不難理解物理模型是對(duì)實(shí)際問題的抽象概念，對(duì)實(shí)際問題的一種描述方式，這種抽象包括了實(shí)際問題的幾何模型，時(shí)間尺度，以及相應(yīng)的物理規(guī)律。

物理模型與數(shù)學(xué)模型在概念上的區(qū)別數(shù)學(xué)模型：對(duì)物理模型的數(shù)學(xué)描寫。

比如N-S方程就是對(duì)粘性流體動(dòng)力學(xué)的一種數(shù)學(xué)描寫，值得注意的是，數(shù)學(xué)模型對(duì)物理模型的描寫也要通過抽象，簡(jiǎn)化的過程。建立控制方程確立初始條件及邊界條件劃分計(jì)算網(wǎng)格，生成計(jì)算節(jié)點(diǎn)建立離散方程離散初始條件和邊界條件給定求解控制參數(shù)解收斂否顯示和輸出計(jì)算結(jié)果否確定邊界條件與初始條件初始條件與邊界條件是控制方程有確定解的前提，控制方程與相應(yīng)的初始條件、邊界條件的組合構(gòu)成對(duì)一個(gè)物理過程完整的數(shù)學(xué)描述。初始條件是所研究對(duì)象在過程開始時(shí)刻各個(gè)求解變量的空間分布情況。對(duì)于瞬態(tài)問題，必須給定初始條件。對(duì)于穩(wěn)態(tài)問題，不需要初始條件。邊界條件是在求解區(qū)域的邊界上所求解的變量或其導(dǎo)數(shù)隨地點(diǎn)和時(shí)間的變化規(guī)律。對(duì)于任何問題，都需要給定邊界條件。例如，在錐管內(nèi)的流動(dòng)，在錐管進(jìn)口斷面上，我們可給定速度、壓力沿半徑方向的分布，而在管壁上，對(duì)速度取無滑移邊界條件。對(duì)于初始條件和邊界條件的處理，直接影響計(jì)算結(jié)果的精度。劃分計(jì)算網(wǎng)格采用數(shù)值方法求解控制方程時(shí)，都是想辦法將控制方程在空間區(qū)域上進(jìn)行離散，然后求解得到的離散方程組。要想在空間域上離散控制方程，必須使用網(wǎng)格?，F(xiàn)已發(fā)展出多種對(duì)各種區(qū)域進(jìn)行離散以生成網(wǎng)格的方法，統(tǒng)稱為網(wǎng)格生成技術(shù)。不同的問題采用不同數(shù)值解法時(shí)，所需要的網(wǎng)格形式是有一定區(qū)別的，但生成網(wǎng)格的方法基本是一致的。目前，網(wǎng)格分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格兩大類。簡(jiǎn)單地講，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在空間上比較規(guī)范，如對(duì)一個(gè)四邊形區(qū)域，網(wǎng)格往往是成行成列分布的，行線和列線比較明顯。而對(duì)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在空間分布上沒有明顯的行線和列線。

對(duì)于二維問題，常用的網(wǎng)格單元有三角形和四邊形等形式；對(duì)于三維問題，常用的網(wǎng)格單元有四面體、六面體、三棱體等形式。在整個(gè)計(jì)算域上，網(wǎng)格通過節(jié)點(diǎn)聯(lián)系在一起。日前各種CFD軟件都配有專用的網(wǎng)格生成工具，如FLUENT使用GAMBIT作為前處理軟件。多數(shù)CFD軟件可接收采用其他CAD或CFD／FEM軟件產(chǎn)生的網(wǎng)格模型。如FLUENT可以接收ANSYS所生成的網(wǎng)格。若問題不是特別復(fù)雜，用戶也可自行編程生成網(wǎng)格。建立離散方程對(duì)于在求解域內(nèi)所建立的偏微分方程，理論上是有真解（或稱精確解或解析解）的。但由于所處理的問題自身的復(fù)雜性，一般很難獲得方程的真解。因此，就需要通過數(shù)值方法把計(jì)算域內(nèi)有限數(shù)量位置(網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)格中心點(diǎn))上的因變量值當(dāng)作基本未知量來處理，從而建立一組關(guān)于這些未知量的代數(shù)方程組，然后通過求解代數(shù)方程組來得到這些節(jié)點(diǎn)值，而計(jì)算域內(nèi)其他位置上的值則根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置上的值來確定。由于所引入的應(yīng)變量在節(jié)點(diǎn)之間的分布假設(shè)及推導(dǎo)離散化方程的方法不同，就形成了有限差分法、有限元法、有限元體積法等不同類型的離散化方法。

在同一種離散化方法中，如在有限體積法中，對(duì)流項(xiàng)所采用的離散格式不同，也將導(dǎo)致最終有不向形式的離散方程。對(duì)于瞬態(tài)問題，除了在空間域上的離散外，還要涉及在時(shí)間域上的離散。要涉及使用何種時(shí)間積分方案的問題。在后面將結(jié)合有限體積法，介紹常用離散格式。離散初始條件和邊界條件

前面所給定的初始條件和邊界條件是連續(xù)性的，如在靜止壁面上速度為0，現(xiàn)在需要針對(duì)所生成的網(wǎng)格，將連續(xù)型的初始條件和邊界條件轉(zhuǎn)化為特定節(jié)點(diǎn)上的值，如靜止壁面上共有90個(gè)節(jié)點(diǎn)，則這些節(jié)點(diǎn)上的速度值應(yīng)均設(shè)為0。這樣，連同在各節(jié)點(diǎn)處所建立的離散的控制方程，才能對(duì)方程組進(jìn)行求解。在商用CFD軟件中，往往在前處理階段完成了網(wǎng)格劃分后，直接在邊界上指定初始條件和邊界條件，然后由前處理軟件自動(dòng)將這些初始條件和邊界條件按離散的方式分配到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上去。給定求解控制參數(shù)

在離散空間上建立了離散化的代數(shù)方程組，并施加離散化的初始條件和邊界條件后，還需要給定流體的物理參數(shù)和湍流模型的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)等。此外，還要給定迭代計(jì)算的控制精度、瞬態(tài)問題的時(shí)間步長和輸出頻率等。在CFD的理論中，這些參數(shù)并不值得去探討和研究，但在實(shí)際計(jì)算時(shí)，它們對(duì)計(jì)算的精度和效率有著重要的影響。求解離散方程

在進(jìn)行了上述設(shè)置后，生成了具有定解條件的代數(shù)方程組。對(duì)于這些方程組，數(shù)學(xué)上已有相應(yīng)的解法，如線性方程組可采用Guass消去法或Guass-Seidel迭代法求解，而對(duì)非線性方程組，可采用Newton-Raphson方法。在商用CFD軟件中，往往提供多種不同的解法，以適應(yīng)不同類型的問題。這部分內(nèi)容，屬于求解器設(shè)置的范疇。判斷解的收斂性對(duì)于穩(wěn)態(tài)問題的解，或是瞬態(tài)問題在某個(gè)特定時(shí)間步上的解；往往要通過多次迭代才能得到。有時(shí)，因網(wǎng)格形式或網(wǎng)格大小、對(duì)流項(xiàng)的離散插值格式等原因，可能導(dǎo)致解的發(fā)散。對(duì)于瞬態(tài)問題，若采用顯式格式進(jìn)行時(shí)間域上的積分，當(dāng)時(shí)間步長過大時(shí)，也可能造成解的振蕩或發(fā)散。因此，在迭代過程中，要對(duì)解的收斂性隨時(shí)進(jìn)行監(jiān)視，并在系統(tǒng)達(dá)到指定精度后，結(jié)束迭代過程。這部分內(nèi)容屬于經(jīng)驗(yàn)性的，需要針對(duì)不同情況進(jìn)行分析。顯示和輸出計(jì)算結(jié)果線值圖：在二維或三維空間上，將橫坐標(biāo)取為空間長度或時(shí)間歷程，將縱坐標(biāo)取為某一物理量，然后用光滑曲線或曲面在坐標(biāo)系內(nèi)繪制出某一物理量沿空間或時(shí)間的變化情況。矢量圖：直接給出二維或三維空間里矢量（如速度）的方向及大小，一般用不同顏色和長度的箭頭表示速度矢量。矢量圖可以比較容易地讓用戶發(fā)現(xiàn)其中存在的旋渦區(qū)。等值線圖：用不同顏色的線條表示相等物理量(如溫度)的一條線。流線圖：用不同顏色線條表示質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。云圖：使用渲染的方式，將流場(chǎng)某個(gè)截面上的物理量(如壓力或溫度)用連續(xù)變化的顏色塊表示其分布。Fluent16.0啟動(dòng)界面Fluent16.0主界面計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域

水輪機(jī)、風(fēng)機(jī)和泵等流體機(jī)械內(nèi)部的流體流動(dòng)飛機(jī)和航天飛機(jī)等飛行器的設(shè)計(jì)汽車流線外型對(duì)性能的影響洪水波及河口潮流計(jì)算風(fēng)載荷對(duì)高層建筑物穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)性能的影響溫室及室內(nèi)的空氣流動(dòng)及環(huán)境分析電子元器件的冷卻換熱器性能分析及換熱器片形狀的選取河流中污染物的擴(kuò)散汽車尾氣對(duì)街道環(huán)境的污染食品中細(xì)菌的運(yùn)移計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的分支

有限差分法(FiniteDifferentMethod，F(xiàn)DM)

有限元法(FiniteEIementMethod，F(xiàn)EM)

有限體積法(FiniteVolumeMethod，F(xiàn)VM)

經(jīng)過四十多年的發(fā)展，CFD出現(xiàn)了多種數(shù)值解法。這些方法之間的主要區(qū)別在于對(duì)控制方程的離散方式。根據(jù)離散的原理不同，CFD大體上可分為三個(gè)分支：

有限差分法是應(yīng)用最早、最經(jīng)典的CFD方法，它將求解域劃分為差分網(wǎng)格，用有限個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)代替連續(xù)的求解域，然后將偏微分方程的導(dǎo)數(shù)用差商代替，推導(dǎo)出含有離散點(diǎn)上有限個(gè)未知數(shù)的差分方程組。求出差分萬程組的解，就是微分方程定解問題的數(shù)值近似解。它是一種直接將微分問題變?yōu)榇鷶?shù)問題的近似數(shù)值解法。這種方法發(fā)展較早，比較成熟，較多地用于求解雙曲型和拋物型問題。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的方法有PIC(Particle-in-cell)法、MAC(Marker-and-Cell)法，以及南美籍華人學(xué)者陳景廣提出的有限分析法(FiniteAnalyticMethod)等.有限差分法有限元法

有限元法是20世紀(jì)80年代開始應(yīng)用的—種數(shù)值解法，它吸收了有限差分法中離散處理的內(nèi)核，又采用了變分計(jì)算中選擇逼近函數(shù)對(duì)區(qū)域進(jìn)行積分的合理方法。有限元法因求解速度較有限差分法和有限體積法慢，因此應(yīng)用不是特別廣泛。在有限元法的基礎(chǔ)上，英國CA．BBrebbia等提出了邊界元法和混合元法等方法。

有限體積法是將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列控制體積，將待解微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分得出離散方程。有限體積法的關(guān)鍵是在導(dǎo)出離散方程過程中，需要對(duì)界面上的被求函數(shù)本身及其導(dǎo)數(shù)的分布作出某種形式的假定。用有限體積法導(dǎo)出的離散方程可以保證具有守恒特性，而且離散方程系數(shù)物理意義明確，計(jì)算量相對(duì)較小。1980年，S.V.Patanker在其專著《NumericaclHeatTransferandFluidFlow》中對(duì)有限體積法作了全面的闡述。此后，該方法得到了廣泛應(yīng)用，是目前CFD應(yīng)用最廣的一種方法。當(dāng)然，對(duì)這種方法的研究和擴(kuò)展也在不斷進(jìn)行，如PChow提出了適用于任意多邊形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的擴(kuò)展有限體積法。

有限體積法流體與流動(dòng)的基本特性一、理想流體與粘性流體粘件(viscocity)：流體內(nèi)部發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的內(nèi)部相互作用。流體在靜止時(shí)雖不能承受切應(yīng)力，但在運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)相鄰兩層流體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即相對(duì)滑動(dòng)速度卻是有抵抗的，這種抵抗力稱為粘性應(yīng)力。流體所具有的這種抵抗兩層流體間相對(duì)滑動(dòng)速度，或普遍說來抵抗變形的性質(zhì)，稱為粘性。

粘性大小依賴于流體的性質(zhì)，并顯著地隨溫度而變化。實(shí)驗(yàn)表明，粘性應(yīng)力的大小與粘性及相對(duì)速度成正比。當(dāng)流體的粘性較小（如空氣和水的粘性都很?。\(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度也不大時(shí)，所產(chǎn)生的粘性應(yīng)力比起其他類型的力(如慣性力)可忽略不計(jì)。此時(shí)，我們可以近似地把流體看成是無粘性的，稱為無粘流體(inviscidfluid)，也叫做理想流體(Perfectfluid)。而對(duì)于有粘性的流體，則稱為粘性流體（viscousfluid）。十分明顯，理想流體對(duì)于切向變形沒有任何抗拒能力。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出，真正的理想流體在客觀實(shí)際中是不存在的，它只是實(shí)際流體在某種條件下的一種近似模型。除了粘性外，流體還有熱傳導(dǎo)(heattransfer)及擴(kuò)散(diffusion)等性質(zhì)。當(dāng)流體中存在著溫度差時(shí)，溫度高的地方將向溫度低的地方傳送熱量，這種現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)。同樣地，當(dāng)流體混合物中存在著組元的濃度差時(shí)，濃度高的地方將向濃度低的地方輸送該組入的物質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。流體的宏觀性質(zhì)，如擴(kuò)散、粘性和熱傳導(dǎo)等，是分子輸運(yùn)性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)平均。由于分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，在各層流體間交換著質(zhì)量、動(dòng)量和能量，使不同流體層內(nèi)的平均物理量均勻化。這種性質(zhì)稱為分子運(yùn)動(dòng)的輸運(yùn)性質(zhì)。質(zhì)量輸運(yùn)在宏觀上表現(xiàn)為擴(kuò)散現(xiàn)象，動(dòng)量輸運(yùn)表現(xiàn)為粘性現(xiàn)象，能量輸運(yùn)則表現(xiàn)為熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。理想流體忽略了粘性，即忽略了分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量輸運(yùn)性質(zhì)，因此在理想流體中也不應(yīng)考慮質(zhì)量和能量輸運(yùn)性質(zhì)——擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)，因?yàn)樗鼈兙哂邢嗤奈⒂^機(jī)制二、流體熱傳導(dǎo)及擴(kuò)散

根據(jù)密度是否為常數(shù)，流體分為可壓(compressible)與不可壓(incompressible)兩大類。當(dāng)密度為常數(shù)時(shí)，流體為不可壓流體，否則為可壓流體。空氣為可壓流體，水為不可壓流體。有些可壓流體在特定的流動(dòng)條件下，可以按不可壓流體對(duì)待。有時(shí)，也稱可壓流動(dòng)與不可壓流動(dòng)。在可壓流體的連續(xù)方程中含密度，因而可把p視為連續(xù)方程中的獨(dú)立變量進(jìn)行求解，再根據(jù)氣體的狀態(tài)方程求出壓力。不可壓流體的壓力場(chǎng)是通過連續(xù)方程間接規(guī)定的。由于沒有直接求解壓力的方程，不可壓流體的流動(dòng)方程的求解有其特殊的困難。三、可壓流體與不可壓流體

根據(jù)流體流動(dòng)的物理量(如速度、壓力、溫度等)是否隨時(shí)間變化，將流動(dòng)分為定常(steady)與非定常(unsteady)兩大類。當(dāng)流動(dòng)的物理量不隨時(shí)間變化，即時(shí)，為定常流動(dòng)；當(dāng)流動(dòng)的物理量隨時(shí)間變化，即，則為非定常流動(dòng)。定常流動(dòng)也稱為恒定流動(dòng)或穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；非定常流動(dòng)也稱為非恒定流動(dòng)或非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)或或瞬態(tài)(transient)流動(dòng)。許多流體機(jī)械在起動(dòng)或關(guān)機(jī)時(shí)的流體流動(dòng)一般是非定常流動(dòng)，而正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可看作是定常流動(dòng)。四、定常與非定常流動(dòng)

自然界中的流體流動(dòng)狀態(tài)主要有兩種形式，即層流(laminar)和湍流(trubulence)。在許多中文文獻(xiàn)中，湍流也被譯為紊流。層流是指流體在流動(dòng)過程中兩層之間沒有相互混摻，而湍流是指流體不是處于分層流動(dòng)狀態(tài)。一般說來，湍流是普遍的，而層流則屬于個(gè)別情況。對(duì)于圓管內(nèi)流動(dòng)，定義Reynolds數(shù)(也稱雷諾數(shù))：。其中：u為液體流速，v為運(yùn)動(dòng)粘度，d為管徑。當(dāng)Re＜2300時(shí)，管流一定為層流;Re=8000~12000時(shí)，管流一定為湍流；當(dāng)2300<Re<8000，流動(dòng)處于層流與湍流間的過渡區(qū)。對(duì)于一般流動(dòng)，在計(jì)算Re數(shù)時(shí)，可用水力半徑R代替上式中的d。這里，R=A/x，A為通流截面積，x為濕周。對(duì)于液體，x等于在通流截面上液體與固體接觸的周界長度，不包括自由液面以上的氣體與固體接觸的部分；對(duì)于氣體，它等于通流截面的周界長度.五、層流與湍流CFD軟件結(jié)構(gòu)前處理器求解器后處理器一、前處理器定義所求問題的幾何計(jì)算域?qū)⒂?jì)算域劃分成多個(gè)互不重疊的子區(qū)域，形成由單元組成的網(wǎng)格對(duì)所要研究的物理和化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行抽象，選擇相應(yīng)的控制方程定義流體的屬性參數(shù)為計(jì)算域邊界處的單元指定邊界條件對(duì)于瞬態(tài)問題，指定初姑條件

一般來講，單元越多、尺寸越小，所得到的解的精度越高，但所需要的計(jì)算機(jī)內(nèi)存資源及CPU時(shí)間也相應(yīng)增加。為了提高計(jì)算精度，在物理量梯度較大的區(qū)域，以及我們感興趣的區(qū)域，往往要加密計(jì)算網(wǎng)格；在前處理階段生成計(jì)算網(wǎng)格時(shí)，關(guān)鍵是要把握好計(jì)算精度與計(jì)算成本之間的平衡。二、求解器求解器(solver)的核心是數(shù)值求解方案。常用的數(shù)值求解方案包括有限差分、有限元、譜方法和有限體積法等?？傮w上講，這些方法的求解過程大致相同，包括以下步驟：借助簡(jiǎn)單函數(shù)來近似待求的流動(dòng)變量將該近似關(guān)系代入連續(xù)型的控制方程中，形成離散方程組求解代數(shù)方程組各種數(shù)值求解方案的主要差別在于流動(dòng)變量被近似的方式及相應(yīng)的離散化過程。三、后處理器

后處理的目的是有效地觀察和分析流動(dòng)計(jì)算結(jié)果。隨著計(jì)算機(jī)圖形功能的提高，目前的CFD軟件均配備了后處理器(post-processor)，提供了較為完善的后處理功能，包括：●計(jì)算域的幾何模型及網(wǎng)格顯示●矢量圖(如速度矢量線)●等值線圖●填充型的等值線圖(云圖)●XY散點(diǎn)團(tuán)●粒子軌跡圖●圖像處理功能(平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等)

借助后處理功能，還可動(dòng)態(tài)模擬流動(dòng)效果(動(dòng)畫)，直觀地了解CFD的計(jì)算結(jié)果。商用CFD軟件的特點(diǎn)

功能比較全面、適用性強(qiáng)，幾乎可以求解工程界中的各種復(fù)雜問題。具有比較易用的前后處理系統(tǒng)和與其他CAD及CFD軟件的接口能力，便于用戶。快速完成造型、網(wǎng)格劃分等工作。同時(shí)，還可讓用戶擴(kuò)展自己的開發(fā)模塊。具有比較完備的容錯(cuò)機(jī)制和操作界面，穩(wěn)定性高