CFD数值模拟（精选9篇）
CFD数值模拟 篇1
随着工业的发展，世界石油资源开始面临短缺，油价高位振荡，世界各国都在加强石油储备战略。储罐是油田、化工及其相关企业应用多而广的储液容器，是能源利用、再生产和供给的重要设施。随着储罐的发展和建设，各种布局多样的油罐建筑群大量涌现，由此带来了如安全、健康、节能等诸多风环境问题。例如油罐建筑群内过高的风速、过急的涡流将对管理人员造成不适，甚至带来危险;不当的油罐建筑布局使气流在油罐建筑群之间形成“涡流死角”，不利空气的流动及油气的排散，容易造成火灾等事故。因此，在规划设计阶段就对油罐建筑群风场做出预测和评价，以指导、优化油罐建筑群的规划与设计已显得十分必要。
目前，油罐建筑群流场的研究主要通过边界层风洞试验。随着计算机技术的发展，CFD技术已经在越来越多的领域应用于学术研究和工业实践。与传统的风洞试验相比，CDF技术更省时、花费更小[1]。因此，许多研究者利用CFD技术对建筑周围的流场进行了研究。周新华等[2]通过对建筑群的模拟，分析比较了不同湍流模型对风环境模拟的影响。张伯寅[3]通过建立试验室风洞物理模拟和数值模拟式计算，能够预报城市或小区或一个建筑物建成后对周边风环境的影响。黄春华[4]利用了计算机仿真的方法，对风绕建筑的室外风环境进行了研究，获得了流动可视化图形和风压系数的分布图。王彬[5]介绍了CFD的主要功能及建筑模拟中的发展概况。大部分文献提出了建筑风环境数值模拟的基本条件，但尚无对油罐建筑群风环境进行研究。
本文采用RNG k-ε湍流模型的数值模拟方法对油罐群体建筑周围的流场进行了模拟计算，得到的结论可供设计部门参考。
1 数学模型
1.1 基本控制方程
油罐建筑周围的流动风是大气边界层中的低速不可压缩湍流过程。油罐群流场的基本控制方程包括质量、能量和动量守恒方程，如果仅考虑稳态效应，则还需引入湍流封闭模型。本文仅列出了RNG k-ε湍流模型，基于该模型的湍流控制方程如下[4]:
式中:Ui(i=1,2,3)分别为沿坐标轴x,y,z方向的平均速度分量，k，ε分别为湍动能和湍能耗散率，P为平均压力，ρ为空气密度，cp为流体比热容;λ为导热系数。
1.2 计算方法及流场边界的设定
采用有限体积法对上述控制方程在整个流场计算区域进行离散，其中对流-扩散项的离散采用二阶迎风格式。
流场计算区域的网格划分采用了非结构化网格，先在建筑物壁面处布置较细网格以适应流场的变化，而外围则布置较粗网格，再由面到体对整个流场进行划分。罐体区域局部网格划分如图1所示。
来流水平风速采用沿高度指数律的分布规律，流入面的k和ε分别假定为:
出口处截面取在无回流处，采用压力型出口边界条件，其数学表达式为:xp=0。上空面及左右侧边界采用对称边界;地面及建筑壁面采用无滑移边界条件，其附近的切向速度、k及ε采用非平衡的壁面函数法计算，采用CFD软件实现上述网格划分和数值计算。
(2)通过采用合适的边界条件、离散的区域和方法，利用CFD的数值模拟方法能够较好地预测油罐和油罐群周围的风场。
3 计算结果分析
罐群由9个罐体组成，罐体高度15 m，罐体直径10 m，罐体间距20 m。不考虑罐体防火堤对油罐群风场的影响。采用RNG k-ε湍流模型进行数值模拟，其结果分别如图2和图3所示。
油罐群区域风速值的大小反映了油罐对当地风速的影响程度，通过图2可以看出，油罐群的风速场呈对称分布，在迎风面，距离油罐群越近，风速逐渐减小;而在油罐群的两侧，风速增加;在油罐群的正后方形成了负压区，风速减小。
通过图3可以看出，油罐群周围的温度变化很小，说明在湍流状况下，油罐群对周围环境温度的影响可以忽略。
4 结论
采用湍流模型的油罐两侧形成的涡流呈对称分布，整个计算区域的风场分布符合实际。通过采用合适的边界条件、离散的区域和方法，利用CFD的数值模拟方法能够较好地预测油罐群周围的风场。在湍流状况下，油罐群对周围环境温度的影响可以忽略。
摘要：采用RNG k-ε湍流模型,建立油罐群风环境模型。利用CFD软件FLUENT6.3对油罐群风环境进行模拟。研究结果表明:1)油罐群的流场呈对称分布,在迎风面,距离油罐群越近,风速逐渐减小;而在油罐群的两侧,风速增加;在油罐群的正后方形成了负压区,风速减小。2)油罐表面周围温度变化较大,但油罐群对周围大气热环境影响较小。
关键词：油罐,风环境,流场,CFD
参考文献
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[2]周新华,孟凡康,姜彦立.群体建筑风环境的三维数值模拟及分析.科学技术与工程2,007;7(14):3604—3606
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[4]黄春华,王汉青.建筑室外风环境的计算机仿真研究.采暖通风,2001;(3):73—74
[5]王彬,杨庆山.CFD软件及其在建筑风工程中的应用.工业建筑,2008;1:328—332
CFD数值模拟 篇2
根据新奥法原理并结合工程地质条件,采用全断面开挖施工,对隧道施工进行了数值模拟,就其模拟结果进行了详细分析,从而找出隧道施工中围岩及支护结构的应力应交发展变化规律.
作 者：何健 魏碧辉 谭张琴 HE Jian WEI Bi-hui TAN Zhang-qin 作者单位：何健,HE Jian(成都理工大学环境与土木工程学院,四川成都,610059)
魏碧辉,WEI Bi-hui(中铁二十一局集团第三工程有限公司,陕西成阳,71)
谭张琴,TAN Zhang-qin(成都理工大学,四川成都,610059)
刊 名：山西建筑 英文刊名：SHANXI ARCHITECTURE 年，卷(期)：2009 35(3) 分类号：U455 关键词：隧道 全断面施工 数值模拟 围岩 支护结构
CFD数值模拟 篇3
关键词：日光温室,CFD技术,数值建模,计算机数值仿真,流场分布
0引言
CFD是计算流体力学数值仿真的简称。近年来, 随着计算机软件技术的提高, CFD技术很快被应用到工程实践中。其中, GAMBIT是CFD技术常用的数值建模软件, 它可以根据真实环境的尺寸和模型进行建模。该软件凭借其结构化和非结构化网格的混合使用, 实现了网格的自动划分, 在网格划分方面有着比较大的优势。FLUENT是常用的数值分析软件, 它可以根据实际环境的温度、压力以及速度等参数进行数值仿真模拟, 通过FLUENT计算可以得到真实环境的温度、压力以及流场分布, 并将结果进行二维或者三维呈现。本文运用CFD技术, 以温室环境的仿真模拟为例, 进行了CFD数值仿真模拟, 并得到了一系列的仿真结果图, 为CFD技术在农业方面的应用提供了技术参考。
1 CFD计算机数值模拟研究现状
在计算流体力学仿真模拟中, CFD主要是研究气体的流动规律以及通风过程中气体的流动变化, 在这些方面国内很多学者进了大量的研究。2007年, 李艳菊运用FLUENT仿真模拟软件研究了实验室的气体速度场、浓度场、压力场的分布, 并通过数值仿真模拟对实验室的通风方案进行了优化。2010年, 程秀花利用CFD数值仿真模拟技术, 分别计算了温室低风速情况下的气流流动规律和温室高风速下的气体流动规律。2011年, 常丽娜流体计算湍流模型, 使用CFD数值模拟技术研究了温度和湿度受通风的影响情况。 2011年, 陈加浪运用CFD数值模拟技术对通风过程中高温低风速情况下的环境参数变化进行了仿真计算。
综上所述, CFD技术被广泛地应用到工程实践的很多方面, 但是农业方面的应用并不是很多。本文依据CFD数值仿真技术, 将以农业应用方面为例进行分析研究, 具体流程如图1所示。
图1为本文采用的CFD计算机数值模拟方案, 其主要以实验参数采集和数值模拟联合控制的方式来控制真实环境, 最终得到真实环境的最佳适宜参数。 图1中采用双重反馈调节模拟: 第1次反馈调节是通过风机进行通风去湿之后得到的新的外部环境参数, 将新参数带入到CFD数值模拟进行反馈调节; 第2次是将得到的外部环境参数再次进行通风, 从而得到最终的外部环境最佳适宜参数。
2CFD计算机数值模拟数学模型
CFD计算过程中主要涉及到气体流动方程以及能量方程的求解。其中, 能量方程的求解是最重要的, 因为气流的流动会受到温度的影响, 在计算流程分布之前首先需要进行能量的求解。对于方程的求解, 可以应用雷诺平均方法进行, 其主要思想是运用Navier-Stokes方程, 用平均量和脉动量来表示方程中的瞬时量。
其中, 和u'i表示速度的平均量和脉动量。其他标量也可以表示为
将上述两个公式带入到连续与动量方程中, 可以得到张量方程式为
这就是RNS仿真, 但是为了方程的封闭, 需要对进行模拟。一般运用Boussinesq假设的方法, 近似地认为平均速度梯度和雷诺应力具有正比例关系, 表达式为
对流传热传质模型中, FLUENT给出的能量方程为
其中, E表示总能量, ( τij) eff定义为
其中, ( τij) eff表示粘性加热, 耦合求解。对于气体湿度, 主要以湿度填充的百分数为依据, 对CFD数值模拟进行了算法编程。编程的主要程序如下:
3 CFD数值模拟在日光温室建模中的应用
为了验证本文提出的CFD数值模拟数学模型以及建模和网格划分处理方案, 本文以日光温室的湿度调节为例, 对CFD数值算法进行了分析研究。本文研究的日光温室为东西方向长度98m, 跨度8m, 下挖深度0. 8m, 后屋面角58°; 屋顶使用EVA塑料薄膜; 后墙为夯实的梯形土墙, 高3. 8m、顶厚1. 8m、底厚5. 8m。日光温室示意图如图2所示。
对于外部环境的采集, 使用了湿度记录仪器以及风速测量仪器。通过风速记录仪器来检测改变温室的通风情况, 用记录仪器记录下改变通风情况之后的湿度, 最后通过计算机进行汇总, 如图3所示。
表1表示下挖深度为0. 8m时的平均光照参数以及平均透光率, 以每小时为单位, 列出来不同时间段对应的平均光照参数和平均透光率。
如表1所示, 采集了几个光照比较强的时间段进行分析研究, 其中最大平均光照参数为36 028lux, 最大透光率为0. 72。根据温室的实体模型和参数, 本文采用GAMBIT建模软件对日光温室进行了建模, 得到了日光温室的模型图, 如图4所示。图4中, 后墙的中间部位采用风机通风的方式进行通风。
图5表示采用CFD常用软件GAMBIT进行的网格划分结构。本文采用非结构化四面体网进行整体网格划分, 并且在通风口处将局部网格进行加密处理, 最终划分的网格数为80 000。
图6表示通过CFD数值模拟计算得到的温室温度分布结果。由图6可以看出: 通过温室通风之后温度有了明显的变化, 温室最高温度由通风前的307K降低到了304K, 有了明显的改变, 验证了本文数值模拟计算机的准确性。
如图7表示通风前的湿度计算结果。由图7可以看出: 气流速度最大值仅为0. 175m /s, 不利于通风散热, 并且湿空气的分布范围比较广, 主要集中在温室的上方, 湿空气产生集聚, 对作物的生长不利。
图8表示通风后的湿度计算结果。由图8可以看出: 气流速度最大值达到了25m /s, 非常有利于通风散热; 并且湿空气没有产生集聚, 对农作物的生长非常有利。
4结束语
数值分析模拟试卷（九） 篇4
2．在用松弛法(SOR)解线性方程组时，若松弛因子满足，则迭代法______ ；
3．要使求的Newton迭代法至少三阶收敛，需要满足______ ；
4.设,用Newton迭代法求具有二阶收敛的迭代格式为______________ _ ；
求具有二阶收敛的迭代格式为__________________；
5．已知，则________,_____；
6.若，改变计算式=__________________，使计算结果更为精确；
7．过节点的插值多项式为____________ ；
8.利用抛物(Simpson)公式求= ． 二、（14分）已知方阵，(1)证明：
A不能被分解成一个单位下三角阵L和一个上三角阵U的乘积；
(2)给出A的选主元的Doolittle分解，并求出排列阵；
(3)用上述分解求解方程组，其中． 三、（12分）设函数在区间[0,1]上具有四阶连续导数,确定一个次数不超过3的多项式，满足，并写出插值余项． 四、（10分）证明对任意的初值，迭代格式均收敛于方程的根，且具有线性收敛速度． 五、（12分）试确定常数A，B，C和a，使得数值积分公式 有尽可能高的代数精度．所得的数值积分公式代数精度是多少？是否为Gauss型的？ 六、（12分）(1)试导出切比雪夫(Chebyshev)正交多项式 的三项递推关系式：
（2）用高斯—切比雪夫求积公式计算积分，问当节点数取何值时，能得到 积分的精确值？ 七、（10分）、推导常微分方程的初值问题的数值解公式：
CFD数值模拟 篇5
为了探求采空区瓦斯流动及分布规律, 目前可采用的研究方法有现场实测、模型试验、数值模拟等。很显然, 数值模拟方法相对于前两种方法具有较大的优势与先进性。但是, 数值模拟存在一个关键的问题, 即模拟结果的可靠性。现针对此问题进行初步的探讨。
1 理论基础
CFD模拟研究是为了得到流体流动控制方程的数值解法, 其基础是建立Navier-Stokes方程, 对质量和动量的守恒方程进行求解。在研究中, 采空区可以简化为多孔介质, 相对于标准的流体流动方程, 附加了动量源进行模拟[1,2,3]。此源由粘滞损失和惯性损失两部分组成。如果忽略对流加速度和扩散, 可用Darcy定律简化多孔介质模型:
式中, p为静压力, μ为分子粘度;α为渗透率;v为速度。
采空区气体运移的主控因素有浓度、热梯度造成的分子扩散, 以及由于压力梯度造成的粘性流或质量流。根据Fick定律, 扩散微分方程如下:
式中, ji为第i种气体的扩散流量;ρ为密度;DiT为热扩散系数;Din为混合气体的扩散系数;Xi为气体i的质量分数;T为温度。
在非稀薄的混合气体中, 可按下式计算:
式中, Mi为气体i的分子量;Mmix为混合气体分子量;Dij为对气体j中的气体组分的二元的质量扩散。
建立了采空区瓦斯流动模型的基本方程, 在确定模型的边界条件后, 可以运用数值解法求解即可得到采空区瓦斯流动及分布规律[4,5,6,7]。
2 分析模型及边界条件
2.1 K8206大采长综放面概况
阳泉三矿位于沁水煤田的东北边缘, 主采煤层为15#煤层。大采长K8206综放面即布置在15#煤层606水平的扩二采区, 工作面倾斜长252.2 m, 走向长1 579 m。绝对瓦斯涌出量0.8 m3/min, 相对瓦斯涌出量10.2 m3/t, 属于高瓦斯工作面。
通风方式为“U+尾巷抽出式”, 尾巷沿15#煤层顶板布置, 与回风巷的水平距离为20 m。采用走向高抽巷抽放上邻近层卸压瓦斯, 高抽巷基本沿11#煤层底板布置, 距15#煤层顶板50～80 m, 与回风巷水平距离为60 m。采用综放一次采全高的开采方法, 采高为2.8 m, 顶板管理采用全部垮落法[3]。
2.2 分析模型及边界条件
模型设计参数如下:计算区域为长252.2 m、宽110 m、高70 m的六面体。采煤工作面的体积为3m×4.5m×252.2m, 进、回风顺槽的体积为3m×4.5 m×10 m, 内错尾巷的体积为2 m×2 m×20 m, 内错尾巷相对工作面回风顺槽的水平距离为20 m, 垂直距离为5.85 m, 高抽巷的体积为2 m×2 m×20 m, 高抽巷相对工作面回风顺槽的水平距离、垂距为60 m。利用GAMBIT建立工作面三维模型, 将坐标原点定在模型低面左后侧的顶点, 如图1所示。
进风顺槽的面边界设置为VELOCITY-INLET, 回风顺槽、内错尾巷的边界设置为OUTFLOW, 将采空区设置为多孔介质区域。
欲对采动裂隙带的瓦斯浓度场进行数值模拟, 必须对采动裂隙带的多孔介质的渗透率e与瓦斯源相赋值。在FLUENT中:
式中, Dm为平均调和粒径, 取0.014～0.016 m;n为多孔介质孔隙率, 采空裂隙带内破碎煤、岩的碎胀系数在1.1～1.57之间[6]。
经计算, 压实区及采空裂隙带内n、e的取值如表1所示。
3考察标准
针对现场采用的U+尾巷型通风方式, 高抽巷抽采采空区和邻近层瓦斯的条件下的模拟结果建立了3条考察标准。
(1) 工作面在从进风巷到回风巷的倾向上瓦斯浓度分布呈逐渐升高的趋势。
(2) 工作面采用“U+尾巷型通风方式”, 高抽巷抽采采空区和邻近层瓦斯的条件下各条巷道的风量及瓦斯浓度值, 将数值模拟结果与之对比, 算出模拟数值的误差。
(3) 相关资料表明[1,2], 采空区的离层区内风流流态为紊流与过渡流并存, 压实区内风流流态为层流。采空区多孔介质内风流流态用雷诺数Re来判别。
式中, V为多孔介质内风速, m2/s;e为多孔介质渗透率, m2;v为运动粘性系数, 井下风流取14.6×10-6m2/s;Dm为取平均调和粒径, 取0.014～0.016 m。
试验表明, Re≤0.25为层流状态, 0.25
如果模拟结果与上述3条标准的误差满足工程要求, 则认为模拟结果是正确、可信的。
4 误差分析
(1) 工作面倾向上的瓦斯浓度分布规律如图2所示。图中, Y轴表示瓦斯浓度, 范围为0～1.4%;X轴表示工作面倾向长度, 范围为0～250 m。工作面的回风口在0处, 进风口在250 m处。
由图2中可以看出, 在工作面进风口处, 瓦斯浓度为0, 在工作面回风口处, 瓦斯浓度为1.2%。从进风口到回风口, 工作面的瓦斯浓度是逐渐升高的, 这与现场的情况是吻合的。在距离回风口10 m范围内, 工作面的瓦斯浓度有陡然升高的趋势, 分析其原因, 主要是采空区向工作面的漏风中带入了采空区高浓度的瓦斯。
(2) 图3描述了各个巷道中心线上的风速, 图4描述了各个巷道中心线上的瓦斯浓度。
将FLUENT中的数据导入EXCEL, 并整理如表2所示。
从各个巷道的风速来看, 模拟数据与现场的实测数据误差较小, 均在10%以下。从各个巷道的瓦斯浓度来看, 回风巷的模拟数据与现场数据的误差较小, 为6%, 内错尾巷与现场的数据误差较大, 为59.2%, 高抽巷瓦斯浓度的误差为25%。
(3) 图5、6分别描述了采空区中心压实区、离层区的风速。
由图5、6可知, 压实区风速范围为0.9 e-5～1.3 e-3 m/s, 离层区的风速范围为2.5 e-3～2.4 e-2 m/s。由公式 (5) 计算得出采空区压实区与离层区Re的范围分别为7.63e-3～5.28e-5和1.22e-1～1.17e+2。由此可知, 采空区压实区的风流流态为层流, 离层区风流流态为紊流与过渡流。
5 结论
以阳泉三矿K8206综放面为模型, 利用CFD数值模拟软件对其采空区瓦斯分布及流动规律进行了数值模拟研究, 建立了3条考察标准对模拟结果进行了误差分析, 分析结果表明, 采用CFD数值模拟的结果是可靠的, 与现场的实测数据是接近的, 其结果能够满足数值分析的要求。内错尾巷及高抽巷瓦斯浓度与现场实测数据的误差较大, 究其原因为采动裂隙带 (多孔介质的渗透率) 与瓦斯源相赋值存在一定问题, 可作进一步改进。
参考文献
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[2]凌志迁.大采长综放面瓦斯运移规律的数值模拟研究[D].徐州:中国矿业大学, 2008
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[4]王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社, 2004
[5]丁广骧.矿井大气与瓦斯三维流动[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1996
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CFD数值模拟 篇6
关键词：汽车散热器,CFD,有限元仿真,压力分析,流场特性
0 引言
散热器由进水室、出水室和散热器芯等三部分构成,主板与扁管通过钎焊实现散热器芯与水室的连接[1]。按散热器芯的结构形式,可分为板式、管片式、管带式散热器。管带式散热器散热效果好、质量轻、便于制造,广泛应用于轿车等轻型车辆上,但其强度、刚度较板式、管片式散热器差。
因散热器结构复杂,难以采用纯试验的方法分析散热器的结构强度、应力分布[2]。国内外学者往往采用静力学分析其应力,袁聿震等(2011)利用有限元计算管带式散热器各部件应力分布,散热器的主要失效形式是主片与散热管之间焊点的开裂[3];郭便(2015)经有限元仿真发现横装散热器容易出现裂纹的部位在主板与散热管焊接处[4];湖北汽车工业学院(2016)根据实际统计发现开裂主要部位是靠近边版位置的散热器芯管[5]。而计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)则主要用于实现对散热器性能的模拟,吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室(2011)利用局部完全仿真与多孔介质实现汽车散热器的传热性能模拟计算[6];李礼夫等(2014)提出多尺度汽车散热器模拟模型,散热性能仿真计算的相对误差低于5%[7];广州能源检测研究院(2015)基于滑移网格、流体体积函数计算水流流场变化引起的流量误差[8]。
本文以汽车散热器为例,应用CFD数值模拟技术,探讨不同入水室顶点角θ、入水口角度α的入水室压力分布、入水室与扁管连接处压力、散热器芯各扁管中点位置流速等特性,以期对汽车散热器入水室结构设计与可靠性优化起到一定参考作用。
1 汽车散热器建模与网格划分
针对汽车散热器实际设计结构的流域部分建立物理模型,由于当前多数车型油冷器设置于出水室中,出水口设于出水室边缘处,入水口设置于入水室的上侧中央,故以散热器为原型进行CFD模拟与优化设计。
仿真主要针对流域展开,故建模时将加强肋、导角等对几乎不影响流场的结构简化,并按照等流动面积、等水力半径将扁管简化为矩形管。图2为汽车散热器简化模型及优化设计参数示意图。当针对于某一车型散热器进行优化时,为满足装配,其散热器的长宽高无法改变,故以入水室顶点角α、入水口轴线与入水室平面夹角θ为设计可变参数,利用有限元计算得到入水室与扁管连接处压力(图2中截面A-A)、散热器芯各扁管中点位置流速(图2中截面B-B)评价其改变的效果。
利用ANSYS ICEM绘制网格,网格的最大尺寸为3 mm,网格类型为Tetra/Mixed。在ANSYS CFX中,设置流域为80℃的水,出、入水口处流速均为2 m/s,设置收敛标准为平均残差小于10-4,并且当进出、入水口几个预设监测点速度、压力都趋于稳定,可认为收敛并停止求解。
2 不同入水室顶点角流场特性分析
令α=90°,当改变入水室顶点角θ值为180°、170°、160°、150°、140°时,由图3不同顶点角入水室流速云图可见,随着θ减小,入水室中的涡流现象越弱。
图4为不同顶点角入水室主板与扁管连接处压力云图。可见最大压应力出现在受水流冲击一侧的入水口正下方连接处,并且入水室顶点角θ的改变对压应力的影响较小。
由不同结构入水室各扁管流速云图(图5)可知,流速峰值出现于入水口正下方扁管中,流速次峰值则出现于两侧扁管中。
图6为不同结构入水室各管道最大流速曲线[10],可见随着θ减小,各扁管流速的分布从“凸”形变化为“W”形,两侧管道的流速得到了一定程度的平衡,但中央处管道流速难以得到遏制。
则减小入水室顶点角θ,可以有效减弱入水室中的涡流现象、平衡两侧管道的流速,但不影响主板与扁管连接处的压力与中央管道的流速。
3 入水口角度流场特性分析
令θ=180°,由图7不同入水口角度的入水室流速图可见,入水口角度α越小,入水室中涡流现象越弱。
图8为不同入水口角度入水室主板与扁管连接处压力云图。可见随α减小,由于水流冲击引起的主板与扁管连接处压应力将逐渐降低。图9为不同入水口角度各扁管流速图。
图10为不同入水口角度各管道最大流速曲线,可见随α减小,中央管道流速将降低,但两侧管道流速上升。
则随入水口角度α减小,入水室中涡流现象变弱、主板与扁管连接处压应力降低、中央管道流速将降低,但两侧管道流速上升。
4 结论
通过对汽车散热器内部流场进行CFD仿真,分析入水室内部流场、入水室与扁管连接处压力、散热器芯各扁管中点位置流速得出以下结论。
①入水室顶点角θ减小,入水室中的涡流现象减弱、两侧管道的流速趋于均衡,但主板与扁管连接处压力、中央管道流速变化较小;入水口角度α减小,入水室中涡流现象减弱、主板与扁管连接处压应力降低、中央管道流速将降低,但两侧管道流速上升。
②若以入水室内部流场与散热器芯各扁管中点位置流速稳定、入水室与扁管连接处压力降低为目标,则散热器入水室的顶点角θ、入水口角度α可以转变为最优化问题。
③在其他流程工业中,通过加装流动调整器实现流场稳定,若将流动调整器应用于汽车散热器中,很可能能够获得比最优化结果更优的流场稳定性。
参考文献
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CFD数值模拟 篇7
1 理论基础
1.1 孔板流量计
图1中的(a)、(b)分别为标准孔板，两通道非标准孔板及管道的简图。由于这两类孔板都是因为流体通过孔板时因流通面积的突然收缩而加速，导致孔板前后产生压力差，故它们都可以通过测定孔板前后的压差来计算管道中的流量[7]，它们唯一的区别就是最小流通截面不一样。在已知有关参数的条件下，根据流动流体的连续性原理和伯努利方程可以推导出差压与流量之间的关系。其基本公式为
式中Qv———体积流量/m3·s-1;
C———流出系数;
β———直径比;
d———工作条件下节流孔直径/m;
Δp———差压/Pa;
ρ———流体密度/kg·m-3。
1.2 计算流体动力学
计算流体动力学(Computional Fluid Dynamics)，简称为CFD，主要是通过计算机数值计算和图像显示，对含有流体流动和对流传热等相关物理现象的系统来进行分析[8]。CFD最大的优点是它不受物理模型和实验模型的限制，能够给出全部流场范围内的详细信息，并能够模拟出实验所不能达到的条件等优点[9]。故CFD技术广泛应用于模拟流体的流动，并为其理论分析和实验研究提供新的思路。
2 数值模拟
2.1 建模，网格划分
利用孔板轴对称性的特性，在圆柱坐标系下建立它们1/2的实体模型，取压方式采用D-D/2取压，截面积比是指开孔截面积与管道截面积之比(见表1、表2)。根据标准孔板流量计的安装要求，孔板前直管段长度为10D，后直管段长度为5D。本文所用的流体介质为常温的液态水。
为了获取孔板前后详细的流场变化情况，首先在壁面附近划分边界层网格，并对靠近孔板的网格进行局部加密，离孔板越远，网格越稀。
2.2 边界条件及模型的求解
该模型的边界条件包括速度入口、压力出口，轴对称边界以及无滑移的壁面边界。本文选用Standard k-ε湍流模型，并在近壁面区域采用标准壁面函数(Standard Wall Function)进行处理。在求解离散方程组的压力速度耦合时选择了SIMPLE算法，动量和湍流动能分别采用的是二阶迎风与一阶迎风的差分格式。该模型的控制方程为
式中k———湍动能;
ε———湍动耗散率;
μt———湍动粘度
Gk———由层流速度梯度而产生的湍流动能;
3 结果分析
3.1 流出系数C
流出系数C定义为通过孔板的实际流量值与理论流量值的比值，它与管道内雷诺数的大小、截面积比，取压方式以及管道情况等众多因素有关[10]。在选用孔板流量计时，应保证它的测量范围落在流出系数C为常数的范围内，这样才能确保流量测量的准确性。因此流出系数C是评价孔板流量计性能至关重要的参数[11]。在GBT 2624-2006中流出系数C用Reader-Harris/Gallagher(1998)公式[12]进行计算
式中β———直径比;
ReD———根据D计算出的雷诺数。
对于D与D/2取压，L1=1,L'2=0.47。数值模拟结果与公式(6)计算的结果进行比较，经计算得两种孔板的最大相对误差分别为5.38%,2.39%，这说明了数值模拟的准确性。
在实际的应用中，孔板的临界雷诺数越小，它的测量范围就越宽。故可以改变这类两通道非标准孔板中心的流通截面和周边的环形流通截面的尺寸以及位置来确定最优形状的孔板，使得临界雷诺数尽可能的小，以增大流出系数的常数区范围。在图3中几种非标准孔板的流出系数都比相应的标准孔板大，并且某些尺寸的非标准孔板的流出系数较标准孔板能在较小的雷诺数下达到稳定，这说明它们有更宽的应用范围。而编号4#的孔板具有最小的临界雷诺数，使得它在低雷诺数下测量时也有较高的重复性。
3.2 速度流场与压力流场
通过Fluent模拟了几种不同孔板前后的流场变化，由模拟结果可知流束经过不同孔板后速度都明显增大，当距离孔板一段距离后速度恢复正常，压力相应降低。根据孔板流量计的工作原理可知这是由于管道流通截面积的突然缩小，迫使流体的部分压力能转换为动能。经计算可得，编号3#,5#,6#,7#孔板比相应的标准孔板的永久压降分别降低了8.71%,12.81%,10.99%,10.1%,4#孔板却升高了7.67%。
从图4可以看出两通道非标准孔板后的流场更为稳定，压力恢复更快，这可能是因为周边的环形流通截面起到了整流的作用，从而减少了孔板后涡流的形成和紊流的摩擦、振动。并且4#孔板压力恢复得最快，对直管段的要求最低，故能省去大量的管道费用。因此这类孔板既能在管道费用方面减少开支，并且还能降低能量耗费，是一类节能的非标准孔板。
图5中孔板的永久压降在雷诺数为103到106的区间范围内增加的非常缓慢，当雷诺数大于106后，孔板的永久压降急剧上升，这说明孔板流量计在一定雷诺数范围内工作时比较经济。经计算还可知孔板下游压力恢复点离孔板上游端面的距离Z在雷诺数较小时随着雷诺数的增加而不断变大，当雷诺数达到一定数值时，压力恢复点的距离便维持在一个稳定值。
标准孔板的流线图前直管段速度分布较均匀，之后所有流体集中到唯一的中心孔，从而导致在孔板下游靠近壁面附近的区域有一个被拉长的漩涡。两通道非标准孔板在前直管段的流线与标准孔板的一样，但当流束流经非标准孔板后被分成两股射流，不仅在近壁面有回流区而且在环形流通截面与中心孔道流通截面之间也有漩涡的存在，但总体来说两通道非标准孔板的漩涡少于标准孔板的。孔板的压力损失之所以很高主要是因为这些涡流的能量耗散所造成的[13]，故两通道非标准孔板的压力损失较标准孔板的小。而近壁面回流区与射流之间的回流区的大小主要取决于中心孔与周边环形截面的尺寸。
4 结论
在本文中，通过CFD模拟了一类两通道的非标准孔板与标准孔板的运动流场，并通过改变非标准孔板中心孔和周边环形流通截面的尺寸与位置，确定了这类孔板的较优结构参数。探究了孔板的流出系数与雷诺数的关系，由模拟结果可知两通道非标准孔板既能在管道费用方面减少开支，又能降低能量耗费，故这类孔板较标准孔板能节约较大的运行成本，并且某些性能在一定程度上优于标准孔板。在实际应用中我们可根据不同的需求选择不同的孔板。
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CFD数值模拟 篇8
虽然航空推进技术早已进入喷气时代,但在航空发展史上起着重要作用并产生拉力的气动部件———螺旋桨并没有退出航空领域。涡轮螺旋桨发动机在低亚音速飞行时拉力大、推进效率高、经济性好,这使得其在运输机领域有着不可替代的地位。国内外大多数小型民用低速飞机至今仍然普遍采用螺旋桨推进,如国产的运七、运八、新舟60、新舟600等。此外,螺旋桨飞机还具有低速飞行时升力大,起飞、着陆时的飞行速度低的优点,这使得以螺旋桨发动机为动力的飞机对跑道的依赖程度较低,螺旋桨飞机的这些特性使其在军用运输机和支线客机领域有着广阔的应用前景。
以螺旋桨发动机为动力的飞机的应用前景日益广阔,因此深刻地认识、预测和处理螺旋桨动力部件的气动性能显得格外重要。随着计算机技术的不断提高,计算流体力学(CFD)得到了很大的发展,人们开始使用CFD方法对螺旋桨滑流进行数值模拟,为了能够真实模拟螺旋桨旋转时的非定常效应,本文基于动态结构网格搭接技术,以非定常欧拉方程和雷诺平均NS方程作为控制方程,运用双时间方法,对单独螺旋桨非定常流场进行了数值模拟。
1数值求解方法
1.1控制方程
本文对单独螺旋桨性能参数进行了黏性流动数值模拟,控制方程采用三维雷诺平均NavierStokes方程[1],其形式如下,在进行无黏流动模拟时采用的欧拉方程是忽略下述方程中的黏性项。
其中,Q为守恒量,E、F、G为无黏通量,Ev、Fv、Gv为黏性通量,在流场求解中,采用格心格式的有限体积法对控制方程进行空间离散,黏性项采用中心差分格式离散,无黏项采用Roe三阶迎风偏置通量差分裂方法离散。同时,计算中采用SA湍流模型。
1.2时间推进
为了提高非定常数值模拟的时间计算精度,采用双时间方法[2]对上述控制方程进行物理时间推进,即在冻结的真实时刻点上引入类似牛顿迭代的虚拟时间迭代过程,具体如下:
对上述控制方程采用向后差分方法对时间导数项进行离散
引入虚拟时间项τ并进行离散
其中,,m表示子迭代步数,φ和φ'用来控制真实时间项和虚拟时间项的计算精度。
2计算模型及网格生成
计算采用的单独螺旋桨模型由一个中心体和直径为4 m的六桨叶构成,如图1所示。由于螺旋桨高速旋转,而中心体静止不动,所以本文采用动态搭接技术[3]来实现螺旋桨的旋转模拟,在生成计算网格时采用一个适当厚度的圆柱体将螺旋桨包围起来。图2给出了圆柱体的尺寸。这样在计算定义中会出现两个区域:包含螺旋桨的旋转域和包含中心体的静止域,旋转域和静止域通过滑移交界面(圆柱体的表面)进行流场信息的传递和交换。
计算时采用了两套结构网格策略:针对全部外形生成多块点对点搭接计算网格,图3(上);针对全部外形生成多块非点对点搭接网格,包含桨叶的圆柱体与周围相邻的计算空间形成非点对点的面搭接,图3(下)。
3 计算结果分析
3.1 不同网格策略计算结果分析
图4和图5是在相同风速、不同转速下,本文两套计算网格采用N-S方程数值模拟的螺旋桨性能参数。从图中可以看出,两套网格计算的拉力系数和功率系数非常接近,与试验整体趋势符合很好,都随着螺旋桨转速的增加而增大,但是与试验值整体存在一个平移量。本文认为这一现象主要是由于计算中采用了动态搭接技术,当螺旋桨旋转的时候,旋转域和静止域之间通过插值技术在滑移面上实现流场信息的传递,这种插值技术在进行螺旋桨的非定常数值模拟时会对计算精度产生一定的影响。
3.2 不同数值方法计算结果分析
图6和图7分别给出了相同风速、不同转速下,点搭接网格采用两种不同数值方法模拟的螺旋桨拉力系数和功率系数。可以看出,Euler方程和N-S方程计算的整体趋势都与试验值吻合很好,尤其是在小转速时,Euler方程计算的功率系数基本和试验值吻合,但是Euler方程的计算结果整体上大于N-S方程,这主要是由于Euler方程在数值模拟过程中忽略了气流的黏性效应。
图8和图9分别是在螺旋桨转速为2 000转/分和3 415转/分时,点搭接网格计算的螺旋桨后X=1.5R(R为螺旋桨的半径)处轴向速度和周向速度时均值的径向分布,所有速度都用自由来流速度进行了无量纲化。从图8和图9非定常Euler方程和N-S方程滑流速度分布来看,桨叶表面的黏性只使滑流速度稍微减小一点点,(Euler的拉力系数比N-S的约大2.3%)。从整体来看,在小转速、大前进比和大转速、小前进比下,两种数值方法模拟的轴向速度和周向速度分布符合较好,从而表明在计算螺旋桨非定常流场时,用Euler方程就可以满足计算需求,这样大大减小了计算时间,提高了计算效率。对图8和图9进一步比较分析发现,随着螺旋桨转速的增大,轴向速度和周向速度都相应地增大,这也进一步解释了本文3.1中的螺旋桨拉力系数和功率系数随着转速的增加而增大这一现象。
3.3 攻角对螺旋桨气动特性的影响分析
单个桨叶在旋转过程中所经历的非对称流对单个桨叶以及螺旋桨整体的受力都有很大的影响,而非定常计算能够给出力的发展过程细节分析。本文图10主要给出了马赫数为0.102 9,转速为2 000转/分,攻角分别为0度和10度时,单片桨叶旋转一个周期所产生的拉力系数和转矩系数,其中分别用攻角0度时的拉力系数和转矩系数进行了无量纲化。
在攻角0度时,单片桨叶在一个旋转周期内产生恒定的拉力系数和转矩系数,如图10中的虚线所示。而攻角10度时的拉力系数和转矩系数则都呈现出一个周期性的正弦曲线,从图10(上)的实线可以分析出,单片桨叶的最大拉力系数出现在115度,此时桨叶处于向下旋转,最小拉力系数出现在290度,此时桨叶处于向上旋转。而图10(下)的实线则显现了单片桨叶的最大转矩系数出现在113度,此时桨叶处于向下旋转,最大转矩系数出现在290度,桨叶处于向上运动。通过图10的对比分析,可以看出迎角的增加对单片桨叶和整个螺旋桨都有明显的影响,这主要由于当螺旋桨旋转轴和自由来流速度不在同一个方向上时,自由来流速度会在旋转平面方向产生一个速度分量,这部分速度分量的大小依赖于螺旋桨迎角和桨叶方位角,当桨叶旋转的时候,对于单片桨叶这就会导致一个变化的当地迎角和相对速度,而这种变化在桨叶向下旋转时会变得更加剧烈明显,所以在有攻角的情形下,单片桨叶的拉力系数和转矩系数会呈现出周期性曲线,而且桨叶向下旋转时会产生更大的拉力系数和转矩系数[4]。
4 结论
本文运用基于结构网格的动态搭接网格方法对单独螺旋桨滑流进行了数值模拟,主要得出以下结论:
(1) 动态网格搭接技术能够较好地模拟非定常螺旋桨的性能参数,通过分析点搭接网格和面搭接网格对计算结果的影响,进一步验证了动态搭接网格技术的可行性和正确性;
(2) 螺旋桨的拉力系数和功率系数都随着螺旋桨转速的增加而增大,当转速由2 000转/分增加到3 800转/分时,拉力系数约增加了31%,功率系数约增加了33%;
(3) 对螺旋桨性能参数进行数值模拟时,采用Euler方程就能够满足工程精度的需求,这样在很大程度上缩短了计算时间,提高了计算效率;
(5) 攻角的增加对单个桨叶和整个螺旋桨的性能参数都有明显的影响。攻角0度时的拉力系数和转矩系数都是恒值,而在攻角10度时的拉力系数和转矩系数都呈现出周期性的正弦曲线。
摘要：针对单独螺旋桨模型,基于动态结构网格搭接技术,采用CFD方法对其非定常流场进行了数值模拟。首先针对全部外形生成多块点搭接和面搭接两套计算网格,通过分析两套网格的计算结果,验证动态网格搭接技术的可行性和正确性,得出螺旋桨性能参数随转速的变化规律。在此基础上分析了雷诺平均NS(RANS)方程和Euler方程的数值模拟结果。最后研究了攻角对单独螺旋桨性能参数的影响。研究结果表明:动态网格搭接技术能够很好地模拟非定常螺旋桨的性能参数。螺旋桨的拉力系数和功率系数都随着转速的增加而增大。对螺旋桨非定常流场进行数值模拟时,采用Euler方程就能够满足工程精度的需求。攻角0度时单片桨叶的拉力系数和转矩系数都是恒值,而在攻角10度时却都呈现出周期性的正弦曲线。
关键词：螺旋桨,动态网格搭接,Navier-Stokes方程,Euler方程,非定常方法
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CFD数值模拟 篇9
一、CFD数值模拟在项目驱动实践教学中的优势
根据课程教学任务及其特点, 选择适用的教学方式是提高教学效果的关键。传统的教学模式以教师授课为中心, 注重基础理论知识的传授与讲解。在教学过程中, 教师往往花费大量的时间和精力介绍计算流体力学的基本原理并进行相关理论公式的推导, 学生并不能理解计算流体力学的工程应用背景和意义, 学生所接受的理论知识绝大部分来源于授课教师的灌输。
由于计算流体力学课程涉及内容的复杂性, 传统的教学方法与手段, 使得教师和学生在此课程的讲授和学习中都遇到一定的困难和问题。涉及基本方程和数值方法公式推导的部分, 传统的板书教学方式可使学生对推导过程进行逻辑思维, 对推导得到的公式和结果也会更加印象深刻。对于比较复杂、抽象的教学内容以及公式的应用, 则可借助计算机仿真平台的方式进行辅助教学, 让学生直观地了解不同公式的应用过程和数值模拟结果。由于流体力学控制方程一般是非线性的, 只有极少数情况下才能得到解析解, 与工程相关的复杂流体力学问题几乎不能得到解析解, 而实验研究一般是在模拟条件下完成的, 几乎所有的地面实验设备都不能完全满足所有参数和相似定理的要求。通过CFD数值模拟技术, 可以设计一些虚拟的实验, 过程中可选用不同公式模型和数值方法, 数值模拟所得的结果直观, 弥补了理论教学内容的不足。
项目驱动教学, 或称项目驱动下的学习、基于项目的学习, 是一种以学生为中心的教育方式。要求学生通过一系列个人或合作完成的任务, 借助他人 (包括教师和学习伙伴) 的帮助, 利用必要的学习资料, 解决现实中的问题, 获取知识和技能[1]。在项目驱动实践教学中, 借助CFD数值模拟形象的模型分析与演示, 既便于教师对计算流体力学应用于工程问题的知识讲述, 又使学生对计算流体力学理论知识有更加深刻的理解。
二、CFD数值模拟在项目驱动实践教学应用中的关键问题
1.根据计算流体力学教材, 结合学生的具体学习情况, 对某些重点、难点以及不宜课堂讲解的地方, 考虑能否应用CFD数值模拟进行辅助教学。在教学过程中, 需要根据具体的教学内容选择恰当的项目案例, 结合传统教学方法与现代教学方法, 使其发挥各自优势才能获得更好的教学效果。
2.在教学过程中, 向学生展示CFD数值模拟在计算流体力学领域的前沿应用、经典案例。在课程教学中可以随时调用视频录像或仿真软件, 将计算流体力学的一些前处理、流场计算和后处理等复杂问题进行动态仿真演示。这样可以激发学生利用相关数值模拟软件对理论知识进行进一步的学习的积极性和主动性, 为后续课程设计、毕业设计乃至展开创新创业项目打下基础。
3.选取若干具体案例为“项目”任务以达到对前一阶段课堂讲授知识、技能传授的总结与升华;项目内容中含有学生从来未遇到的问题, 需要具备有一定难度。应用CFD数值模拟软件建立计算流体力学仿真分析实例库, 这样老师就可以方便地进行讲解, 并给学生提供直观、形象的过程与结论, 学生理解起来会更容易。
三、CFD数值模拟在项目驱动实践教学的应用案例
1.概念设计。气力输送过程非常复杂, 过去和现在多依靠试验数据、经验数据来解决问题。对一般粉体材料, 在经验数据充分时, 可以得到比较可靠的结果。传统方式靠人工计算过于费时间, 现在可以利用计算机进行数值模拟, 能较快地得到计算结果。计算机能在较短的时间内绘出初步的图纸, 因此在粉体的气力输送过程中能做更多的方案比较, 使设计更加合理。数值模拟可以提供一些实验测量中无法提供的数据。在概念设计阶段, 老师和学生进行项目的讨论。教师起初先不必框定具体的设计内容, 而是要引导学生根据工程应用的实际情况进行头脑风暴, 获得设计的大方向, 进而指导学生进一步通过阅读文献和资料收集, 确立实施思路和初步的方案, 获取可借鉴的工程案例。
2.详细设计。在详细设计阶段, 教师需要预先讲授CFD数值模拟工具的使用, 以Fluent为例, 该软件是目前国际上比较流行的商用CFD软件包, 它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能, 在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。在这个阶段, 学生通过对现场气力输送过程的调研资料和文献资料, 结合气力输送设备工艺特点, 利用计算流体力学仿真软件Fluent建立可靠的气力输送三维数学模型。对所建立的数值模拟模型进行网格划分, 如图1所示, 在此过程中, 教师可以为学生讲解计算域离散成网格点的过程。在此基础上, 利用所建立的气力输送三维数学模型对飞灰的气力输送进行数值模拟, 将数值模拟结果和实验测量值进行对比, 由此对所建立的数学模型的可靠性和适用性进行验证。
3.发现问题。项目驱动的教学中教师需要着重引导学校在工程应用中发现问题, 挖掘导致问题产生的根源, 在CFD模拟过程中, 要确定边界条件、数学模型和求解方法。气力输送属于大型工业输送物料设备, 虽然输送管道几何形状简单, 但是总长度较长, 并且管道内的输送过程涉及到固相和气相相互作用、物料颗粒湍动粘度以及颗粒间的相互碰撞, 过程非常复杂。在此过程中, 老师可以为学生讲解各种边界条件的优缺点以及选择依据、数学模型的原理和应用范围、求解格式的选择及相应的计算方法和方程。
4.改进设计。将模型预测结果与实验测量值进行分析和比较, 分析边界条件、数学模型和求解方法对结果产生的影响, 通过查阅文献了解最新CFD数值模拟技术和方法, 并尝试应用到项目驱动实践教学中, 提高数值模拟预测结果的准确性。可以利用该数值模拟数据研究气力输送旁管道内压降随着颗粒直径、颗粒密度的变化规律, 并通过改变旁通管几何比以及壁面粗糙度的大小, 研究管道结构和管道特性对压降的影响。
从“概念设计”、“详细设计”、“发现问题”和“改进设计”这几个项目驱动的实践教学环节可以看到, 项目驱动式教学的最主要的特征就是教师引导学生通过寻找完成工作任务的途径与方法, 围绕工作项目完成调查研究、网络信息搜集、文献查阅、个人独立思考、讨论答辩、团队合作学习等各项相关的实践与创造活动[2]。
在实施过程中, 教师应引导学生查阅资料获取类似项目的技术路线、解决方案与相关专业知识点, 对错误明显的方案做适当的引导、纠正, 使方案尽量集中在合理的范围之内[3]。需要选择贴近实践的项目案例, 将CFD数值模拟软件融入到分组学习和应用指导的整个过程, 使学生在项目学习及完成过程中加深对理论知识的理解及实际应用, 提升学生分析问题、解决问题的能力。
四、结束语
项目驱动教学在实施的过程中, 表现出以项目为本位、以学生为主体的重要特征。教师教授和引导的是项目实施所需的技能、系统知识和应用知识, 最终考核的是学生对知识的理解、应用、创新和总结。将CFD数值模拟技术应用到计算流体力学理论教学, 可以使教学质量得到明显提高, 可以帮助克服客观实际条件对理论教学的制约, 加深学生对理论知识的理解, 并激发学习和研究的兴趣。
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