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初学者的CFD分析和在线模拟

来源:    发布日期:2019-05-07 15:12:07    作者:

   CFD是“计算流体动力学”的首字母缩写,顾名思义,它是流体力学的一个分支,利用计算机分析流体和物理系统的行为。CFD分析成为一种流行的解决方案,因为在将物理定律直接应用于现实场景以便进行分析预测时,难度越来越大。这一事实对于流体流动和传热工程问题尤其普遍。
CFD分析基础知识
流体力学和传热介绍
   流体力学是研究流体物理行为的科学:液体,气体和等离子体。因此,它涉及作用在流体上的力以及随之而来的内部场变化,例如速度,压力,密度和温度。
   另一方面,传热是研究热能如何产生,储存,运输和转化。它分析的主要机制是:
   热传导 :(扩散)热量在固体或流体等材料中的传播,从高温区域到较低温度区域。
   热对流:随着流体的流动传递热量。流体流动可以通过外部工作(强制对流)或浮力来驱动,浮力是在重力(自然对流)存在下具有不同密度的流体的运动。
   热辐射:通过电磁波产生和吸收热量。
   相变:通过沸腾,熔化,冷凝等过渡释放或吸收热量。
   用于流体流动和传热的物理定律用微分方程表示,大多数时候用许多相关变量表示。碰巧是两个场的一些方程是相似的; 例如,标量通过流场的扩散和温度的扩散。
   这些流体流动定律中最常见的是Navier-Stokes方程组。然而,由于它们的复杂性,只能在最简单的情况下才能解决这些方程式以获得精确解。
计算流体动力学如何工作?
   这是数值分析和计算机的用武之地。通过使用数值近似,CFD将全微分方程转化为线性方程组,然后求解这些方程以获得诸如速度,压力和温度等现场值,在有限(但通常很大)的问题域中的点数上。
   尽管获得微分方程近似解的数值方法已经存在了许多世纪,但计算机存储大量数值数据并对其进行快速操作的能力使得技术成为物理学家和工程师最实用的工具。同时,这意味着人们经常发现CFD在实际问题上的应用受到可用计算能力的限制。
   CFD分析允许对流体进行建模,因为它具有数值求解状态和物理行为方程的多功能性,以差分或显式形式表示。此外,由于传热问题具有至关重要的实际意义,任何称职的模拟工具都包括计算温度分布以及压力和速度的模块。此外,一些应用还可以包括用于弹性变形或化学反应的固体分析,以及其他非流体应用。
流体动力学模拟的一些典型用例包括:
   流过管道和附件​​,如阀门,三通和减速器,以预测压降,速度和涡流形成。
   车辆空气动力学,包括汽车和飞机,以预测阻力,升力和下压力。
   建筑物的风力工程,预测风力,涡流形成和行人舒适度。
   HVAC系统,用于评估管道的性能或优化人工或自然通风和能量消耗的热舒适性。
   换热器,预测传热和压降。
   电子冷却,预测自然和强制冷却策略的性能。
   风车,用于预测在给定风速下的叶片升力,速度和发电量。
   污染扩散和空气污染控制,洁净室设计。
   船舶和海上结构的水动力性能。
为了开始了解CFD分析的工作原理,下面列出了CFD问题的典型特征:
   该问题是在封闭的几何体上定义的,称为“边界”所包围的“域”。
   要模拟的现象是明确定义的,例如存在传热,湍流,化学反应,多相,多体等,具有已知的材料特性和状态方程的系数。
   已知初始值以及所考虑字段的边界上的值。这可能包括压力,流速,墙壁,温度,热源等。
   域的几何形状被分成称为“单元”的小基本形状。所有单元格的集合称为“网格”。单元格的大小将决定解决方案的精度(越小越好),但使用的数量将定义对计算机内存的需求(较小的单元格,计数越大,消耗的内存越多,解决方案的时间越长)过程将采取)。
使用CFD分析的主要行业
   以下是一些利用CFD分析能力的最具代表性的工业部门,以及他们为何这样做的简短说明:
汽车
   汽车行业将CFD用于许多应用,其中最重要的是车辆空气动力学。CFD分析用于预测阻力,下压力和对转弯/侧风流动的稳定性。其他汽车应用包括发动机燃烧和热性能,通风,废气等。这是一个模拟F1赛车空气动力学示例项目的链接。
航空
   在航空工业中,CFD的主要应用也是空气动力学,目的是优化升力/阻力比并研究不稳定性。这是一个关于飞机空气动力学的示例项目,该项目涉及模拟如何为气流和飞机性能提供有价值的见解。航空工业中用于模拟的其他重要领域包括通风和空气过滤。
制造业
   在制造业中,CFD用于研究冷却系统在消费产品中的性能,特别是那些使用电子产品的消费产品。以下是Raspberry Pi的示例项目 - 机箱设计。
为什么重要?
   随着产品开发周期越来越短,越来越多的产品依靠精确的性能来取得成功,数值模拟总是越来越重要。它能够通过快速,可靠和简便的工作流程进行精确的性能预测,即使在第一个原型制造之前,也可以直接从工程师的工作站进行优化。
   CFD仿真并不是这种趋势的例外,而且SimScale等产品以合理的价格提供了大量的计算能力和最佳的工作流程,没有复杂的软件和硬件安装的麻烦,这些优势可以被更多的公司所接受,即使是那些预算紧张的人。

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