流体力学CFD简介

guolvfenlitech6 · 发表于 2022-7-22 06:51:07

2022-07-22 环球过滤分离技术网 guolvfenlitech6

计算流体力学CFD与实验室设计

有这么一个传统故事：有一年黄河发水把一个镇河铁牛冲走了，过了些时间，当地人下河打捞无果，顺流向下寻找也踪迹不见，最后却在上游找到了。有关这个现象的解释是：铁牛很重，水流冲不动它，但会掏空铁牛前部的泥沙（姑且定义此方向为铁牛前部），于是铁牛就往前面的坑里倾倒，长此以往，铁牛就滚到上游去了。对于解释是完全正确的，但是问题是：水流是如何掏空重物前部的泥沙的？

首先我们先介绍流体力学广为人知的伯努利方程

表达式为：

如果我们不考虑高度变化的话，即静压与动压守恒。静压即P，我们通常认为的压力。而动压与速度相关，为，速度越大，动压越大。

此外，还需要了解流动边界层的概念。以河水为例，河水经过河底时，速度不是均匀的。由于粘性的作用，紧挨着河底的水是接近静止的，随高度增加，河水速度增加。换句话说，河底的水流动压更小。

知道了上述两点就可以很好解释这个现象了，铁牛的上部流水速度从比较大的速度逐渐减小，而铁牛底部也就是河底动压减小的非常少（因为河底的水流流速本来就很低，接近于0）。由此得知，上部损失了更多的动压，那么根据伯努利方程，铁牛上部的静压要大于底部的静压。此时流体将沿表面从上往下流动。而就这一情况，河水并不是在铁牛的表面突然停止，在铁牛的前方就已经开始减速了，所以这个作用会发生在整个铁牛前方的流场中。

这样，水流就会逐步掏空铁牛前方的沙子！

简单介绍流体力学的发展+

流体力学主要研究流体（液体和气体）在静止或运动时的基本规律，以及流体与所接触的物体之间的相互作用。

01古代流体知识经验：是人们在观察和利用物体在水和空气中运动时的相互作用力的基础上建立起来的。约在公元前500～前400年，中国的《考工记》就记载了箭在空气中的运动状况。公元前300多年希腊哲学家亚里士多德的名著《物理学》也阐述了空气对抛射体的推动作用。在此后一千多年，流体力学没有重大发展。
02欧洲文艺复兴以后，欧洲的数学家以及物理学家逐步发现丰富了流体方面的理论。15世纪意大利的科学家列奥纳多·达芬奇最先指出运动着的物体头部因空气被压缩而受到阻力。1687年，英国物理学家牛顿从理论上推导出阻力平方定律，他还提出了牛顿内摩擦定律。

03学科建立：18世纪伯努利与欧拉。

1738年，瑞士数学家丹尼尔·伯努利建立了压力势能、位势能与动能之间关系的伯努利原理。

1755年，瑞士数学家L.欧拉最先导出了流体连续性方程，并导出无粘性流体的运动方程即欧拉方程。

04

19世纪中叶以后流体力学飞跃：

1883年，英国物理学家雷诺发现粘性流体流动有两种不同的流动形态──层流和湍流，提出了考虑粘性影响的流动相似的无量纲参数──雷诺数。

1904年，德国物理学家L.普朗特建立了边界层理论，简化了纳维-斯托克斯方程。

1939年，美籍匈牙利力学家 T.von卡门与中国科学家钱学森建立了卡门-钱学森公式，对空气动力学的发展有重要贡献。钱学森对稀薄气体动力学也有创见。

流体力学的原理和公式都是以积分或者微分的形式存在，一直很难得到实际的求解和应用，直到计算流体力学的出现和计算机的发展，流体力学才得到非常广阔的应用。在介绍计算流体力学之前请观看一段利用CO对实验室房间进行示踪气体模拟。

计算流体力学+

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics ,以下简称CFD）是用离散化的数值方法通过电子计算机对流体无粘绕流和粘性流动的传质、传热问题进行数值模拟和分析的学科，是计算力学的一个分支。CFD方法与实验研究方法相比具有不可比拟的优势：经济性好、成本低，不需要搭建实验台及购置实验设备；研究周期短、速度快；给出的资料更完备；模拟真实条件和理想条件的能力强，尤其在大空间、高温、高压、易燃、易爆条件以及各种理想条件下更为实用。当然，CFD方法也存在一些缺点，如模型的正确性、计算方法的正确性及精确性等使得计算结果令人怀疑。因此，对流体的数值计算要建立合理的数学模型，采用正确的和尽可能高精度的数值方法。另外，数值计算还应该与实验研究相结合使用，用实验结果来验证和分析计算结果。

CFD目前应用领域广泛，主要存在于

1、航空航天（机翼/全机模拟、气动设计、多物理场耦合等）

2、化工（化工流体流动，反应、混合、传热等）

3、车辆与船舶（发动机、电池电机冷却、润滑、空气动力学等）

4、能源风电（风能资源的分析评估）

5、建筑（风环境分析设计建设布局）

6、生物医学（颅内动脉瘤分析与呼吸系统研究）

CFD在实验室的应用+

实验室中常用的设备如：通风柜、万向罩、生物安全柜、抽风药品柜等都需要流体力学的知识。那么，在设计和优化的过程中，都可以利用CFD进行模拟，提前识别问题点，降低研发费用与时间成本。

1、实验室房间气流组织模拟优化送出风口与结构布局。

2、产品设备的内部气流模拟优化结构设计

3、模拟空间污染物泄露扩散