规整填料特征单元内混合过程的计算流体力学
第39卷 第10期2006年10月天 津 大 学 学 报Journa l of T i a n ji n Un i versity Vol .39 No .10
Oct .2006
规整填料特征单元内混合过程的计算流体力学3
刘春江,黄 莹,李莹珂,陈江波,袁希钢,余国琮
(天津大学化工学院化学工程联合国家重点实验室,天津300072)
摘 要:针对Mellapak 350Y 型规整填料特征单元内的流动及混合现象,利用计算流体力学的方法模拟了单元内的液相单相流流动,并结合脉冲示踪法研究其混合行为,考察了不同流速下特征单元的返混程度.同时建立了相应的实验装置,在室温下以甘油水溶液(质量分数为650/0)为测试液体,利用激光多普勒测速仪对不同流速下,规整填料中特征单元内的液相流场进行了测量并与模拟结果进行了对比.计算与实验结果的速度分布趋势及其数值大小基本一致.
关键词:规整填料;特征单元;计算流体力学;混合;脉冲示踪法;激光多普勒测速仪中图分类号:T Q021.4 文献标志码:A 文章编号:049322137(2006)1021162207
CFD S i m ul a ti on of M i x i n g Behav i or of L i qu i d Pha se Flow
i n Structured Pack i n g Un it
L I U Chun 2jiang,HUANG Ying,L I Ying 2ke,CHEN J iang 2bo,Y UAN Xi 2gang,Y U Guo 2cong
(State Key Laborat ory of Che m ical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China )
Abstract :To investigate the flow behavi or and m ixing phenomena in the structured packing fr om rep resent unit scale,computational fluid dynam ics (CFD )method was used to si m ulate the vel ocity distributi on in the typ ical unit of structured packing .The co mmercial CFD package,F LUENT,was used t o s olve the p r oposed model where the s pecial configurations of the structured packing were considered and multi 2block body 2fitted mesh was used .Experi m ental data for liquid flow in a rep resent unit of the structured packing was collected by using laser dopp ler vel oci metry (LDV ).I n the experi m ent,glycerol aqueous s oluti on was selected as test liquid t o m ini 2m ize the refractive effect of Plexiglas packing .Si m ulation results were si m ilar with LDV measurement results .Keywords :structured packing;typ ical unit;co mputati onal fluid dynam ics;m ixing;residence ti m e distribu 2ti on;laser dopp ler veloci meter
规整填料在反应、分离及混合等领域有着广泛应用,填料内部流体的流动结构对相关设备的运行效率,
如传质效率和混合效率等有重要影响,但规整填料内流体流动情况的基础研究文献报道很少.因此,对规整填料特征单元内流体的流动情况,及其混合能力进行深入研究具有重要意义.
早期的研究者大多套用散堆填料的研究成果来描
述规整填料内的流动分布[1]
,所采用的模型多为经验
或半经验模型,如Dangizer [2]
针对Sulzer S MV 型静态
混合器提出的扩散模型、徐崇嗣[3]
建立的结点网络模型等.随着计算流体力学及其相关学科的发展,对涉及复杂多相流体流动现象的传质分离与反应过程进行比
较准确的量化描述逐步成为可能.由于规整填料结构的复杂性,目前要建立整塔实体物理模型存在很大困难,因此,部分学者采用整体平均的方法对填料塔的流
动现象进行了研究,其中张鹏[4]
利用流体力学模拟软件对塔内气体的流速分布及轴向返混进行了研究.另外,在气速为零的情况下对气液两相流的液相流场进行了计算模拟[5]
.针对填料内部的流动,Hosdon 等
[6]
采用标准k 2ε模型对规整填料内的气相单相流进行了模拟.Petre 等[7]
采用F LUENT 对规整填料5种有代表性的局部结构内的气相单相流进行了模拟,研究表明,规整填料塔内引起压降的结构主要分为5种.通过分析这些局部结构内的气相流场,得到每种结构下的压
3 收稿日期:2005209220;修回日期:2006201213. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(20206021). 作者简介:刘春江(1970— ),男,博士,副教授,cjliu@tju .edu .cn .
力损失系数,从而得到整塔的压降.Gulijk[8]建立了一个简化的“Tobler one”规整填料模型,并采用CFX4.1模拟了示踪剂在液相单相流动时的扩散行为,并讨论了规整填料内液体的轴向和径向返混情况.在Gulijk 模型基础上,Krishna等[9—11]建立了针对K ATP AK2S 型反应精馏规整填料的计算流体力学(computati onal fluid dyna m ics,CF D)模型,将两相流问题简化为单相流处理,模拟了气2液两相的示踪剂扩散过程,并估算了气、液相返混系数.同样采取计算流体力学方法,Lu2 dovic[12]对规整填料内的流体流动进行了研究,研究重点主要集中在气相压降的计算方面.
综上所述,早期对规整填料内流动的研究集中在宏观流动分布方面,目前则集中在填料内部及更小尺度的流动描述上,而且采用CF D方法研究填料内部的流动成为一种趋势.笔者主要在前期工作的基础上,从填料局部单元的角度,对填料内部的流动结构及其混合行为进行了相关的理论研究.另外针对填料内部流速分布实验数据缺乏的情况,设计了相关的实验装置,利用激光多普勒测速仪对流场进行了测量,并将实验结果与CF D模拟结果进行了比较.
1 填料单元结构及实验
填料单元的流动模拟装置见图1(1、2、3、4、5为5个不同的切面),实验流程见图2.整套实验装置包括一套激光多普勒测速仪、流动测量单元、液体循环系统和一套数据采集系统.激光多普勒测速仪是根据光学多普勒效应研制成的.实验中采用丹麦DANTEC公司的单探头3D LDV系统.
实验装置主要为Mellapak350Y型规整填料片单元(如图1).模型由透光性能很好的有机玻璃制成.为了防止因光线折射造成位移变形,
将填料单元需测量
图1 填料单元流动模拟装置
F i g.1 D ynam i c si m ul a ti ve equ i p m en t chart of structured pack i n g un
it
图2 实验流程
F i g.2 Exper i m en t flow chart
部位浸没在盛满甘油的方形容器中.实验介质为甘油
水溶液.三角管长300mm,切面底长18mm,高9mm,
以2个三角管交叉中心点为坐标原点.所测切面y分
别为-25mm、-7mm、-2mm、7mm和25mm(图1
(b))中分别为编号1、2、3、4和5).测定了在R e=
209.38下瞬时速度沿x、y和z方向的分布情况.
2 规整填料特征单元内流场的CFD模拟
流场模拟采用的雷诺数为209.38,按传统的流动
区域划分在该雷诺数下流动应为层流,但传统的划分
方法是以流体在圆管流动为前提,对于规整填料,其单
元结构比较复杂,尤其是交叉部分,故采用简单的层流
模型来描述其流动状态并不合理.一般认为,在规整填
料中以雷诺数等于135时作为划分层流与过渡流的界
限.流场模拟采用的是Reynolds平均的N2S方程.一
般情况下,多用标准k2ε模型对方程进行封闭,但该模
型假定流体的湍流在空间上为各向同性,因此对于几
何形状复杂的规整填料内的流体流动该模型不适用.
通过比较不同湍流模型的计算结果,选用了RNG
(renor malizati on gr oup)k2ε模型描述规整填料内流体
的流动.该模型是对标准k2ε模型的一个修正,它采用
一个微分方程的形式描述湍流黏度随有效雷诺数的变
?
3
6
1
1
?
2006年10月 刘春江等:规整填料特征单元内混合过程的计算流体力学
化,
适合于计算低雷诺数流体流动和近壁流,同时,重
整化RNG k 2
ε模型还使计算过程从层流区到充分发展的湍流区的过渡变得很平滑,因此能很好地解决过
渡区的流场、传热及传质.由于实验部分所用的液体(甘油水溶液)的黏度较大,且实验测试流量范围内其雷诺数为209,这种湍动属于低雷诺数下的湍流过程.
封闭后的RNG k 2ε模型为
55x i (ρku i )=55x j (αk μeff 5k 5x j
)
+G k +G b -ρ
ε-Y M 55x i (ρεu i )=55x j (αεμeff
5
ε5x j )+C 1εεk G k -C 2ε
ρε
2
k
-R ε式中G k 是由层流速度梯度而产生的湍流动能, G k =-ρu ′i u ′j
5u j
5x i
式中:G b 为浮力产生的湍动动能生成项,对等温过程该项为0.Y M 为可压缩湍流中由于流体膨胀产生的湍动动能,计算流体均假设为不可压缩流,因此该项也可忽略.
C 1ε和C 2ε是常量,αk 和αε是k 方程和ε方程的湍流Prandtl 数[18]
. 利用商业流体力学软件Fluent 26.0对规整填料内.假定填料单元表面未开槽,液体流动为稳态流动,且在恒温下进行.模拟条件与后面的实验条件一致.模型的几何形状如图3所示,利用G AMB I T 生成三维分块结构化贴体网格,整个计算区域共划分为316848个四面体网格.液体入口设为速度进口,出口设为自由流出,并考虑重力的影响.计算收敛后,分别取十字交叉部分(如图1(b ))y 分别为-25mm 、-7mm 、-2mm 、7mm 和25mm 切面.
对计
图3 填料单元的计算网格
F i g .3 Com put a ti ona l gr i d of structured
pack i n g un it
算结果进行后处理.
3 计算结果与测量结果的比较
实验测量了R e =209下规整填料单元内的流场分
布.图4～图8是雷诺数为209时,不同切面的CF D 计算与实验测量的速度等势图. 图4为第1切面速度分布,该切面尚未进入交叉部位,速度分布不再变化,建立了充分发展的流动.从实验结果看,在主流动y 方向上,速度均为正值,说明流体在正方向上流动,由流道壁面至中心处速度在逐渐增大,在中心处达到最大值.x 、z 方向均为非主流动方向,分速度相对于y 方向分速度小1个数量级.x 与z 方向的速度分量有正有负,变化较复杂,但是由于其速度值较小,因此对主流方向的流动影响并不是很大
.
图4 第1切面速度分布
F i g .4 Veloc ity d istr i buti on i n face 1
?
4611?天 津 大 学 学 报 第39卷 第10期
从计算结果来看在主流动方向y 上与实验结果相似,最高流速出现在中央部分,速度分布呈抛物面型,但在
x 、z 方向上则相差较大.
图5为第2切面速度分布,该切面刚刚进入交叉部位.在y 方向上,CF D 的结果与实验结果相似仍是呈现出较为标准的抛物面型的速度分布,但由于另一股流体的加入使最高流速出现的位置发生了偏离.但对于x 与z 方向的速度分布,CF D 计算与实验结果相差较大.
图6为第3切面速度分布,该切面位于交叉部位
的最大截面处,由一个等腰三角形及一个矩形组成.x 与y 方向均为主流动方向.在y 速度图上,在三角形处速度分布仍呈抛物面型,由于在矩形处另一股流体的加入及2股流体的再次分离,在x 方向上图的左部与右部分别出现速度较大的区域.其实验结果回流区则比较集中,出现在截面的中部.x 方向的最大速度与y 方向的最大速度基本相等.而z 方向的速度分量与x 、y 方向分量相比数值较小,
但计算与实验的速度分布趋
?
5611? 2006年10月 刘春江等:规整填料特征单元内混合过程的计算流体力学
势在该方向上相差较大.
图7为第4切面速度分布,该切面位于交叉部位的上部,即2股流体将要发生分离的部位.y 方向占主要流动,y 方向的速度从壁面到中心处速度仍然是逐渐增大,在中心处达到最大值,CF D 计算与实验所得结果的分布与范围相近.截面4与截面3的流动相比,x 方向上的流动趋势存在相似之处,但CF D 计算与实
验结果速度范围相差较大.从实验结果看z 方向的分量较小,在截面中心处为正值,在尖端和壁面处速度则变为负值,与CF D 计算的流动趋势不相同. 图8为第5切面速度分布,该切面已离开交叉部位,2股流体已发生分离.从CF D 结果看,y 方向上的速度分布仍呈抛物面型分布,与实验结果相似,但在x 和z 方向上的计算与实验结果差别较大
.
4 填料单元内混合过程的CFD 模拟
通过质量传递方程和流体力学模型联立求解,可以计算填料单元内的混合过程,采用计算流体力学方法对示踪剂的脉冲实验进行了模拟,得到示踪剂在出
口处的RT D 曲线,以此研究规整填料特征单元内的混合行为.其中示踪剂质量传递方程为
5
5t (ρρB
)+Δ
?(ρu ρB )=-Δ
?(ρD e Δ
ρB )+R +S D e =D l +D t
?
6611?天 津 大 学 学 报 第39卷 第10期
其中,湍流扩散系数根据施密特类似律来计算.
D t =
μt
ρSc t
为了定量研究流体在不同速度下的不同出口的轴
向返混系数,在流场模拟计算稳定以后,在填料单元其中一个入口(入口1)处注入示踪剂,使用非稳态计算模型计算NaCl 示踪剂在填料单元内的传质过程,并分别在填料单元的两个出口处监视示踪剂浓度随时间的变化情况,得出单元出口处示踪剂的RT D 曲线.不同速度下示踪剂在不同出口处的RT D 曲线分别如图9～图11所示.在入口速度为0.03m /s 时,出口2的RT D 曲线的出峰时间要早,同时拖尾时间比较长.在
入口速度为0.379m /s 、0.758m /s 时,出口1的RT D 曲线的出峰时间要早,同时拖尾时间比较长
.
图9 入口速度为0.03m /s 时RT D 曲线
F i g .9 Concen tra ti on of i n put tracer (u =0.03m /s
)
图10 入口速度为0.379m /s 时RT D 曲线
F i g .10 Concen tra ti on of i n put tracer (u =0.379m /s
)
图11 入口速度为0.758m /s 时RT D 曲线
F i g .11 Concen tra ti on of i n put tracer (u =0.758m /s )
图12是根据一维混合一维流动返混模型拟合得
到的轴向返混系数.从图中可以明显地看出,轴向返混系数随着表观液速的增大而增大,但流体在不同出口的轴向返混系数基本一样
.
图12 液相轴向返混系数
F i g .12 Ax i a l back m i x i n g coeff i c i en t of li qu i d pha se
另外,为了更好地了解在填料单元内不同出口的
浓度分配情况,在填料单元其中一个入口(入口1)处连续注入NaCl 水溶液,另一个入口(入口2)则连续注入与入口1相同速度的清水.计算其在单元内的浓度分配,并分别在2个出口处计算溶液中NaCl 的质量分数(图13).从中可以看出,在低流速下,出口2的NaCl 浓度大于出口1的浓度,随着流速的增加,两出口浓度
逐渐相同,当流速超过0.4m /s 之后,出口1的浓度大
于出口2的浓度,说明液体流速对流体的浓度分配有非常大的影响
.
图13 NaC l 的质量分数
F i g .13 M a ss fracti on of NaC l
5 结 语
对重整化RNG k 2ε模型下的计算结果与实验结果的比较发现,计算结果与实验结果在主流动方向上的速度分布趋势基本一致,但在非主流动方向上计算
结果却与实验结果有较大的差别,说明在特征单元的
计算中仅仅采用该湍流模型是不完善的,需做进一步
?
7611? 2006年10月 刘春江等:规整填料特征单元内混合过程的计算流体力学
的改进.用示踪剂作定量分析,发现表观液速对轴向返混系数影响较大,并随着表观液速的增大而增大,而且流体在不同出口的轴向返混系数基本相等.而且流体在进入不同入口后,再分配情况不同,与速度有非常大的关系.
符号说明:
g———重力加速度,m/s2;
k———湍动能,m2/s2;
p———压力,Pa;
Δp———压降,Pa;
R e———液相雷诺数,Re=ρu S d h/μ,d h=7.456×10-3m; u———液相速度,m/s;
u
i
———i2方向速度,m/s;
μ———液相黏度,Pa?s;
μ
t
———液相湍动黏度,Pa?s;
D e———示踪剂有效扩散系数,m2/s;
D l———示踪剂层流扩散系数,m2/s;
D t———示踪剂湍流扩散系数,m2/s;
S———示踪剂源相,kg/(m3?s);
Sc t———湍流施密特数;
ρ———液体密度,kg/m3;
ρ
B
———示踪剂B质量浓度,kg/m3;
ω———质量分数,0/0.
下标:
i———坐标i;
t———湍流;
l———层流;
e———有效值.
参考文献:
[1] Hoke P J,W esselingh J A,Zuider weg F J.S mall scale and
large scale liquid maldistributi on in packed colu mns[J].
Che m Eng Res D es,1986,64(6):431—449.
[2] Danziger R.Si m ulating the turbulent m ixing p r ocess in a
static m ixing ele ment[J].Sulzer Tech Rev,1978,60(1):
1—10.
[3] 徐崇嗣,楼建中,姜庆泉.金属板波纹填料液流分布的研
究[J].化工学报,1986,37(4):402—411.
Xu Chongsi,Lou J ianzhong,J iang Q ingquan.L iquid distribu2
ti on in corrugated metal sheet[J].Journal of Che m ical In2
dustry and Engineering,1986,37(4):402—411(in Chi2 nese).
[4] 张 鹏,刘春江,唐忠利,等.规整填料塔内气相流动的
计算流体力学模拟[J].天津大学学报,2005,38(6):
503—507.
Zhang Peng,L iu Chunjiang,Tang Zhongli,et al.CF D si m ula2 ti ons of single2phase gas fl ow in a structured packing colu mn
[J].Journal of Tianjin U niversity,2005,38(6):503—507
(in Chinese).
[5] 张 鹏,刘春江,袁希钢,等.规整填料塔液相流动的计
算流体力学模拟[J].化工学报,2004,55(8):1369—
1373.
Zhang Peng,L iu Chunjiang,Yuan Xigang,et al.CF D si m u2 lati ons of liquid phase fl ow in structured packed colu mn[J].
Journal of Che m ical Industry and Engineering,2004,55(8):
1369—1373(in Chinese).
[6] Hods on J S,Fletcher J R,Porter K E.Fluid mechanical
studies of structured distillati on packings[J].I Che m E
Sym p Ser D ist A nd A bsp,1997,142(2):999—1007.
[7] Petre C F,Larachi F,Iliuta I,et al.Pressure dr op thr ough
structured packings:B reakdown int o the contributing mecha2 nis m s by CF D modeling[J].Che m Eng Sci,2003,58(1):
163—177.
[8] van Gulijk C.U sing computati onal fluid dynam ics t o calcu2
late transversal dis persi on in a structured packed bed[J].
Co m pters Che m Eng,1998,22(1):767—770.
[9] van Baten J M,Krishna R.L iquid2phase mass transfer with2
in K AT AP AK2S structures studied using computati onal fluid
dyna m ics si m ulati ons[J].Catalysis Today,2001,69(1/
4):371—377.
[10] van Baten J M,Krishna R.Radial and axial dis persi on of
the liquid phase within a K AT AP AK2S structure:Experi2 ments vs CF D si m ulati ons[J].Che m Eng Sci,2001,56
(3):813—821.
[11] van Baten J M,Krishna R.Gas and liquid phase mass
transfer within K AT AP AK2S structures studied using CF D
si m ulati ons[J].Che m Eng Sci,2002,57(9):1531—
1536.
[12] Ludovic Raynal,Christ ophe Boyer,Jean2Pierre Ballaguet.
L iquid holdup and p ressure dr op deter m inati on in structured
packing with CF D si m ulati ons[J].The Canadian Journal of
Che m ical Engineering,2004,82(5):871—879.
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8
6
1
1
?天 津 大 学 学 报 第39卷 第10期
计算流体力学课程总结
计算流体力学课程总结 计算流体动力学(computational Fluid Dynamics,简称CFD)是通过计算机数值 计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。是用电子计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析的一个分支。 流体力学和其他学科一样，是通过理论分析和实验研究两种手段发展起来的。很早就已有理论流体力学和实验流体力学两大分支。理论分析是用数学方法求出问题的定量结果。但能用这种方法求出结果的问题毕竟是少数，计算流体力学正是为弥补分析方法的不足而发展起来的。计算流体力学是目前国际上一个强有力的研究领域,是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计、HAVC&R 等诸多工程领域。 计算流体力学的任务是流体力学的数值模拟。数值模拟是“在计算机上实现的一 个特定的计算，通过数值计算和图像显示履行一个虚拟的物理实验——数值实验“。 数值模拟包括以下几个部分。首先，要建立反映问题(工程问题、物理问题等)本质数 学模型。其次，数学模型建立以后需要解决的问题是寻求高效率、高准确度的计算方法。再次，在确定了计算方法和坐标系统后，编制程序和进行计算式整个工作的主体。最后，当计算工作完成后，流畅的图像显示是不可缺少的部分。 还有一个就是CFD的基本思想问题，它就是把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通 过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求 解代数方程组获得场变量的近似值。 经过四十多年的发展，CFD出现了多种数值解法。这些方法之间的主要区别在于 对控制方程的离散方式。根据离散的原理不同，CFD大体上可分为三个分支： ?有限差分法(Finite Different Method，FDM) ?有限元法(Finite EIement Method，FEM) ?有限体积法(Finite Volume Method，FVM) 有限差分法是应用最早、最经典的CFD方法，也是最成熟、最常用的方法。它将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分方程的 导数用差商代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。求出差分万程组 的解，就是微分方程定解问题的数值近似解。它是一种直接将微分问题变为代数问题 的近似数值解法。
流体力学大作业
《计算流体力学》课程大作业 作业内容：3-4人为小组完成数值模拟，在第8次课上每组进行成果展示，并在课程结束后每组上交一份纸质版报告。 数值模拟实现形式：自编程或者使用任意的开源、商业模型。 成果展示要求：口头讲述和幻灯片结合的方式，每组限时10分钟（8分钟讲述，2分钟提问和讨论）。 报告要求：按照期刊论文的思路和格式进行撰写（包括但不限于如下内容：摘要、绪论\引言、数值模型简介、数值结果分析\讨论、结论、参考文献）。 （以下题目二选一） 题目一：固定单方柱扰流问题 根据文章《Interactions of tandem square cylinders at low Reynolds numbers》中的实验进行数值模拟，完成但不局限于如下工作： （1）根据Fig. 2 中的雷诺数和方柱排列形式，进行相同雷诺数不同间距比情况下的方柱绕流数值模拟，并做出流线图和Fig.2中的结果对比。 （2）根据Fig. 3 中的雷诺数和方柱排列形式，进行相同雷诺数后柱不同转角情况下的方柱绕流数值模拟，并做出流线图和Fig.3中的结果对比。 （3）根据Fig. 12, 13 中的雷诺数和方柱间距比的设置进行数值模拟，作出频率、斯特劳哈尔数、阻力系数随雷诺数变化的折线并与图中对应的折线画在同一坐标系下比较。 （中共有4条折线，对应4种不同的方柱排列形式下的物理参数随雷诺数变化的规律，仅需选取单柱模型和其中一种双柱模型进行数值模拟，共计16个工况）。 题目二：溃坝问题 根据文章《Experimental investigation of dynamic pressure loads during dam break》中的实验进行数值模拟，完成但不局限于如下工作： （1）分别完成二维、三维的溃坝的数值建模，讨论二维、三维模型的区别。 （2）分别将二维、三维溃坝的数值模拟结果和Fig. 7,10中各时刻的自由面形态进行对比，并分别观测溃坝前端水舌的位置随时间的变化，其结果和Fig. 12 种的各试验结果放在同一坐标系下进行对比。 （3）根据实验设置数值观测点，分别观测与实验测点相对应的数值观测点上的水体高度、压力随时间的变化曲线，并和Fig.16, 18,21,30,31,32,33,35中的实验结果进行对比。
产品数据管理技术与计算流体力学课程介绍
〈〈产品数据管理（PDM技术》课程简介 课程代码:AM011 课程简介： 本门课程将讲授PDM技术的基本概念、理论方法、系统结构和PDM^r业实施案例以及典型PDM^统介绍等相关专题，以满足我国企业信息化工程对大量复合型人才的需求 本课程的主要任务是： 1、掌握PDMJ术的发展与应用； 2、掌握PDMJ术的基本理论和方法； 3、掌握PDMK统体系结构和主要功能； 4、掌握PD"对象的建模方法和对象模型； 5、了解PDMK统实施方法； 6、了接国内外著名PDMS用系统。 本课程是一门实用性和系统性很强的课程，包含了机械工程和工业工程等领域高级技术 人员必须掌握的基本知识和内容。课程学习的目的是使学生掌握 PD M 基本理论知识和方法，为今后从事企业信息化工作，特别是从事产品数字化设计、制造与管理工作打下坚实的理论基础。 This course is the basic course on product development, it covers the following topics: Development and applications of PDM technology, Supporting technologies of PDM, Product data management technology, Product development lifecycle management technology, PDM implementation methodology, Introduction to SIPM/PDM.
院（系）公章: 撰写人:
《计算流体动力学分析》学习报告
《计算流体动力学分析》学习报告 计算流体力学基础： 本章主要讲解流体动力学的核心思想以及流体动力学的控制方程。 1、计算流体动力学（Computational Fluid Dynamic ）基本思想：把原来在时间和空间上的连续的物理量，用一系列离散点上的变量值来代替，通过一定的原则和方式建立变量之间的代数方程式，求解之后获得变量的近似值。 2、CFD 控制方程： 质量守恒方程 0)·=?+??u t ρρ（ 动量守恒方程（Navier-Stokes 方程） Fz z y x z u w div t w F z y x y u v div t v F z y x x u u div t u zz zx zx y zy yy xy x zx yx xx +??+??+??+??-=+??+??+??+??+??-=+??+??+??+??+??-=+??τττρρρτττρρρτττρρρ)()()()()()( 能量守恒方程 T p S gradT c k div T u div t +=+??)()(T ( ρρ） S T 为粘性耗散项。 方程含有u ，v ，w ，p ，T 和ρ六个未知量，所以还需要一个方程组，才能使其封闭，而这个方程组就是联系P 和ρ的状态方程组：P=（ρ，T ）。 组分质量守恒方程（在一个系统中，可能存在质的交换，或者存在化学组分时使用。） ()s s s s S c grad D div c u div t +=+??)()(c (s ρρρ ） 为便于对控制方程进行计算和分析，对CFD 控制方程写成通用格式： ()S z z y y x x z w y v x u t S grad div u div t +??Γ??+??Γ??+??Γ??=??+??+??+??+Γ=+??)()()()()()())()(φφφφρφρφρρφφφρρφ 依次为瞬态项，对流项，扩散项和源项。 3、湍流控制方程 三维的N-S 方程无论对于层流还是湍流都是是使用的，但由于直接求解三维瞬态的控制方程，对计算机的内存和速度要求很高，因此在工程上广为采用的方法是对瞬态的N-S 方程进行实践平均处理，同时补充反应湍流特性的其他方程，例如湍动能方程以及湍流耗散率方程
流体力学概念总结
第一章绪论 1.工程流体力学的研究对象：工程流体力学以流体（包括液体和气体）为研究对象，研究流体宏观 的平衡和运动的规律，流体与固体壁面之间的相互作用规律，以及这些规律在工程实际中的应用。 第二章流体的主要物理性质 1.★流体的概念：凡是没有固定的形状，易于流动的物质就叫流体。 2.★流体质点：包含有大量流体分子，并能保持其宏观力学性能的微小单元体。 3.★连续介质的概念：在流体力学中，把流体质点作为最小的研究对象，从而把流体看成是： 1)由无数连续分布、彼此无间隙地； 2)占有整个流体空间的流体质点所组成的介质。 4.密度：单位体积的流体所具有的质量称为密度，以ρ表示。 5.重度：单位体积的流体所受的重力称为重度，以γ表示。 6.比体积：密度的倒数称为比体积，以υ表示。它表示单位质量流体所占有的体积。 7.流体的相对密度：是指流体的重度与标准大气压下4℃纯水的重度的比值，用d表示。 8.★流体的热膨胀性：在一定压强下，流体体积随温度升高而增大的性质称为流体的热膨胀性。 9.★流体的压缩性：在一定温度下，流体体积随压强升高而减少的性质称为流体的压缩性。 10.可压缩流体：ρ随T 和p变化量很大，不可视为常量。 11.不可压缩流体：ρ随T 和p变化量很小，可视为常量。 12.★流体的粘性：流体流动时，在流体内部产生阻碍运动的摩擦力的性质叫流体的粘性。 13.牛顿内摩擦定律：牛顿经实验研究发现，流体运动产生的内摩擦力与沿接触面法线方向的速度变 化（即速度梯度）成正比，与接触面的面积成正比，与流体的物理性质有关，而与接触面上的压强无关。这个关系式称为牛顿内摩擦定律。 14.非牛顿流体：通常把满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，此时不随dυ/d n而变化，否则称 为非牛顿流体。 15.动力粘度μ：动力粘度表示单位速度梯度下流体内摩擦应力的大小，它直接反映了流体粘性的 大小。 16.运动粘度ν：在流体力学中，动力粘度与流体密度的比值称为运动粘度，以ν表示。 17.实际流体：具有粘性的流体叫实际流体（也叫粘性流体）， 18.理想流体：就是假想的没有粘性（μ= 0）的流体 第三章流体静力学 1.★流体的平衡：（或者说静止）是指流体宏观质点之间没有相对运动，达到了相对的平衡。 2.★绝对静止：流体对地球无相对运动，也称为重力场中的流体平衡。 3.★相对平衡：流体整体对地球有相对运动，但流体对运动容器无相对运动，流体质点之间也无相 对运动，这种静止或叫流体的相对静止★：体积力：作用于流体的每一个流体质点上，其大小与流体所具有的质量成正比的力。在均质流体中，质量力与受作用流体的体积成正比，因此又叫。 4.★表面力：表面力是作用于被研究流体的外表面上，其大小与表面积成正比的力。 5.★压强：在静止或相对静止的流体中，单位面积上的内法向表面力称为压强。 6.等压面：在静止流体中，由压强相等的点所组成的面。 7.★位置水头（位置高度）：流体质点距某一水平基准面的高度。 8.压强水头（压强高度）：由流体静力学基本方程中的p/（ρg）得到的液柱高度。 9.★静力水头：位置水头z和压强水头p/（ρg）之和。 10.压强势能：流体静力学基本方程中的p/ρ项为单位质量流体的压强势能。
流体力学 大作业
一.选择题 1.牛顿内摩擦定律适用于（）。 A．任何流体B．牛顿流体C．非牛顿流体 2.液体不具有的性质是（）。 A．易流动性B．压缩性C．抗拉性D．粘滞性 3连续介质假定认为流体（）连续。 A．在宏观上B．在微观上C．分子间D．原子间 4.在国际单位制中流体力学基本量纲不包括（）。 A．时间B．质量C．长度D．力． 5.在静水中取一六面体，作用在该六面体上的力有（） A．切向力、正压力B．正压力C．正压力、重力D．正压力、切向力、重力 6．下述哪些力属于质量力( ) A．惯性力B．粘性力C．弹性力D．表面张力E．重力 7．某点存在真空时，（）（） A．该点的绝对压强为正值B．该点的相对压强为正值c.该点的绝对压强为负值D．该点的相对压强为负值 8.流体静压强的（）。 A．方向与受压面有关B．大小与受压面积有关B．大小与受压面方位无关 9.流体静压强的全微分式为（）。 A．B．C． 10.压强单位为时，采用了哪种表示法（）。 A．应力单位B．大气压倍数C．液柱高度 11.密封容器内液面压强小于大气压强，其任一点的测压管液面（）。A．高于容器内液面B．低于容器内液面C．等于容器内液面 12.流体运动的连续性方程是根据（）原理导出的。 A.动量守恒 B. 质量守恒 C.能量守恒 D. 力的平衡 13. 流线和迹线重合的条件为（）。
A.恒定流 B.非恒定流 C.非恒定均匀流 14.总流伯努利方程适用于（）。 A.恒定流 B.非恒定流 C.可压缩流体 15. 总水头线与测压管水头线的基本规律是：（）、（） A.总水头线总是沿程下降的。 B.总水头线总是在测压管水头线的上方。 C.测压管水头线沿程可升可降。 D.测压管水头线总是沿程下降的。 16 管道中液体的雷诺数与（）无关。 A. 温度 B. 管径 C. 流速 D. 管长 17.. 某圆管直径d=30mm，其中液体平均流速为20cm/s。液体粘滞系数为0.0114cm3/s，则此管中液体流态为（）。 A. 层流 B. 层流向紊流过渡 C.紊流 18.等直径圆管中紊流的过流断面流速分布是（）A呈抛物线分布B. 呈对数线分布 C.呈椭圆曲线分布 D. 呈双曲线分布 19.等直径圆管中的层流，其过流断面平均流速是圆管中最大流速的（） A 1.0倍B.1/3倍C. 1/4倍D. 1/2倍 20.圆管中的层流的沿程损失与管中平均流速的（）成正比. A. 一次方 B. 二次方 C. 三次方 D. 四次方 21..圆管的水力半径是( ) A. d/2 B. d/3 C. d/4 D. d/5. 22谢才公式中谢才系数的单位是（）A. 无量纲B. C. D. . 23. 判断层流和紊流的临界雷诺数是（） A.上临界雷诺数 B.下临界雷诺数 C.上下临界雷诺数代数平均 D.上下临界雷诺数几何平均 24.. 对于管道无压流，当充满度分别为（）时，其流量和速度分别达到最大。 A. 0.5, 0.5 B. 0.95, 0.81 C. 0.81, 081 D. 1.0, 1.0 25.对于a, b, c三种水面线，下列哪些说法是错误（）（） A．所有a、c型曲线都是壅水曲线，即，水深沿程增大。B．所有b型曲线都是壅水曲线，即，水深沿程增大。C．所有a、c型曲线都是降水曲线，即，水深沿程减小。C．所有b型曲线都是降水曲线，即，水深沿程减
《计算流体力学》结课作业要点.doc
2012～2013学年第1学期 12级研究生《计算流体力学》结课作业 适用专业：供热供燃气通风及空调工程 一、结合某一具体学科，阐述纯理论方法、实验方法及数值方法在科学研究中的各自优缺点，在此基础上论述数值模拟方法的发展前景。（不少于4千字）。 流体力学是力学的一个重要分支, 是研究流体(液体和气体)的力学运动规律及其应用的学科, 主要研究在各种力的作用下，流体本身的静止状态和运动状态特征，以及流体和相邻固体界面有相对运动时的相互作用和流动规律。在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到流体，流体力学与人类的日常生活和生产事业密切相关。按其研究内容的侧重点不同，分为理论流体力学和工程流体力学。其中理论流体力学主要采用严密的数学推理方法，力求准确性和严密性，工程流体力学侧重于解决工程实际中出现的问题，而不追求数学上的严密性。当然由于流体力学研究的复杂性，在一定程度上，两种方法都必须借助于实验研究，得出经验或半经验的公式。 在实际工程的诸多领域流体力学都起着十分重要的作用。如气象、水利的研究，船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行，可燃气体或炸药的爆炸，都广泛地用到流体力学知识。许多现代科学技术所关心的问题既受流体力学的指导，同时也促进了流体力学自身的不断发展。1950年后，计算机的发展给予流体力学以极大的推动作用。 目前，解决流体力学问题的方法主要有实验方法、理论分析方法和数值方法三种。 实验方法 同物理学、化学等学科一样，流体力学的研究离不开实验，尤其是对新的流体运动现象的研究。实验能显示运动特点及其主要趋势，有助于形成概念，检验理论的正确性。二百年来流体力学发展史中每一项重大进展都离不开实验。流体力学实验研究方法有实物实验、比拟研究和模型研究三类：实物实验是用仪器实测原型系统的流动参数，适用于较小的原型；比拟实验是利用电场和磁场来模拟流场，实施起来限制条件较多；模型研究是实验流体力学最常用的研究方法。 实验研究的一般过程是：在相似理论的指导下建立实验模型，用流体测量技术测量流动参数，处理和分析实验数据。建立实验模型要求模型与原型满足相似理论，即满足两个流场
流体力学总结
流体力学总结 第一章 流体及其物理性质 1. 流体：流体是一种受任何微小剪切力作用都能连续变形的物质，只要这种力继续作用， 流体就将继续变形，直到外力停止作用为止。流体一般不能承受拉力，在静止状态下也不能承受切向力，在任何微小切向力的作用下，流体就会变形，产生流动 2. 流体特性：易流动(易变形)性、可压缩性、粘性 3. 流体质点：宏观无穷小、微观无穷大的微量流体。 4. 流体连续性假设：流体可视为由无数连续分布的流体质点组成的连续介质。稀薄空气和 激波情况下不适合。 5. 密度0lim V m m V V δδρδ→== 重度0lim V G G g V V δδγρδ→=== 比体积1v ρ= 6. 相对密度：是指某流体的密度与标准大气压下4C 时纯水的密度（1000）之比 w w S ρ ρρ= 为4C 时纯水的密度 13.6Hg S = 7. 混合气体密度1 n i i i ρρα == ∑ 8. 体积压缩系数：温度不变，单位压强增量引起的流体体积变化率。体积压缩系数的倒数 为体积模量1 P P K β= 1p V p V δβδ=- 1 1 0 1.4p p T Q p p βγβγ→= === 9. 温度膨胀系数：压强不变，单位温升引起的流体体积变化率。 1T V T V δβδ= 1 T p T β→= 10. 不可压缩流体：流体受压体积不减少，受热体积不膨胀，密度保持为常数，液体视为不 可压缩流体。气体流速不高，压强变化小视为不可压缩流体
11. 牛顿内摩擦定律： du dy τμ = 黏度du dy τ μ= 流体静止粘性无法表示出来，压强对黏 度影响较小，温度升高，液体黏度降低，气体黏度增加 μ υρ = 。满足牛顿内摩擦定律的流体为牛顿流体。 12. 理想流体：黏度为0，即0μ=。完全气体：热力学中的理想气体 第二章 流体静力学 1. 表面力：流体压强p 为法向表面应力，内摩擦τ是切向表面应力（静止时为0）。 2. 质量力（体积力）：某种力场对流体的作用力，不需要接触。重力、电磁力、电场力、 虚加的惯性力 3. 单位质量力：x y z F f f i f j f k m ==++ ，单位与加速度相同2m s 4. 流体静压强： 1）流体静压强的方向总是和作用面相垂直且指向该作用面，即沿着作用面的内法线方向 2）在静止流体内部任意点处的流体静压强在各个方向都是相等的。 x y z n p p p p === 5. 流体平衡微分方程式（欧拉平衡方程） 101010 x y z p f x p f y p f z ρρρ?- =??-=??-=? 10 p p p f p p i j k x y z ρ???-?=?= ++??? 6. 压差方程 ()x y z dp f dx f dy f dz ρ=++ 7. 势函数 ()()() ,,x y z f f f x y z πππ?-?-?-= ==??? ()dp d ρπ=-
计算流体力学大作业
1 提出问题 [问题描述] Sod 激波管问题是典型的一类Riemann 问题。如图所示，一管道左侧为高温高压气体，右侧为低温低压气体，中间用薄膜隔开。t=0 时刻，突然撤去薄膜，试分析其他的运动。 Sod 模型问题：在一维激波管的左侧初始分布为：0 ,1 ,1111===u p ρ，右侧分布为：0 ,1.0 ,125.0222===u p ρ，两种状态之间有一隔膜位于5.0=x 处。隔膜突然去掉，试给出在14.0=t 时刻Euler 方程的准确解，并给出在区间10≤≤x 这一时刻u p , ,ρ的分布图。 2 一维Euler 方程组 分析可知，一维激波管流体流动符合一维Euler 方程，具体方程如下： 矢量方程： 0U f t x ??+=?? (0.1) 分量方程： 连续性方程、动量方程和能量方程分别是： 2 22,,p u ρ
() ()()()2 000u t x u u p t x x u E p E t x ρρρρ???+ =?????????++=? ??????+?????+ =????? (0.2) 其中 22v u E c T ρ?? =+ ?? ? 对于完全气体，在量纲为一的形式下，状态方程为： ()2 p T Ma ργ∞ = (0.3) 在量纲为一的定义下，定容热容v c 为： () 21 1v c Ma γγ∞= - (0.4) 联立(1.2)，(1.3)，(1.4)消去温度T 和定容比热v c ，得到气体压力公式为： ()2112p E u γρ??=-- ??? (0.5) 上式中γ为气体常数，对于理想气体4.1=γ。 3 Euler 方程组的离散 3.1 Jacibian 矩阵特征值的分裂 Jacibian 矩阵A 的三个特征值分别是123;;u u c u c λλλ==+=-，依据如下算法将其分裂成正负特征值： () 12 222 k k k λλελ±±+= (0.6) 3.2 流通矢量的分裂 这里对流通矢量的分裂选用Steger-Warming 分裂法，分裂后的流通矢量为 ()()()()()()()12312322232121212122f u u c u c u u c u c w γλλλργλλλγλλγλ?? ? -++ ?=-+-++ ? ? ? -+-+++ ??? ＋＋＋＋＋＋＋ ＋＋ ＋＋ (0.7)
计算流体力学课后题作业
课后习题 第一章 1.计算流体动力学的基本任务是什么 计算流体动力学是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。 2.什么叫控制方程？常用的控制方程有哪几个？各用在什么场合？ 流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动包含有不同组分的混合或相互作用，系统还要遵守组分守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程。控制方程是这些守恒定律的数学描述。 常用的控制方程有质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分质量守恒方程。质量守恒方程和动量守恒方程任何流动问题都必须满足，能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。组分质量守恒方程，在一个特定的系统中，可能存在质的交换，或者存在多种化学组分，每种组分都需要遵守组分质量守恒定律。 4.研究控制方程通用形式的意义何在？请分析控制方程通用形式中各项的意义。 建立控制方程通用形式是为了便于对各控制方程进行分析，并用同一程序对各控制方程进行求解。
各项依次为瞬态项、对流项、扩散项、源项。 6.CFD商用软件与用户自行设计的CFD程序相比，各有何优势？常用的商用CFD软件有哪些？特点如何？ 由于CFD的复杂性及计算机软硬件条件的多样性，用户各自的应用程序往往缺乏通用性。 CFD商用软件的特点是 功能比较全面、适用性强。 具有比较易用的前后处理系统和其他CAD及CFD软件的接口能力，便于用户快速完成造型、网格划分等工作。 具有比较完备的容错机制和操作界面，稳定性高。 可在多种计算机、多种操作系统，包括并行环境下运行。 常用的商用CFD软件有PHOENICS、CFX、SRAR-CD、FIDAP、FLUENT。PHOENICS除了通用CFD软件应该拥有的功能外，PHOENICS软件有自己独特的功能：开放性、CAD接口、运动物体功能、多种模型选择、双重算法选择、多模块选择。 CFX除了可以使用有限体积法外，还采用基于有限元的有限体积法。用于模拟流体流动、传热、多相流、化学反应、燃烧问题。其优势在于处理流动物理现象简单而几何形状复杂的问题。 SRAR-CD基于有限体积法，适用于不可压流体和可压流的计算、热力学的计算及非牛顿流的计算。它具有前处理器、求解器、后处理器三大模块，以良好的可视化用户界面把建模、求解及后处理与全部的物理模型和算法结合在一个软件包中。
计算流体力学结课报告
计算流体力学结课报告200Km/h列车fluent仿真计算 学部：化、环、生学部 学院：化工机械与安全学院 学号：31507095 班级：化1512班 学生姓名：孙金
引言 数值仿真就是对所建立的数值模型进行数值实验和求解的过程。而计算流体力学CFD （Computational Fluid Dynamics）就是在工程仿真实验领域中应用最广泛的一门学科。任何流体运动的规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律为基础的。这些基本定律可由数学方程组来描述，如欧拉方程、N-S方程。采用数值计算方法，通过计算机求解这些控制流体流动的数学方程，进而研究流体的运动规律这就是CFD研究问题的方法。在实际计算流体力学方面，采用通用的CFD软件来完成工程上的一些流体力学问题，有极为广泛的应用前景。近年来，随着计算机技术以及相关技术的发展，CFD技术已经在工程领域内取得重大的进步，特别是在高速列车的外型设计方面起了很大作用。随着国家经济的发展，国家运输业也有了很大的发展，特别是列车经过几次提速后，高速列车在国家运输行业中所占比例不断提高。高速列车的特点是庞大、细长、在地面轨道上运行，其空气动力学问题非常复杂。空气在列车表面形成空气流场，空气阻力急剧增加，作用在列车的阻力大部分来自压强阻力，而一部分来自表面磨擦阻力，这就使能耗过大，同时列车可能出现较大的空气升力，导致列车产生“飘”的现象，激发列车脱轨事故的发生，因此研究高速列车气动力性能非常重要。用CFD仿真可以详细了解高速列车的空气动力特性，从而设计出阻力小、噪音低等各方面性能完善的高质量列车。本文采用CFD学科中的常用商业软件Fluent仿真一个时速200km/h的二维流线型车头的外流场，对其空气动力性能进行分析，从而得到不同车辆形状其周围流场的不同，进而分析哪种车型更适合。
(完整版)流体力学知识点总结汇总
流体力学知识点总结 第一章 绪论 1 液体和气体统称为流体，流体的基本特性是具有流动性，只要剪应力存在流动就持续进行，流体在静止时不能承受剪应力。 2 流体连续介质假设：把流体当做是由密集质点构成的，内部无空隙的连续体来研究。 3 流体力学的研究方法：理论、数值、实验。 4 作用于流体上面的力 （1）表面力：通过直接接触，作用于所取流体表面的力。 作用于A 上的平均压应力 作用于A 上的平均剪应力 应力 法向应力 切向应力 （2）质量力：作用在所取流体体积内每个质点上的力，力的大小与流体的质量成比例。（常见的质量力： 重力、惯性力、非惯性力、离心力） 单位为 5 流体的主要物理性质 （1） 惯性：物体保持原有运动状态的性质。质量越大，惯性越大，运动状态越难改变。 常见的密度（在一个标准大气压下）： 4℃时的水 20℃时的空气 （2） 粘性 ΔF ΔP ΔT A ΔA V τ 法向应力周围流体作用 的表面力 切向应力 A P p ??=A T ??=τA F A ??=→?lim 0δA P p A A ??=→?lim 0为A 点压应力，即A 点的压强 A T A ??=→?lim 0τ 为A 点的剪应力 应力的单位是帕斯卡（pa ） ，1pa=1N/㎡，表面力具有传递性。 B F f m =u u v v 2m s 3 /1000m kg =ρ3 /2.1m kg =ρ
牛顿内摩擦定律： 流体运动时，相邻流层间所产生的切应力与剪切变形的速率成正比。即 以应力表示 τ—粘性切应力，是单位面积上的内摩擦力。由图可知 —— 速度梯度，剪切应变率（剪切变形速度） 粘度 μ是比例系数，称为动力黏度，单位“pa ·s ”。动力黏度是流体黏性大小的度量，μ值越大，流体越粘，流动性越差。 运动粘度 单位：m2/s 同加速度的单位 说明： 1）气体的粘度不受压强影响，液体的粘度受压强影响也很小。 2）液体 T ↑ μ↓ 气体 T ↑ μ↑ 无黏性流体 无粘性流体，是指无粘性即μ=0的液体。无粘性液体实际上是不存在的，它只是一种对物性简化的力学模型。 （3） 压缩性和膨胀性 压缩性：流体受压，体积缩小，密度增大，除去外力后能恢复原状的性质。 T 一定，dp 增大，dv 减小 膨胀性：流体受热，体积膨胀，密度减小，温度下降后能恢复原状的性质。 P 一定，dT 增大，dV 增大 A 液体的压缩性和膨胀性 液体的压缩性用压缩系数表示 压缩系数：在一定的温度下，压强增加单位P ，液体体积的相对减小值。 由于液体受压体积减小，dP 与dV 异号，加负号，以使к为正值；其值愈大，愈容易压缩。к的单位是“1/Pa ”。（平方米每牛） 体积弹性模量K 是压缩系数的倒数，用K 表示，单位是“Pa ” 液体的热膨胀系数：它表示在一定的压强下，温度增加1度，体积的相对增加率。 du T A dy μ =? dt dr dy du ? =?=μ μτdu u dy h =ρ μν= dP dV V dP V dV ? -=-=1/κρ ρ κ d dP dV dP V K =-==1
计算流体力学课程大作业
《计算流体力学》课程大作业 ——基于涡量-流函数法的不可压缩方腔驱动流问题数值模拟 张伊哲 航博101 1、 引言和综述 2、 问题的提出，怎样使用涡量-流函数方法建立差分格式 3、 程序说明 4、 计算结果和讨论 5、 结论 1引言 虽然不可压缩流动的控制方程从形式上看更为简单，但实际上，目前不可压缩流动的数值方法远远不如可压缩流动的数值方法成熟。 考虑不可压缩流动的N-S 方程： 01()P t νρ??=? ? ??+??=-?+???? U U UU f U (1.1) 其中ν是运动粘性系数，认为是常数。将方程组写成无量纲的形式： 01()Re P t ??=?? ??+??=-?+????U U UU f U (1.2) 其中Re 是雷诺数。 从数学角度看，不可压缩流动的控制方程中不含有密度对时间的偏导数项，方程表现出椭圆-抛物组合型的特点；从物理意义上看，在不可压缩流动中，压力这一物理量的波动具有无穷大的传播速度，它瞬间传遍全场，以使不可压缩条件在任何时间、任何位置满足，这就是椭圆型方程的物理意义。这就造成不可压缩的N-S 方程不能使用比较成熟的发展型．．．偏微分方程的数值求解理论和方法。 如果将动量方程和连续性方程完全耦合求解，即使使用显示的离散格式，也将会得到一个刚性很强的、庞大的稀疏线性方程组，计算量巨大，更重要的问题是不易收敛。因此，实际应用中，通常都必须将连续方程和动量方程在一定程度上解耦。 目前，求解不可压缩流动的方法主要有涡量-流函数法，SIMPLE 法及其衍生的改进方法，有限元法，谱方法等，这些方法各有优缺点。其中涡量-流函数法是解决二维不可压缩流动的有效方法。作者本学期学习了研究生计算流体课程，为了熟悉计算流体的基本方法，选择使用涡量-流函数法计算不可压缩方腔驱动流问题，并且对于不同雷诺数下的解进行比较和分析，得出一些结论。 本文接下来的内容安排为：第2节提出不可压缩方腔驱动流问题，并分析该问题怎样使用涡量-流函数方法建立差分格式、选择边界条件。第3节介绍程序的结构。第4节对于不同雷诺数下的计算结果进行分析，并且与U.GHIA 等人【1】的经典结论进行对比，评述本
计算流体力学过渡到编程的傻瓜入门教程
借宝地写几个小短文，介绍CFD的一些实际的入门知识。主要是因为这里支持Latex，写起来比较便。 CFD，计算流体力学，是一个挺难的学科，涉及流体力学、数值分析和计算机算法，还有计算机图形学的一些知识。尤其是有关偏微分程数值分析的东西，不是那么容易入门。大多数图书，片中数学原理而不重实际动手，因为作者都把读者当做已经掌握基础知识的科班学生了。所以数学基础不那么好的读者往往看得很吃力，看了还不知道怎么实现。本人当年虽说是学航天工程的，但是那时本科教育已经退步，基础的流体力学课被砍得只剩下一维气体动力学了，因此自学CFD的时候也是头晕眼花。不知道怎么实现，也很难找到教学代码——那时候网络还不发达，只在教研室的故纸堆里搜罗到一些完全没有注释，编程风格也不好的冗长代码，硬着头皮分析。后来网上淘到一些代码研读，结合书籍论文才慢慢入门。可以说中间没有老师教，后来赌博士为了混学分上过CFD专门课程，不过那时候我已经都掌握课堂上那些了。 回想自己入门艰辛，不免有一个想法——写点通俗易懂的CFD入门短文给师弟师妹们。本人不打算搞得很系统，而是希望能结合实际，阐明一些最基本的概念和手段，其中一些复杂的道理只是点到为止。目前也没有具体的计划，想到哪里写到哪里，因此可能会很零散。但是我争取让初学CFD 的人能够了解一些基本的东西，看过之后，会知道一个CFD代码怎么炼成的（这“炼”字好像很流行啊）。欢迎大家提出意见，这样我尽可能的可以追加一些修改和解释。
言归正传，第一部分，我打算介绍一个最基本的算例，一维激波管问题。说白了就是一根两端封闭的管子，中间有个隔板，隔板左边和右边的气体状态（密度、速度、压力）不一样，突然把隔板抽去，管子面的气体怎么运动。这是个一维问题，被称作黎曼间断问题，好像是黎曼最初研究双曲微分程的时候提出的一个问题，用一维无粘可压缩Euler程就可以描述了。 这里 这个程就是描述的气体密度、动量和能量随时间的变化（）与它们各自的流量（密度流量，动量流量，能量流量）随空间变化（）的关系。 在CFD常把这个程写成矢量形式 这里 进一步可以写成散度形式
流体力学总结
流体力学总结 [题型]:简答题 流体静压强实验的操作步骤, 答案:(1)搞清仪器组成及其用法;(2)检查仪器是否密封，将阀门关闭，加压后检查测管液面高程是否恒定，若下降，表明漏气，应查明原因并加以处理;(3)量测点静压强(各点压强用厘米水柱高表示);(4)打开排气阀，记录水箱液面标高?0和各测压管液面标高?H (?H =0);(5) 关闭排气阀，用加压器缓慢加压，U形管出现压差?h。在加压的同时，观察左侧? A1、A2、B1、B2管的液柱上升情况，由于水箱内部的压强向各个方向传递，在左侧的测压管中，可以看到由于A、B两点在水箱内的淹没深度h不同，在压强向各点传递时，先到A点后到B点。在测压管中反应出的是A1管的液柱先上升，而B1管的液柱滞后一点也在上升，当停止加压时，A1、B1两点在同一水平面上， A2、B2两点与水箱内液面在同一水平面上，测记?0及各?H(此过程反复进行3 次;(6)打开排气阀，使液面恢复到同一水平面上。关闭排气阀，打开密闭容器底部的水门，放出一部分水，造成容器内压力下降，观察U形管中液柱的变化情况，测记?0及各?H(此过程反复进行3次)。 难度:1 分数:100 所属知识点: 知识体系/建筑系/土木专业/《流体力学》/流体动力学 [题型]:简答题 雷诺方程演示实验的操作步骤, 答案:(1)测记本实验的有关常数;(2)观察两种流态;(3)打开开关3使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀9，并注入颜色水于实验管内，使颜色水
流成一直线。通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态，然后逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到紊流的水力特征，待管中出现完全紊流后，再逐步关小调节阀，观察由紊流转变为层流的水力特征;(4)测定下临界雷诺数;(5) 将调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流量减小。当流量调节到使颜色水在全管刚呈现出一稳定直线时，即为下临界状态;(6)待管中出现临界状态时，用体积法或重量法测定流量;(7)根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值(2320)比较，偏离过大，需重测;(8)重新打开调节阀，使其形成完全紊流，按照上述步骤重复测量不少于三次;(9)同时用水箱中的温度计测记水温，从而求得水的运动粘度。难度:1 分数:100 所属知识点: 知识体系/建筑系/土木专业/《流体力学》/流体动力学 [题型]:简答题 流体力学综合实验的操作步骤, 答案:(1)测记本实验的有关常数;(2)打开电子调速器开关，使恒压水箱充水，排除实验管道中的滞留气体，待水箱溢流后，检查泄水阀全关时，各测压管液面是否齐平，若不平，则需排气调平;(3)打开泄水阀至最大开度，待流量稳定后，测记测压管读数，同时用体积法测记流量;(4)改变泄水阀开度3,4次，分别测记测压管读数及流量;(5) 实验完成后关闭泄水阀，检查测压管液面齐平后再关闭进水阀。 难度:2 分数:100 所属知识点: 知识体系/建筑系/土木专业/《流体力学》/流体动力学 [题型]:简答题 能量方程演示实验的操作步骤,
流体力学大作业
流体力学-大作业
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一．选择题 1．牛顿内摩擦定律适用于()。 A.任何流体B．牛顿流体 C.非牛顿流体 2．液体不具有的性质是()。 A．易流动性Ｂ.压缩性Ｃ.抗拉性 D.粘滞性 3连续介质假定认为流体（)连续。 A．在宏观上 B.在微观上 C.分子间Ｄ．原子间 4.在国际单位制中流体力学基本量纲不包括（）。 A．时间 B.质量 C.长度D．力． 5.在静水中取一六面体，作用在该六面体上的力有（) Ａ．切向力、正压力Ｂ．正压力C．正压力、重力D．正压力、切向力、重力 ６. 下述哪些力属于质量力（) A．惯性力Ｂ.粘性力 C.弹性力Ｄ.表面张力Ｅ．重力 7.某点存在真空时,( ）(） A.该点的绝对压强为正值 B.该点的相对压强为正值c.该点的绝对压强为负值 D.该点的相对压强为负值 ８．流体静压强的( )。 A.方向与受压面有关Ｂ.大小与受压面积有关B．大小与受压面方位无关 9．流体静压强的全微分式为（)。 A. B. C． １0．压强单位为时，采用了哪种表示法（)。 A．应力单位Ｂ.大气压倍数C．液柱高度 11.密封容器内液面压强小于大气压强，其任一点的测压管液面( ）。 A.高于容器内液面B．低于容器内液面 C.等于容器内液面 12．流体运动的连续性方程是根据( ）原理导出的。 A.动量守恒 B. 质量守恒 C.能量守恒 D. 力的平衡 13．流线和迹线重合的条件为（)。
A．恒定流B.非恒定流C.非恒定均匀流 １４．总流伯努利方程适用于（）。 A.恒定流 B.非恒定流Ｃ.可压缩流体 15. 总水头线与测压管水头线的基本规律是：( ）、( ） A.总水头线总是沿程下降的。B．总水头线总是在测压管水头线的上方。 C.测压管水头线沿程可升可降。 D.测压管水头线总是沿程下降的。 １6 管道中液体的雷诺数与（)无关。 A.温度B．管径Ｃ. 流速D．管长 １7．. 某圆管直径d=3０mｍ，其中液体平均流速为20ｃｍ/s。液体粘滞系数为0.0１14cm3/s，则此管中液体流态为( )。 A. 层流 B. 层流向紊流过渡C．紊流 1８．等直径圆管中紊流的过流断面流速分布是（)A呈抛物线分布B．呈对数线分布 C.呈椭圆曲线分布D．呈双曲线分布19．等直径圆管中的层流,其过流断面平均流速是圆管中最大流速的（） A １．０倍 B.1/３倍Ｃ.1/４倍D. 1/2倍 20.圆管中的层流的沿程损失与管中平均流速的（）成正比. A. 一次方 B.二次方 C. 三次方Ｄ. 四次方 ２1..圆管的水力半径是（) A. d/2Ｂ.d/3 C. d/４D. d／5. 2２谢才公式中谢才系数的单位是（）A.无量纲B．Ｃ.D．. 23．判断层流和紊流的临界雷诺数是（） Ａ.上临界雷诺数 B.下临界雷诺数 C.上下临界雷诺数代数平均 D.上下临界雷诺数几何平均 24..对于管道无压流,当充满度分别为( )时，其流量和速度分别达到最大。Ａ．0.５,0.５B．0.95,0．８1 C.0.８1, ０8１ D. １.0，1.０ 25.对于ａ, ｂ，c三种水面线，下列哪些说法是错误( ）（) A．所有a、ｃ型曲线都是壅水曲线，即，水深沿程增大。B．所有
计算流体力学大作业报告(翼型空气动力分析)
课程综合作业课程名称：计算流体力学 专业班级：研究方向： 学生姓名：学号： 完成日期：
计算流体力学课程综合报告 1.简介 计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。其基本思想为:把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。 CFD可以看作是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（速度、压力、温度、浓度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。还可据此算出相关的其他物理星，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。此外，与CAD联合，还可进行结构优化设计等。 2.计算流体动学的特点: ①流动问题的控制方程一般是非线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，而用CFD方法则有可能找出满足工程需要的数值解。 ②可利用计算机进行各种数值试验，例如，选择不同流动参数进行物理方程中各项有效性和敏感性试验，从而进行方案比较。 ③它不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。 ④数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的数值解，并有一定的计算误差。 ⑤它不像物理模型实验一开始就能给出流动现象并定性地描述，往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参数，并需要对建立的数学模型进行验证。