這些計(jì)算流體的應(yīng)用領(lǐng)域你都知道嗎？

2018-04-14 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

近十多年來,CFD有了很大的發(fā)展,替代了經(jīng)典流體力學(xué)中的一些近似計(jì)算法和圖解法,過去的一些典型教學(xué)實(shí)驗(yàn),如Reynolds實(shí)驗(yàn),現(xiàn)在完全可以借助CFD手段在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。

所有涉及流體流動(dòng)、熱交換、分子輸運(yùn)等現(xiàn)象的問題,幾乎都可以通過計(jì)算流體力學(xué)的方法進(jìn)行分析和模擬。CFD不僅作為一個(gè)研究工具,而且還作為設(shè)計(jì)工具在水利工程、土木工程、環(huán)境工程、食品工程、海洋結(jié)構(gòu)工程、工業(yè)制造等流域發(fā)揮作用。典型的應(yīng)用場(chǎng)合及相關(guān)的工程問題包括:

1.航空工程

CFD在航空和國防工業(yè)中的應(yīng)用經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期的發(fā)展過程,取得了令人矚目的成績(jī)。在激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中,CFD在改進(jìn)飛行設(shè)計(jì)中起到了關(guān)鍵性的作用。實(shí)際上,很多工程師已將CFD和空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)合起來用于諸如飛機(jī)機(jī)翼升力的計(jì)算。隨著CFD計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)能力的提高,其使用更為簡(jiǎn)便,人們?cè)谟?jì)算升力之外,其應(yīng)用范圍已經(jīng)得到很大拓展。今天,CFD正用于求解很多困難的實(shí)際問題,而這些問題用過去的計(jì)算工具是難以分析或求解的。

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2.汽車工程

現(xiàn)在,汽車工程師們正在依靠更多的模擬技術(shù)將提出的新車設(shè)計(jì)概念付諸實(shí)施。計(jì)算機(jī)輔助工程已經(jīng)處于革新汽車內(nèi)部系統(tǒng)的技術(shù)前沿,可以更好地全計(jì)算流體力學(xué)長(zhǎng)期以來一直是汽車設(shè)計(jì)和制造中的一個(gè)基本要素。除了航空航天工業(yè)外,汽車工業(yè)在研究制造中也大量使用了CFD技術(shù)。因此,作為工程模擬工具,即使面對(duì)最困難的挑戰(zhàn),CFD仍然在許多工業(yè)領(lǐng)域中得到很好的應(yīng)用。

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3.生物科學(xué)工程

醫(yī)學(xué)研究者現(xiàn)在依靠模擬工具幫助預(yù)測(cè)人體中血液循環(huán)流動(dòng)狀態(tài),數(shù)值模擬能夠提供實(shí)驗(yàn)難以得到的有價(jià)值的信息,而且CFD還可以對(duì)很多流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行研究。同時(shí),CFD 在制藥工業(yè)也有廣泛的應(yīng)用。

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4.化學(xué)和采礦工程

很多世界必需品源于化學(xué)工業(yè)和采礦業(yè),這些工業(yè)通過物理或化學(xué)方法加工原材料,消耗大量的熱能和電能,為食品、保健品以且先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)設(shè)備和生物技術(shù)設(shè)備提供初級(jí)產(chǎn)品,面對(duì)不斷加劇的競(jìng)爭(zhēng),這些工業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是既要滿足當(dāng)前世界性的需求,同時(shí)時(shí)未來發(fā)展丑不造成損害,這就要求生產(chǎn)過程更高效、更安全以及更少污染物的排放。

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5.民用和環(huán)境工程

政府、研究機(jī)構(gòu)以且企業(yè)正在職融尋求途徑滿足環(huán)境保護(hù)法,在維持一定生產(chǎn)水平、滿足市場(chǎng)不斷增加需靠的同時(shí),保證減少環(huán)境污染。在很多時(shí)候,CFD模擬已經(jīng)成為解決環(huán)境問題的核心技術(shù)。

6.能源工程

在不斷競(jìng)爭(zhēng)的能源市場(chǎng)中,設(shè)備制造商們轉(zhuǎn)向CFD尋求技術(shù)支持,以便更好地了解和提升能源工業(yè)中的設(shè)備和工藝。盡管傳統(tǒng)的發(fā)電方式仍在廣泛使用,但已經(jīng)出現(xiàn)了具有潛力的可再生能源,如鳳力發(fā)電。為使投資得到最大回報(bào),面提升駕駛體驗(yàn),改善駕破員和乘客的舒適性和安全性,并且進(jìn)一步降低油耗,CFD已經(jīng)被用于風(fēng)力發(fā)電渦輪葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中,使之在不同的來風(fēng)條件下能產(chǎn)生恒定的功率。通過CFD的風(fēng)能資源評(píng)估,工程師可以更好地研究風(fēng)力發(fā)電站的經(jīng)濟(jì)性,正確的模擬結(jié)果可以減少投資風(fēng)險(xiǎn)。

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7.體育

隨著體育水平的不斷提高,特別是在奧運(yùn)賽場(chǎng)上,運(yùn)動(dòng)員的水平都在伯仲之間,體育比賽的勝負(fù)差距非常微小,為了在比賽中獲得勝利,不得不為提高器材的性能投入大量的資金。體育器材的流體動(dòng)力性能越來越重要,越來越多的優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員、運(yùn)動(dòng)隊(duì)以及體育設(shè)備制造商們都在努力從先進(jìn)的流體模型中獲取比賽空氣動(dòng)力的有利條件,越來越多的體育器材外形的研究成果逐漸為人們所認(rèn)可。同時(shí),CFD不僅可以研究體育運(yùn)動(dòng)器械等硬件設(shè)備,還可以對(duì)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)技巧進(jìn)行分析,針對(duì)不同運(yùn)動(dòng)員的自身?xiàng)l件,通過計(jì)算分析,制定更為科學(xué)量化的競(jìng)技動(dòng)作和訓(xùn)練內(nèi)容。

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CFD軟件工具

為了完成CFD計(jì)算,過去多是用戶自己編寫計(jì)算程序,但由于CFD的復(fù)雜性及計(jì)算機(jī)硬件條件的多樣性,使得用戶各自的應(yīng)用程序往往缺乏通用性,而CFD本身又有其鮮明的系統(tǒng)性和規(guī)律性,因此,比較適合于被制成通用的商用軟件。

在1981年以來,出現(xiàn)了如FLUENT、PHOENICS、STAR-CD、STAR-CCM+、CFX、等多個(gè)商用CFD軟件,其中FLUENT軟件是當(dāng)今世界CFD仿真領(lǐng)域最為全面的軟件包之一,這些軟件的特點(diǎn)是:

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)和與其它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。
可在多種計(jì)算機(jī)、多種操作系統(tǒng),包括并行環(huán)境下運(yùn)行。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,這些商用軟件在工程界正在發(fā)揮著越來越大的作用。

FLUENT

FLUENT軟件是當(dāng)今世界CFD仿真領(lǐng)域最為全面的軟件包之一,具有廣泛的物理模型,以及能夠快速準(zhǔn)確的得到CFD分析結(jié)果。

FLUENT軟件擁有模擬流動(dòng),湍流,熱傳遞和反應(yīng)等廣泛物理現(xiàn)象的能力,在工業(yè)上的應(yīng)用包括從流過飛機(jī)機(jī)翼的氣流到爐膛內(nèi)的燃燒,從鼓泡塔到鉆井平臺(tái),從血液流動(dòng)到半導(dǎo)體生產(chǎn),以及從無塵室設(shè)計(jì)到污水處理裝置等等。軟件中的專用模型可以用于開展缸內(nèi)燃燒,空氣聲學(xué),渦輪機(jī)械和多相流系統(tǒng)的模擬工作。

現(xiàn)今,全世界范圍內(nèi)數(shù)千計(jì)的公司將FLUENT與產(chǎn)品研發(fā)過程中設(shè)計(jì)和優(yōu)化階段相整合,并從中獲益。先進(jìn)的求解技術(shù)可提供快速、準(zhǔn)確的CFD結(jié)果、靈活的移動(dòng)和變形網(wǎng)格,以及出眾的并行可擴(kuò)展能力。用戶自定義函數(shù)可實(shí)現(xiàn)全新的用戶模型和擴(kuò)展現(xiàn)有模型。

FLUENT中的交互式的求解器設(shè)置、求解和后處理能力可輕易暫停計(jì)算過程,利用集成的后處理檢查結(jié)果,改變?cè)O(shè)置,并隨后用簡(jiǎn)單的操作繼續(xù)執(zhí)行計(jì)算。ANSYS CFD-Post可以讀入Case和Data文件,并利用其先進(jìn)的后處理工具開展深入分析,同時(shí)對(duì)比多個(gè)算例。

ANSYS Workbench集成ANSYS FLUENT后給用戶提供了與所有主要CAD系統(tǒng)的雙向連接功能,其中包括ANSYS DesignModeler強(qiáng)大的幾何修復(fù)和生成能力,以及ANSYS Meshing先進(jìn)的網(wǎng)格劃分技術(shù)。該平臺(tái)通過使用一個(gè)簡(jiǎn)單的拖放操作便可以共享不同應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果