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计算流体力学CFD及其应用


关键词: 计算流体力学(CFD) 正 文:

应用

阅读有关计算流体力学的资料, 我对于计算流体力学有一些了解。 由于计算流体力学与 我所学专业有一定联系。以下,我便对于计算流体力学进行简要的阐述并简略介绍其应用。 首先是我对计算流体力学概念的理解。计算流体力学( Computational Fluid Dynamics , 以下简称为 CFD) 是基于计算机技术的一种数值计算工具, 用于求解流体的流动和传热问 题。它是流体力学的一个分支, 用于求解固定几何形状空间内的流体的动量、热量和质量方 程以及相关的其它方程, 并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关数据。CFD 最早运用于汽车制造业、航天业及核工业[见 Scott G M , Richardson P1The application of computational fluid dynamics in the food industry1Trends in Food Science and Technology 8 (4) : 119~124] , 用离散方程解决空气动力学中的流体力学问题。 这里是 CFD 的简要概述。 CFD 计算相对于实验研究, 具有成本低、 速度快、 资料完备、 可以模拟真实及理想条件等优点。20 世纪 60 年代末, CFD 技术已经在流体力学各相关行 业得到了广泛的应用[见 Parviz M ,John K1Tackling turbulence with supercomputers1Science American ,1 :276] 。 CFD 有多种计算方法,而主要有三种: 差分法、有限元法、有限体积法。计算流体力学 是多领域交叉的学科, 涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何学、 数值分析等学科。这些学科的交叉融合, 相互促进和支持, 也推动着这些学科的深入发展。 以下是我从阅读过程中总结的 CFD 几点优势: (1) 可以更细致地分析、研究流体的流动、物质和能量的传递等过程; (2) 可以容易地改变实验条件、参数, 以获取大量在传统实验中很难得到的信息资料; (3) 整个研究、设计所花的时间大大减少; (4) 可以方便地用于那些无法实现具体测量的场合, 如高温、危险的环境; (5) 根据模拟数据, 可以全方位的控制过程和优化设计。 当我们着手研究一项课题时, 我们首先需要建立模型: 根据相关专业知识将问题用数学 方法表达出来。然后就是如何利用 CFD 软件, 对问题进行求解、分析。整个 CFD 处理过 程大致包括三个部分:

A 几何模型 前处理 B 划分网格

A 确定 CFD 方法的控制方程 一般结构 求解器 B 选择离散方法进行离散 C 选用数值计算方法 D 输入相关参数

A 速度场温度场的分布 后处理 B 计算机可视化

我们在利用 CFD 软件处理问题时, 采用什么样的网格形式、坐标形式、网格密度及湍 流模型都是需要研究者慎重考虑的。应在能保证模拟准确度、精确度的前提下, 尽可能地选 用简单的方法和模型。这样不仅可以简化问题, 而且可以节约计算机资源, 减少计算时间。 随着 CFD 在工程技术中应用的推广, CFD 也逐渐软件化、商业化。这些软件能方便地处理 工程技术领域内的各种高难度复杂问题, 因而极具吸引力。然而 CFD 软件在食品中的应用 还没有很成熟, 有必要在计算精度、功能的强化、计算的效率、收敛性和操作的简单化等方 面作进一步的完善。CFD 商业软件中既有通用的也有作为特殊用途的专业软件, 而且这些 软件大多数都能在一般高性能计算机的 UNIX 、 LINUX 、 WINDOWS 操作系统上运行, 这 为这些软件的推广使用打下了良好的基础。本人正学习软件工程,对于 CFX,FLUENT, PHOENICS 的 CFD 软件很有兴趣。这些软件多为商业软件并不是十分完善,然而大多软件 都在性能上作了很大的改进,以更好的服务 CDF 技术。 以上我阐述了一些对于计算流体力学的知识以及对于这些知识的一些理解。而对于计算 流体力学的应用, 我主要从举计算流体力学在制冷工程中的应用作为例子。 这里参考了瞿晓 华,谢晶等人在《计算流体力学在制冷工程的应用》一文。 CFD 在食品冷冻冷藏方面的研究近几年来非常的活跃,这也是有 CFD 的独特优势决定 的。以下我将分成几个方面来讲它在冷冻方面的应用。 冷藏陈列柜是冷藏链中的一个薄弱环节, 国内外许多研究工作者都为如何改善柜内的气 流组织、温度控制、湿度控制、节能以及陈列柜外形等方面做了大量有益工作。Baleo 等对

陈列柜风幕的空气流动分布情况作了数值研究, 刘东毓和吴业正建立了冷藏陈列柜的二维 CFD 模型 , 并在此基础上对柜内气流场和传热机理作了研究; 为了节约占地面积 , 维持 一个较大的购物环境 , 超市更偏向于使用立式冷藏陈列柜。放冷冻食品的陈列柜常装有玻 璃门 , 但是用于冷却食品的陈列柜一般是敞开式的。Cortella 等对敞开式陈列柜作了 CFD 研究 , 考虑到压力项给计算带来的困难 , 计算中没有把压力作为原始变量直接求解 , 而 是采用了涡量 - 流函数法进行间接求解。对陈列柜内的空气流场和温度分布情况作了数值 分析 , 并进行了实验验证等等。就国内而言。陈天及和孙英英研究了影响冷柜温度分布和 能耗的因素 , 并指出了柜内温度和柜门的开启次数是两个作用较大的因素。 CFD 在制冷方面的应用还体现在冷库方面。 由于冷库情况比较复杂 , 各类书籍对此介绍 不多, 而且数值计算在冷库方面的应用不多。 余克志和陈天及建立了小型装配式冷库的二维 物理模型和紊流数学模型 , 并编制计算机程序进行数值求解 , 揭示了库内气体流场特性与 温度场分布特性 , 并分析了装货高度和位置对库内速度场和温度场的影响以及冷风机送风 速度及库温控制对库内温度分布的影响[见余克志, 陈天及 1 货物对小型冷库流场和温度场 影响的数值研究。 CFD 在食品冷冻方面的应用研究较多。CFD 是一个强有力的过程模拟工具 , 因而可以 将 CFD 应用于系统、设备的优化设计上。比如:ZEHUA—HU 和 DA-WAN-SUN 对热火腿 在吹风冷却过程中的传热、传质进行了 CFD 模拟 从而达到预测冷却速率及干耗情况的目 的。模拟的结果与实验的数据有很好的一致性。在设计和制造前 , 调整冷却设备的相关参 数 如: 进风管的设置、 温度、 流速 , 风机的位置 , 出风管的布置等等 , 进行模拟计算 , 在 模拟的基础上对冷却设备进行优化设计, 这样可以最少的代价得到最佳的方案。 CFD 在制冷方面还有其他应用,在此就不一一列举了。从以上可知 CFD 对于我们的日 常生活是非常有用的。然而从各文献来看,CFD 还主要局限在小型冷冻方面中,所以 CFD 在这方面还许有很大的改进。 用计算流体力学里的大师 Kuchemann 的一句话来结尾我的读书笔记: 每一种具体的理论 或数值方法都是暂时的,而对流动本质的理解却是永恒的。


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