CFD学习基石：基础概念与技能构建

前言：

CFD是计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）的简称，是流体力学和计算机科学相互融合的一门新兴交叉学科，它从计算方法出发，利用计算机快速的计算能力得到流体控制方程的近似解。

CFD软件通常指商业化的CFD程序，具有良好的人机交互界面，能够使使用者无需精通CFD相关理论就能够解决实际问题。CFD软件的一般结构由前处理、求解器、后处理三部分组成。前处理、求解器及后处理三大模块, 各有其独特的作用, 分别表示如下:

目前比较主流的CFD软件有：CFX、Fluent、Phoenics、Star-CD、comsol、star-ccm+、flow-3D、AUTODESK CFD（前身为CFdesign）。其中CFX，Fluent，star-CD，comsol等为通用求解器，能够解决各类流体问题。后续我们会对Fluent软件进行学习。

一、流体力学基础

1、控制体

控制体是指流场中某一确定的空间区域，这个区域的周界称为控制面。控制体的形状根据流动情况和边界位置任意选定。当选定之后，控制体的形状和位置相对于所选定的坐标系来讲是固定不变的，但它所包含的流体的量是时时刻刻改变的。如果这个坐标系是固定的就称为固定控制体，如果坐标系本身也在运动，则称为运动控制体。

关键特征

a、空间的一个区域

b、该区域被控制面所包围

c、其大小和形状是任意的

d、适用于有限的和极小尺寸的区域

2、流体运动的基石----三大守恒方程

• 质量守恒方程（流入控制体质量等于流出控制体的质量）
• 动量守恒方程（牛顿运动定律）
• 能量守恒方程（热力学第一定律）

3、坐标系统

无论是控制体的确定，还是三大守恒方程的数值计算，前提都是要有一个统一的坐标系统，在流体力学中有两种坐标系来描述基本守恒方程。

1、拉格朗日坐标系

a、研究流体质点的运动

b、流体质点随时间变化的空间位置和特征

c、一般用于颗粒的空间运动轨迹的研究

2、欧拉坐标系

a、研究流体流过的控制体（该控制体在空间位置上是相对固定的）

b、独立 变量是空间位置坐标（x,y,z）和时间（t）

二、CFD基础

1、CFD模型数值求解基本思想

a、把原来空间与时间坐标中连续的物理量的场（如速度场、温度场、浓度场等），用一系列有限个离散点（称为节点，node）上的值的集合来代替；

b、通过一定的原则建立起这些离散点变量值之间关系的代数方程（称为离散方程，discretization equation）;

c、求解建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似解。

2、CFD模型数值求解方法

a、有限差分法（finite difference method，FDM）

b、有限体积法（FVM）

c、有限元法（FEM）

d、有限分析法（FAM）

三、流体力学基本概念

1、理想流体与粘性流体

粘性的定义：流体所具有的这种抵抗两层流体间相对滑动速度的性质（更普遍的理解是流体所具有的抵抗变形的性质）

2、牛顿流体与非牛顿流体
区分标准是内摩擦剪应力（内摩擦力）与速度变化率是否为线性，如果为线性即μ为常量则为牛顿流体，否则为非牛顿流体。内摩擦力与速度变化率公式如下：

3、可压（缩）流体与不可压（缩）流体

区分标准是流体的密度是否为常数，若密度为常数则为不可压流体（如水，油等），否则为可压流体

4、定常流动与非定常流动

区分标准是流体流动的物理量（如速度，压力，温度）是否随时间的变化而变化，若物理量随时间的变化而变化则为非定常流动，否则为定常流动

5、层流与湍流

层流指流体在流动中两层间没有相互混掺（一般是低速流体）；湍流是指流体不是处于分流的状态而是相互混合（一般是高速流体）

四、Fluent软件流体力学分析基本步骤

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