CFD：用软件完成流体仿真分析（step1）

比眉伴天荒 2022-11-26 10:56 269阅读 0赞

从零开始，尝试用软件(FLUENT)完成一个流体仿真，用来模拟高温实验箱内的气流流动，进而分析箱内的热量流动，最终确定实验箱稳定状态下的热量分布模型，指导设备的温度平衡度测试。

**CFD:**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1dGllX2JhcnRob2xvbWV3_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

CFD，英语全称(Computational Fluid Dynamics），即计算流体动力学。CFD是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的交叉科学。它是将流体力学的控制方程中积分、微分项近似地表示为离散的代数形式，使其成为代数方程组，然后通过计算机求解这些离散的代数方程组，获得离散的时间/空间点上的数值解。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1dGllX2JhcnRob2xvbWV3_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

发现一个cfd的大佬：

他还专门写了一个入门系列叫作小白的CFD之旅

[http://blog.sina.com.cn/s/articlelist\_1503498154\_7\_1.html][http_blog.sina.com.cn_s_articlelist_1503498154_7_1.html]

[http://blog.sina.com.cn/s/blog\_599d8faa0102wmf3.html][http_blog.sina.com.cn_s_blog_599d8faa0102wmf3.html]

这是大佬给的学习思路：

在学习任一款软件初期，先不管这软件的背景和理论，先找那种step by step的实例，做上十个八个这种实例再说。在做实例的初期，可能会存在很多困惑，而且随着实例越做越多，困惑也会越来越多。不过没有关系，尽管做下去，什么都不要想，就一味的模仿再模仿。每个实例最好多做几遍，直到放开资料也能操作的程度。此时软件的界面基本上算熟悉了。

在熟悉软件界面的时候，囤积了很多的疑惑，可以将它们写在纸上，但是请不要在熟悉界面的时候去找问题答案。

CFD软件界面熟悉之后，下一步该是有针对性的练习了，一般是根据自己所处的工程环境而去练习。

CFD一般包括以下一些方面的内容：

（1）常规的流动计算。这是所有CFD计算都要考虑的问题，比如说考察流场分布、升阻力变化等。这里面可能会涉及到层流与湍流的问题。初学者需要找本流体力学的书去看看层流和湍流是如何区分的，需要看看计算流体力学中关于湍流模型的介绍，比如说为何要使用湍流模型、各种湍流模型的形式及适用场合、湍流模型与计算网格之间的联系等等。

（2）传热计算。虽然现实世界中传热现象无处不在，不过如果在一些可简化为等温的情况下，也并非一定要计算传热。如果要计算传热，最好具有传热学的一些理论基础，否则连自己要算什么都不清楚。一些特殊的物理现象往往必须要考虑传热，比如说相变、燃烧、可压缩流动等。

（3）多相流计算。如果计算模型中存在多种流体，则可能会涉及到多相流。

（4）组分扩散计算。这通常包含一般的组分扩散及化学反应过程。化学反应过程最常见的物理现象是燃烧。

（5）其他的一些物理现象。

这些不同的物理现象背后都有其理论基础，如果要想将CFD软件应用到自己的工程中，只有操作基础是远远不够的，还需要努力去掌握这些流体理论。

好了，CFD软件操作和工程物理背景理论都很重要，有人会问"计算流体力学理论要不要学？"

我会问"你考驾校的时候，师傅会不会详细的教汽车发动机的原理？"我想一般都不会教的吧，大部分的司机师傅都不太可能懂这些，但是车依然能开得不错。当然，如果懂发动机的工作原理，那估计车子能开得更好了，不是吗？

所以说，"计算流体力学理论"对于俺们CFD软件使用者来说，是锦上添花的东西，懂固然更好，能让计算收敛更快。不懂问题其实也不大。

总结一下，CFD门外汉快速入门的方法：前期大量的模仿实例，后期恶补工程背景，闲暇看看计算流体力学理论。

CFD是**计算流体力学**的英文简称，是计算机辅助工程（**CAE**）的主要分支，目前广泛应用与科学研究、工程设计中。这是一门综合了**数学**、**计算机**及**流体力学**的综合学科，涉及到众多的专业理论，如果缺少相应的专业基础，要想将CFD应用于工程中则需要花费较多的时间。

CFD工程应用主要涉及到以下几个方面：

*  **力学建模**：将现实世界中的物理现象抽象为计算机能够识别的力学模型。这部分在CFD应用中是最为重要的一步，然而在实际工作中常常被忽略。力学建模要求CFD应用者具备良好的流体力学理论功底。只有具备良好的理论素质，才能够准确的把握现象的本质，而不至于造成因为不必要的细节而舍去核心本质。
 *  **数值计算**：将力学模型转化为计算机可求解计算的代数方程组以及代数方程组的数值求解。力学建模通常得到的是微分方程，除非一些特别简单的物理现象，否则这些微分方程基本上很难得到解析解。CFD通常采用的是数值求解技术，通过离散化技术将微分方程转化为计算机容易求解的代数方程。
 *  **网格生成**：数值计算过程中的数值离散技术通常要用到计算网格。我们将连续的求解域切割成离散的小的空间的过程称之为网格生成。生成高质量的网格是优质计算的前提。
 *  **计算结果解释**：计算机求解代数方程后获取的是计算域空间上所有节点上的物理量的值，为了更好地利用计算结果，通常将数值计算结果以图形图表的形式进行展示。

## 这是给出的入门的基础知识准备： ##

1.流体力学

*  学习内容  
    先找本**《流体力学》**参考书学习一下，不过现在没有那么多的时间给你去仔细学习其中的理论，这个可以在以后的时间里慢慢的去补习。重点了解一下流体力学的基本内容、基本研究手段、研究对象等，你需要了解到流体力学所要求解的是哪些基本物理量，这个非常重要，我们要做流体仿真的话，这些内容都要透彻了解。
 *  参考资料  
    给你推荐几本参考书。

1.  《图解流体力学》  
    这本书比较通俗易懂，作者为小峰龙男，高丕娟翻译。通过这本书可以了解流体力学的一些基本原理及基本理论。图书馆就可以找得到，强烈建议像你这样完全没有流体力学基础的人翻阅。  
    ![format_png][]
2.  《普朗特流体力学基础》  
    这本书作者为\[德\]H.欧特尔，朱自强等翻译。作者为现代流体力学开山祖师普朗特的学生，内容很全面，也很基础，强烈建议精读。  
    ![format_png 1][]
3.  Fluid Mechanics  
    Kundu的经典流体力学，建议阅读。  
    ![format_png 2][]
4.  《流体力学基础及其工程应用》  
    外文影印版，推荐阅读。  
    ![format_png 3][]  
    除了以上推荐的流体力学书之外，有时间可以去图书馆找其他的对你口味的书籍。

2.数学补充

除了本科阶段学习的高等数学与线性代数之外，我们还需要加强数学方面的素质。  
对于你们现在正在学习的《数学物理方程》，强烈建议认真学习，仔细体味力学问题的数学建模过程，比如说波动方程、扩散方程等的推导过程，以及偏微分方程的分类方式等。至于偏微分方程的解析求解方式，咱们不是搞理科的，基本上很少用到，而且以后我们遇到的物理问题所抽象的偏微分方程，基本上都是无法求出解析解的，这部分内容，应付考试就可以了。  
《数值计算》这门课要认真学，尤其是差分方法、数值微分等部分的内容。不过你们在课堂上所学的数值 计算内容是非常基础的内容，后面我再给你讲计算流体力学的内容，这方面的理论以后多请教牛师兄，他是搞这方面理论的。

3.计算机

我们的数值计算与计算机密不可分，强烈建议你学一门编程语言。Fortran或C语言若能精通其一就很完美了，我们实验室很缺程序猿。学一学Python也是很不错的选择，强烈建议学习。推荐一些Python学习资料。

1.  《Python基础教程》  
    通过这本书学习Python的基本语法。  
    ![format_png 4][]  
    2.Python数据分析基础教程NumPy学习指南  
    通过此书学习NumPy的基本用法，这在以后的项目中会经常用到。  
    ![format_png 5][]

以上关于流体力学、数学以及计算机的基础学习，是我们学习计算流体力学的基础，计算流体力学所涉及的内容是这三个学科的综合体，因此，我建议你先低这些方面有些基本的了解。过两天我在给你讲CFD的速成学习计划。

来源：[https://www.cnblogs.com/LSCAX/p/5185695.html][https_www.cnblogs.com_LSCAX_p_5185695.html]

我现在已经明确了这个系列的作用，就是在一步一步的模仿和操作中学习和提高自己。

这个文档也有一定指导性：

[https://wenku.baidu.com/view/b80c7a4f09a1284ac850ad02de80d4d8d05a0135.html][https_wenku.baidu.com_view_b80c7a4f09a1284ac850ad02de80d4d8d05a0135.html]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1dGllX2JhcnRob2xvbWV3_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221124/6fe97aea83f14919bedac56157aaaffb.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1dGllX2JhcnRob2xvbWV3_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221124/76f955f99e7f43f1b456712582548674.png
[http_blog.sina.com.cn_s_articlelist_1503498154_7_1.html]: http://blog.sina.com.cn/s/articlelist_1503498154_7_1.html
[http_blog.sina.com.cn_s_blog_599d8faa0102wmf3.html]: http://blog.sina.com.cn/s/blog_599d8faa0102wmf3.html
[format_png]: /images/20221124/5d812f9a8804480ab13dc61f752f4e55.png
[format_png 1]: /images/20221124/ddba6c9123a14b31a82b7262c21307b6.png
[format_png 2]: /images/20221124/353c2390f7ab419d899a6a1db2fd5f38.png
[format_png 3]: /images/20221124/b793a720a7234971b02c19cb8283e700.png
[format_png 4]: /images/20221124/f42d0eed457a4d948fa12b8042dcd44d.png
[format_png 5]: /images/20221124/b9aa734db4364f9cb4b48e1d008f1ee8.png
[https_www.cnblogs.com_LSCAX_p_5185695.html]: https://www.cnblogs.com/LSCAX/p/5185695.html
[https_wenku.baidu.com_view_b80c7a4f09a1284ac850ad02de80d4d8d05a0135.html]: https://wenku.baidu.com/view/b80c7a4f09a1284ac850ad02de80d4d8d05a0135.html