第一讲《CFD模拟基本概念》Airpak模拟高级班48讲

各位同学大家好，我是七师兄，从今天开始，我们来学习Airpak高级班的内容。那么在这之前呢，经过我们团队的努力，我们已经录制了Airpak软件的初级班和中级班，有很多的学员经过这两个课程的学习，也熟练掌握了Airpak软件的使用，能够进

行科学研究，能够在工作中解决很多问题。但是呢，在我们的VIP内部答疑群里，发现很多学生，虽然已经具备了CFD研究的能力，但是还是有很多新的问题出现，比如参数的设置问题，软件的操作问题，复杂模型的建模问题，网格处理，迭代计算问题等等，这些问题虽然老师反复的解答过很多次，但是还是有很多学员，难以全部理解吸收。那么，这些现象的出现，一个根本问题是，理论知识的遗漏和实际CFD模拟案例经验不足。那么到了我们的Airpak软件的高级班，我将从CFD理论知识、流体模型知识、实际操作案例、常见问题解答四个方面进行详细讲述，希望同学们，通过高级班的学习，CFD的研究能力有进一步的提高。

我们经常说的CFD，其实是计算流体力学的英文简称。流体力学是研究流体(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状态,以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间相互作用的力学问题，是力学的一个重要分支,在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。

学习目标

(1)了解流体流动的基本概念。

(2)掌握流体力学的基础理论。

(3)掌握流体流动的控制方程。

当然了，我们有很多同学具备一定的CFD理论基础，为了照顾完全没有任何基础的学员，我们从最基础的知识开始讲。在学习正式的CFD理论知识，我们必须要掌握一些基本概念。首先我们来看下，在我们模拟分析的过程中，会经常用到的一些概念。第一个，比如例题的密度，他等于质量除以密度，当然这个概念我不说大家都知道，这里只是简单的提一下。然后第二个概念是重度，它是等于密度乘以重力加速度。这个概念呢，可能有的学生是第一听到哈，但是对于建环暖通这些专业的学生，应该比较熟悉，我们在流体力学这本书中已经讲过。那么如果你不是很懂，可以去查下相关资料。

那么接下来，我们来重点看下我们流体中一些非常常见的概念。

第一个：流体的比重:为该流体的密度与零下4℃时水的密度之比。

第二个：流体的黏性:在研究流体流动时,若考虑流体的黏性,则称为黏性流动,相应地称流体为黏性流体;若不考虑流体的黏性,则称为理想流体的流动,相应地称流体为理想流体。流体的黏性可以用牛顿内摩擦定律表示，也就是流体的切应力等于动力系数与速度梯度的乘积。那么这个公式呢，适用于空气、水、是有等大多数机械工业中的流体。

第三个：概念：压缩性，是指在外界条件变化时,其密度和体积发生变化。这里的条件有两种,一种是外部压强发生了变化(等温压缩率),另一种是流体的温度发生了变化(体积膨胀系数)。比如生活中，我们烧开水，温度升高了，水的体积膨胀了，密度变小了。这种就是具有压缩性，如果用一个参数形容这种膨胀性，可以用体积膨胀系数来描述了。

在研究流体流动时,若考虑到流体的压缩性,则称为可压缩流动,相应地称流体为可压缩流体,例如一个密闭的容积中里面有10L的空气，经过压缩，质量不变，体积变成了5L，那么这种气体性质我们就用压缩性来描述。若不考虑流体的压缩性,则称为不可压缩流动,相应地称流体为不可压缩流体,如水、油等液体的流动。

第四个：概念：液体的表面张力:液体表面相邻两部分之间的拉应力是分子作用力的一种表现。液面上的分子受液体内部分子吸引而使液面趋于收缩,表现为液面任何两部分之司具有拉应力,称为表面张力,其方向和液面相切,并与两部分的分界线相垂直。中位长度上的表面张力用 表示,单位是N/m。这个表面张力的概念，可能很多同学不太明白哈。那么其实在我们生活中，这种张力现象是很常见的。比如在湖面上，水塘里，我们经常看到这个光滑的水面上有很多小虫子，在划来划去，而不沉下去，那么这种动物，我们看，他叫水蝇，它的几个脚是依靠水体表面张力，在支撑着整个重力。春天，清晨，我们看到植物的叶子上，有很多个光滑的水电，像一个个水晶，那么这些都是表面张力的作用。在我们的流体力学中，也会经常涉及到张力的问题。

第五个：概念：质量力和表面力:作用在流体微团上的力可分为质量力与表面力。

质量力:与流体微团质量大小有关并且集中作用在微团质量中心上的力称为质量力如在重力场中的重力mg,直线运动的惯性力ma等。)

表面力:大小与表面面积有关而且分布作用在流体表面上的力称为表面力。表面力按其作用方向可以分为两种:一种是沿表面内法线方向的压力,称为正压力;另一种是沿表面切向的摩擦力,称为切应力。

第六个：概念：自然界中的流体流动状态主要有两种形式,即层流和湍流。

层流是指流体在流动过程中两层之间没有相互混掺,而湍流是指流体

不是处于分层流动状态。一般说来,湍流是普通的,而层流则属于个别情况。

对于圆管内流动,当Re< 2300时,管流一定为层流;

Re> 8000~12000 ,管流一定为湍流；

当2300

第七个：概念:因为湍流现象是高度复杂的,所以至今还没有一种方法能够全面、准确地对所有流动问题中的湍流现象进行模拟,在涉及满流的计算中,都要对湍流模型的模拟能力及计算所需系统资源进行综合考虑后,再选择合适的清流模型进行模拟。

CFD模拟中采用的激流模拟方法包括Spalar-Allmars模型、standard k-epsilon 模型、RNG (重整化群) kepsilon模型、 Realizable k-epsilon模型、v2-f模型、RSM (ReynoldsSress Modtel,雷诺应力模型)模型和LES (Large Eddy Simulation,大涡模拟)方法。

接下来，我们来看下一个湍流现象的一个小视频，来科普一下。

好，这节课，就给大家讲到这里，谢谢观看。