西安石油大学本科毕业设计论文
导出的离散方程可以保证具有守恒特性，而且离散方程系数物理意义明确,计算量相对较小。故有限容积法是CFD进行数值计算采用最多一种方法，其中最普及的Fluent软件就是其中之一。
2.6 CFD简介
2.61计算流体动力学简介
计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD这一始于本世纪三十年代到如今的计算机模拟技术，集流体力学、数值计算方法以及计算机图形学于一身，已经在各个工业领域得到广泛的应用。其基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。
CFD可以看做是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定漩涡分布特性、空化特性及脱流区等。 2.62计算流体动力学的工作步骤
采用CFD方法对流体流动进行数值模拟过程（如图1-4），通常包括以下步骤： (1) 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。具体说就是要建立反映问题各个量之间关系的微分方程及相应的定解条件，这是数值模拟的出发点。流体的基本控制方程通常包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，以及这些方程相应的定解条件。
(2) 寻求高效率、高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。这里的计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条件的处理等。
(3) 编制程序和进行计算。这部分工作包括网格划分、初始条件和边界条件的输入，控制参数的设定等。
(4) 显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示，这对检查和判断分析质量和结果有重要参考意义。 2.63计算流体动力学的特点
CFD的长处是适应性强、应用面广。首先，流动问题的控制方程一般是非线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，而用CFD方
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法则有可能找出满足工程需要的数值解法；其次，可利用计算机进行各种数值实验；再者，它不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。 2.64 CFD软件介绍
随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于现有流动理论的商用CFD软件。该软件专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测。通过CFD软件，可以分析并且显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内，能预测性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。CFD的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题产生的机理，为试验提供指导，节省试验所需的人力、物力和时间，并能够对试验结果的整理和得出规律起到很好的指导作用。
CFD软件的一般结构由前处理、求解器、后处理三部分组成（如图3-1）。鉴于其多种优点，目前利用GAMBIT和FLUENT进行工程计算和模拟已经越来越广泛，其中本文就是基于Fluent软件来进行研究的。
图3-1 CFD软件的一般组成结构
2.7 FLUENT软件概述及GAMBIT简介
FLUENT软件由美国FLUENT.Inc公司推出的，继PHOENICS软件之后第二个投放市场的基于有限容积法的软件。其设计基于CFD软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，FLUENT软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。
FLUENT集成的前处理软件GAMBIT提供了灵活的网格特性，用户可方便地使
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用结构网格和非结构网格对各种复杂几何结构进行网格划分。对于二维问题，可生成三角形单元网格和四边形单元网格；对于三维问题，提供的网格单元包括四面体、六面体、棱锥、楔形体及杂交网格等。FLUENT还可根据计算结果调整网格，对网格进行整体或局部的细化和粗化，自适应网格就是计算到一定的步骤后 对初算结果进行分析，自动在速度、压力等变化梯度比较大的地方增加网格密度，这样使问题得到快速合理的解决，滑移网格采用在流体方向变化较大，如活塞运动的情况下，这时网格随流动滑移，增加问题的收敛性及准确性。GAMBIT这种网格的自适应能力可以使网格的生成变得非常自由，并对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作用。目前利用GAMBIT和FLUENT进行工程计算和模拟已经越来越广泛。 2.71FLUENT程序结构
FLUENT程序软件包由以下几个部分组成: (1) GAMBIT----用于建立几何结构和网格的生成； (2) FLUENT----用于进行流动模拟的求解器； (3) prePoF----由于模拟PDF燃烧过程； (4) Tgrid----用于从现有的边界网格生成体网格；
(5) Filters(Translators) 转换其它程序生成的网格，用于FLUENT计算。 2.72利用FLUENT的求解步骤
在使用FLUENT前，应针对所要求解的物理问题，制订比较详细的求解方案，应先考虑几个主要因素，包括决定CFD模型目标、选择物理模型和计算模型、决定求解过程。然后根据以下步骤进行求解计算：
(1) 创建几何模型及划分区域网格（在GAMBIT或其它前处理软件中完成）； (2) 启动FLUENT求解器； (3) 导入网格模型；
(4) 检查网格模型是否存在问题； (5) 选择求解器及运行环境；
(6) 决定计算模型，即是否考虑热交换，是否考虑粘性，是否存在多相流等； (7) 设置材料特性及工质物性参数； (8) 设置边界条件；
(9) 调整用于控制求解的有关参数（松弛因子、收敛条件、求解算法）； (10) 设置特定监测参量并初始化流场； (11) 开始求解计算； (12) 显示求解结果；
(13) 保存求解结果，以便用于后处理；
2.8翅片管强化传热的数值解法
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随着高速计算机的出现和现代计算技术的发展，以及湍流模型的不断发展与完善，使用电子计算机作为模拟和实验的手段成为可能，从而可以用数值方法来求解流体力学和传热学中的各种各样的问题。
数值传热学（Numerical Heat Transfer，NHT）又称计算传热学（Computational Heat Transfer，CHT）是指对描写流动与传热问题的控制方程采用数值方法通过计算机予以求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学科。数值传热学求解问题的基本思想是：把原来在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，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代数方程（称为离散方程，discretization equation），求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似值[8]。上述基本思想可以用图1-5来表示。
由于翅片管结构及各种工况因素对换热效果的影响十分复杂，以解析方法及实验方法为主要研究方法都不能满足研究的需要，而且随着计算机工业的进一步发展，计算传热学与计算流体动力学发挥着越来越重要的作用。本文将针对平直翅片管对换热特性与流动阻力的影响利用商业软件FLUENT6.3进行数值模拟。与实验研究相比，数值解法具有以下一些优点：
(1) 经济性好。运用计算机的数值方法进行预测的最重要优点是它的成本低。在大多数实际应用中，计算机运算的成本要比相应的实验研究的成本低好几个数量级。而且随着计算机工业的进一步发展（处理器运算速度的提高，硬件成本的下降），它在科学研究的重要性将越来越突出。
(2) 研究周期短。用计算机进行计算和研究能以及其惊人的速度进行。一个设计者能够在一天之内研究出多种方案，并从中选择最佳的设计，而相应的实验研究却需要很长的时间。
(3) 数据完整。对一个问题进行数值求解可以得到详尽而完备的数据。它能够提供在整个计算区域内所有的有关变量（如速度、压力、温度、浓度等）的值。与实验的情况不同，在计算中几乎没有不能达到的位置。
(4) 具有模拟理想条件的能力。人们有时为了研究一种基本的物理现象，希望实现若干理想化的条件，例如：常物性、绝热条件、流动充分发展等等，在数值计算中很容易实现这样的一些条件和要求，而在实验中却很难近似到这种理想化的条件。
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图1-5 工程物理问题数值计算的一般步骤
数值计算方法的这些优点使人们热衷于计算机的分析，但是它也有一些局限性。因为结果的准确度是由数学模型的精度和数值方法共同决定，因此数学模型和计算方法必须都具有良好的完善性，而且对于十分复杂的问题，数值解目前也很难获得。虽然在某些研究领域中，目前数值计算几乎已取代了实验研究，但在流体力学与传热学的领域中，实验研究、理论分析与数值计算这三种研究手段则是相辅相成、互为补充的。
理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，可以为检验数值计算结果的准确度提供拟合参照的依据，是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。
实验测量方法是研究流动与传热问题的最基本的方法，它所得到的实验结果是真实可信的，它是理论分析和数值方法的基础，一方面补充现有的结构模型试验数据库，另一方面为工程设计人员提供新的技术支持，同时还可以与数值模拟的结果进行对比来改进试验设计，因而其重要性不容低估。然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过实验方法得到结果。
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