計算流體力學的發(fā)展

計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics）簡寫為CFD，經(jīng)過半個世紀的迅猛發(fā)展，這門學科已經(jīng)是相當?shù)某墒炝?，一個重要的標志就是近幾十年來，各種CFD通用軟件的陸續(xù)出現(xiàn)，成為商品化軟件，服務于傳統(tǒng)的流體力學和流體工程領域，如航空、航天、船舶、水利等。隨著CFD通用軟件的性能日益完善，應用的范圍也不斷的擴大，在化工、冶金、建筑、環(huán)境等相關領域中也被廣泛應用。

現(xiàn)代流體力學研究方法包括理論分析，數(shù)值計算和實驗研究三個方面。這些方法針對不同的角度進行研究，相互補充。理論分析研究能夠表述參數(shù)影響形式，為數(shù)值計算和實驗研究提供了有效的指導；試驗是認識客觀現(xiàn)實的有效手段，驗證理論分析和數(shù)值計算的正確性；計算流體力學通過提供模擬真實流動的經(jīng)濟手段補充理論及試驗的空缺。

更重要的是，計算流體力學提供了廉價的模擬、設計和優(yōu)化的工具，以及提供了分析三維復雜流動的工具。在復雜的情況下，測量往往是很困難的，甚至是不可能的，而計算流體力學則能方便的提供全部流場范圍的詳細信息。與試驗相比，計算流體力學具有對于參數(shù)沒有什么限制，費用少，流場無干擾的特點。出于計算流體力學如此的優(yōu)點，我們選擇它來進行模擬計算。簡單來說，計算流體力學所扮演的角色是：通過直觀地顯示計算結果，對流動結構進行仔細的研究。

計算流體力學在數(shù)值研究大體上沿兩個方向發(fā)展，一個是在簡單的幾何外形下，通過數(shù)值方法來發(fā)現(xiàn)一些基本的物理規(guī)律和現(xiàn)象，或者發(fā)展更好的計算方法；另一個則為解決工程實際需要，直接通過數(shù)值模擬進行預測，為工程設計提供依據(jù)。理論的預測出自于數(shù)學模型的結果，而不是出自于一個實際的物理模型的結果。計算流體力學是多領域較差的學科，涉及計算機科學、流體力學、偏微分方程的數(shù)學理論、計算幾何、數(shù)值分析等，這些學科的交叉融合，相互促進和支持，推動了學科的深入發(fā)展。

CFD方法是對流場的控制方程用計算數(shù)學的方法將其離散到一系列網(wǎng)格節(jié)點上求其離散的數(shù)值解的一種方法?？刂扑辛黧w流動的基本定律是：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。由它們分別導出連續(xù)性方程、動量方程（N-S方程）和能量方程。應用CFD方法進行平臺內(nèi)部空氣流場模擬計算時，首先需要選擇或者建立過程的基本方程和理論模型，依據(jù)的基本原理是流體力學、熱力學、傳熱傳質(zhì)等平衡或守恒定律。

由基本原理出發(fā)可以建立質(zhì)量、動量、能量、湍流特性等守恒方程組，如連續(xù)性方程、擴散方程等。這些方程構成連理的非線性偏微分方程組，不能用經(jīng)典的解析法，只能用數(shù)值方法求解。

求解上述方程必須首先給定模型的幾何形狀和尺寸，確定計算區(qū)域并給出恰當?shù)倪M出口，壁面以及自由面的邊界條件。而且還需要適宜的數(shù)學模型及包括相應的初值在內(nèi)的過程方程的完整數(shù)學描述。

求解的數(shù)值方法主要有有限差分法（FDM）和有限元（FEM）以及有限分析法（FAM），應用這些方法可以將計算域離散為一系列的網(wǎng)格并建立離散方程組，離散方程的求解是由一組給定的猜測值出發(fā)迭代推進，直至滿足收斂標準。常用的迭代方法有Gauss-Seidel迭代法、TDMA方法、SIP法及LSORC法等。利用上述差分方程及求解方法既可以編寫計算程序或選用現(xiàn)有的軟件實施過程的CFD模擬。

計算流體力學應用領域

近十多年來，CFD有了很大的發(fā)展，替代了經(jīng)典流體力學中的一些近似計算法和圖解法，過去的一些典型教學實驗，如Reynolds實驗，現(xiàn)在完全可以借助CFD手段在計算機上實現(xiàn)。

所有涉及流體流動、熱交換、分子輸運等現(xiàn)象的問題，幾乎都可以通過計算流體力學的方法進行分析和模擬。CFD不僅作為一個研究工具，而且還作為設計工具在水利工程、土木工程、環(huán)境工程、食品工程、海洋結構工程、工業(yè)制造等流域發(fā)揮作用。典型的應用場合及相關的工程問題包括：

航空工程

CFD在航空和國防工業(yè)中的應用經(jīng)歷了一個長期的發(fā)展過程，取得了令人矚目的成績。在激烈的競爭環(huán)境中，CFD在改進飛行設計中起到了關鍵性的作用。實際上，很多工程師已將CFD和空氣動力學結合起來用于諸如飛機機翼升力的計算。隨著CFD計算技術和計算機能力的提高，其使用更為簡便，人們在計算升力之外，其應用范圍已經(jīng)得到很大拓展。今天，CFD正用于求解很多困難的實際問題，而這些問題用過去的計算工具是難以分析或求解的。

汽車工程

現(xiàn)在，汽車工程師們正在依靠更多的模擬技術將提出的新車設計概念付諸實施。計算機輔助工程已經(jīng)處于革新汽車內(nèi)部系統(tǒng)的技術前沿，可以更好地全面提升駕駛體驗，改善駕駛員和乘客的舒適性和安全性，并且進一步降低油耗，計算流體力學長期以來一直是汽車設計和制造中的一個基本要素。除了航空航天工業(yè)外，汽車工業(yè)在研究制造中也大量使用了CFD技術。因此，作為工程模擬工具，即使面對最困難的挑戰(zhàn)，CFD仍然在許多工業(yè)領域中得到很好的應用。

生物科學工程

醫(yī)學研究者現(xiàn)在依靠模擬工具幫助預測人體中血液循環(huán)流動狀態(tài)，數(shù)值模擬能夠提供實驗難以得到的有價值的信息，而且CFD還可以對很多流體動力學參數(shù)進行研究。同時，CFD 在制藥工業(yè)也有廣泛的應用。

化學和采礦工程

很多世界必需品源于化學工業(yè)和采礦業(yè)，這些工業(yè)通過物理或化學方法加工原材料，消耗大量的熱能和電能，為食品、保健品以及先進的計算技術設備和生物技術設備提供初級產(chǎn)品，面對不斷加劇的競爭，這些工業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是既要滿足當前世界性的需求，同時對未來發(fā)展不造成損害，這就要求生產(chǎn)過程更高效、更安全以及更少污染物的排放。

民用和環(huán)境工程

政府、研究機構以且企業(yè)正在職融尋求途徑滿足環(huán)境保護法，在維持一定生產(chǎn)水平、滿足市場不斷增加需靠的同時，保證減少環(huán)境污染。在很多時候，CFD模擬已經(jīng)成為解決環(huán)境問題的核心技術。

能源工程

在不斷競爭的能源市場中，設備制造商們轉向CFD尋求技術支持，以便更好地了解和提升能源工業(yè)中的設備和工藝。盡管傳統(tǒng)的發(fā)電方式仍在廣泛使用，但已經(jīng)出現(xiàn)了具有潛力的可再生能源，如鳳力發(fā)電。為使投資得到最大回報，CFD已經(jīng)被用于風力發(fā)電渦輪葉片的優(yōu)化設計當中，使之在不同的來風條件下能產(chǎn)生恒定的功率。通過CFD的風能資源評估，工程師可以更好地研究風力發(fā)電站的經(jīng)濟性，正確的模擬結果可以減少投資風險。

體育

隨著體育水平的不斷提高，特別是在奧運賽場上，運動員的水平都在伯仲之間，體育比賽的勝負差距非常微小，為了在比賽中獲得勝利，不得不為提高器材的性能投入大量的資金。體育器材的流體動力性能越來越重要，越來越多的優(yōu)秀運動員、運動隊以及體育設備制造商們都在努力從先進的流體模型中獲取比賽空氣動力的有利條件，越來越多的體育器材外形的研究成果逐漸為人們所認可。同時，CFD不僅可以研究體育運動器械等硬件設備，還可以對運動員的運動技巧進行分析，針對不同運動員的自身條件，通過計算分析，制定更為科學量化的競技動作和訓練內(nèi)容。

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