计算流体力学的发展 计算流体动力学 (Computational Fluid Dynamics) 简写为CFD，经过半个世纪的迅猛发展，这门学科已经是相当的成熟了，一个重要的标志就是近几十年来，各种CFD通用软件的陆续出现，成为商品化软件，服务于传统的流体力学和流体工程领域，如航空、航天、船舶、水利等。随着CFD通用软件的性能日益完善，应用的范围也不断的扩大，在化工、冶金、建筑、环境等相关领域中也被广泛应用。更重要的是，计算流体力学提供了廉价的模拟、设计和优化的工具，以及提供了分析三维复杂流动的工具。在复杂的情况下，测量往往是很困难的，甚至是不可能的，而计算流体力学则能方便的提供全部流场范围的详细信息。与试验相比，计算流体力学具有对于参数没有什么限制，费用少，流场无干扰的特点。出于计算流体力学如此的优点，我们选择它来进行模拟计算。简单来说，计算流体力学所扮演的角色是：通过直观地显示计算结果，对流动结构进行仔细的研究。 计算流体力学在数值研究大体上沿两个方向发展，一个是在简单的几何外形下，通过数值方法来发现一些基本的物理规律和现象，或者发展更好的计算方法;另一个则为解决工程实际需要，直接通过数值模拟进行预测，为工程设计提供依据。理论的预测出自于数学模型的结果，而不是出自于一个实际的物理模型的结果。计算流体力学是多领域交叉的学科，涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析等，这些学科的交叉融合，相互促进和支持，推动了学科的深入发展。 由基本原理出发可以建立质量、动量、能量、湍流特性等守恒方程组，如连续性方程、扩散方程等。这些方程构成的非线性偏微分方程组，不能用经典的解析法，只能用数值方法求解。 求解上述方程必须首先给定模型的几何形状和尺寸，确定计算区域并给出恰当的进出口，壁面以及自由面的边界条件。而且还需要适宜的数学模型及包括相应的初值在内的，过程方程的完整数学描述。 求解的数值方法主要有，有限差分法 (FDM) 和有限元 (FEM) 以及有限分析法 (FAM)，应用这些方法可以将计算域离散为一系列的网格并建立离散方程组，离散方程的求解是由一组给定的猜测值出发迭代推进，直至满足收敛标准。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，可以编写计算程序或选用现有的软件实施过程的CFD模拟。 计算流体力学应用领域 近十多年来，CFD有了很大的发展，替代了经典流体力学中的一些近似计算法和图解法，过去的一些典型教学实验，如Reynolds实验，现在完全可以借助CFD手段在计算机上实现。所有涉及流体流动、热交换、分子输运等现象的问题，几乎都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟。CFD不仅作为一个研究工具，而且还作为设计工具在水利工程、土木工程、环境工程、食品工程、海洋结构工程、工业制造等流域发挥作用。典型的应用场合及相关的工程问题包括： 1、航空工程 CFD在航空和国防工业中的应用经历了一个长期的发展过程，取得了令人瞩目的成绩。在激烈的竞争环境中，CFD在改进飞行设计中起到了关键性的作用。实际上，很多工程师已将CFD和空气动力学结合起来用于诸如飞机机翼升力的计算。随着CFD计算技术和计算机能力的提高，其使用更为简便，人们在计算升力之外，其应用范围已经得到很大拓展。今天，CFD正用于求解很多困难的实际问题，而这些问题用过去的计算工具是难以分析或求解的。 2、汽车工程 现在，汽车工程师们正在依靠更多的模拟技术，将提出的新车设计概念付诸实施。计算机辅助工程已经处于革新汽车内部系统的技术前沿，可以更好地全面提升驾驶体验，改善驾破员和乘客的舒适性和安全性，并且进一步降低油耗。计算流体力学长期以来一直是汽车设计和制造中的一个基本要素，除了航空航天工业外，汽车工业在研究制造中也大量使用了CFD技术。因此，作为工程模拟工具，即使面对最困难的挑战，CFD仍然在许多工业领域中得到很好的应用。 3、生物科学工程 医学研究者现在依靠模拟工具帮助预测人体中血液循环流动状态，数值模拟能够提供实验难以得到的有价值的信息，而且CFD还可以对很多流体动力学参数进行研究。同时，CFD在制药工业也有广泛的应用。 4、化学和采矿工程 很多世界必需品源于化学工业和采矿业，这些工业通过物理或化学方法加工原材料，消耗大量的热能和电能，为食品、保健品以其先进的计算技术设备和生物技术设备提供初级产品。面对不断加剧的竞争，这些工业面临的主要挑战是既要满足当前世界性的需求，同时对未来发展不造成损害，这就要求生产过程更高效、更安全以及更少污染物的排放。 政府、研究机构以及企业正在寻求途径满足环境保护法，在维持一定生产水平、满足市场不断增加需要的同时，保证减少环境污染。在很多时候，CFD模拟已经成为解决环境问题的核心技术。 6、能源工程 在不断竞争的能源市场中，设备制造商们转向CFD寻求技术支持，以便更好地了解和提升能源工业中的设备和工艺。尽管传统的发电方式仍在广泛使用，但已经出现了具有潜力的可再生能源，如风力发电。为使投资得到最大回报，CFD已经被用于风力发电涡轮叶片的优化设计当中，使之在不同的来风条件下能产生恒定的功率。通过CFD的风能资源评估，工程师可以更好地研究风力发电站的经济性，正确的模拟结果可以减少投资风险。 7、体育 随着体育水平的不断提高，特别是在奥运赛场上，运动员的水平都在伯仲之间，体育比赛的胜负差距非常微小，为了在比赛中获得胜利，不得不为提高器材的性能投入大量的资金。体育器材的流体动力性能越来越重要，越来越多的优秀运动员、运动队以及体育设备制造商们，都在努力从先进的流体模型中获取比赛空气动力的有利条件，越来越多的体育器材外形的研究成果逐渐为人们所认可。同时，CFD不仅可以研究体育运动器械等硬件设备，还可以对运动员的运动技巧进行分析，针对不同运动员的自身条件，通过计算分析，制定更为科学量化的竞技动作和训练内容。 来源：工程事微信公众号(ID：gctechshow) |
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