计算流体力学简介

一、计算流体力学的发展

计算流体力学是利用高速计算机求解流体流动的偏微分方程组，主要研究内容是通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析。目的是为了更好的从定性上和定量上了解流体流动的物理现象，改进设计的一门学科。

计算流体力学起源于飞机制造领域，起初飞机的飞行速度相对比较缓慢，在实际分析过程中，并不需要考虑漩涡造成的影响，通过迭加方案，便可以完成对方程的计算。而随着飞机技术的不断成熟，在分析过程重要对粘性效应加以考虑，此时主要通过迭代方法求解。

近年来，计算机技术发展迅速，同时计算方法和分析理论也变得更加完善，流体力学精准模拟和计算都成为了可能。CFD作为计算流体问题的一项新方法，在问题处理过程中，可以简化条件，同时进行建设处理，对求解结果的计算精度进行合理控制[1]。通过CFD 数值模拟，完成对不同流体相关各项问题的计算和相应的流态方正模拟，同时为相关流通环境、优化等各项内容的进行，提供相应的参数支持。

CFD 软件分为以下3个部分：

（1） 前处理：模型的创建、网格的划分、边界条件的添加等；

（2） 求解器：通过对模型施加算法进行求解计算的过程；

（3） 后处理：对求解结果的处理和查看。

FLUENT 在 CFD 软件中的应用最为广泛，在是应用过程中，可以将计算分为不可压缩、轻度压缩、高度压缩等多种不同力的类型。并且，具有较多不同的物理模型进行选择，可以区分、判断流体现象[2]。除此之外，在对 FLUENT 进行应用过程中，通过对非结构网格形式进行应用，模拟分析流体结构，依据分析结构的具体准确程度，再次对网格进行划分重新计算求解，最终得到更加准确的分析结果。

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图1 Autodesk CFD 流体流动仿真

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图3 自动执行设计分析

二、计算流体力学的现状

（1）计算模型方面：FLUENT 又引入了新的求解模型可以使化学不平衡问题、太阳风问题等得到解决。但是只能通过平衡模型精度与求解速度之间的相互关系来解决计算流体力学问题[3,4]。

（2）在计算方法方面：提出了无网格算法、高精度紧致算法、动网格算法、结构与非结构混合算法等。近年来主要集中于对高精度紧致算法的研究，主要研究阶数在三阶以上的算法。

（3）在研究成果方面：英国研究学者对于流体的湍流模型、美国研究学者对于流体问题计算的精确度、日本研究学者对于采用拉格朗日方程的求解计算问题、德国研究学者对于采用并行计算机模拟湍流问题等都有独特的观点和思想，并取得了一定的研究成果。近年来对采用欧拉方程进行流体问题的求解算法进行了深入研究，并得到了较为准确的计算结果。

三、计算流体力学的应用

计算流体力学被应用到航空领域、船舶、化学、工业设计等不同领域中[5,6]

1、计算流体力学在化学工程中的应用:

2、计算流体力学在流体机械领域中的应用[7]：

四、计算流体力学的结论和展望

计算流体力学文档下载主要向两个方面发展：

一方面是研究流动非定常稳定特性、分叉解及湍流流动的机理，更为复杂的非定常、多尺度的流动特征，高精度、高分辨率的计算方法和并行算法；

另一方面是将计算流体力学直接用于模拟各种实际流动，解决工业生产中提出来的各种问题。美国和日本在这两方面做得最为突出。在我国经济飞速发展的今天，一些计算流体力学问题的解决，将有利于我国的国民经济建设工作，我们需要迎头追赶。