第1章 CFD概述

1.1 計算流體力學概述

1.1.1 計算流體力學的基本思想和本質

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）是通過計算機進行數值模擬，分析流體流動和傳熱等物理現象的技術。通過CFD技術，可利用計算機分析并顯示流場中的現象，從而能在較短的時間內預測流場。CFD模擬能幫助理解流體力學問題，為實驗提供指導，為設計提供參考，從而節省人力、物力和時間。

根據流體力學知識，自然界不涉及化學反應的單相流動現象都可以用兩個方程來描述：連續性方程（即質量守恒方程）和Navier-Stokes方程（即動量守恒方程）。理論上，如果已知某一時刻流場的參數（如速度分布），將之設為初值，然后代入這兩個方程中直接求解，即可求得任一時刻、任一地點流場的參數。然而，基于Navier-Stokes方程本質的非線性以及邊界條件處理的困難，除少數簡單的問題外，解析和數值求解Navier-Stokes方程都是極具挑戰性的任務。證明Navier-Stokes方程解的存在性與光滑性仍是美國克雷數學研究所（Clay Mathematics Institute）懸賞100萬美元征解的世紀難題。

實際上對于湍流，如果直接求解三維非穩態的控制方程，對計算機的內存和CPU要求非常高，目前還無法應用于工程計算。工程中，為降低計算過程對內存和CPU的要求，一般需將非穩態的Navier-Stokes方程對時間做平均處理，期望得到對時間做平均化的流場。但Navier-Stokes方程對時間做平均處理后，控制方程組并不封閉（即方程組的未知數大于方程數），因此需要人為構造額外的方程，使方程組封閉，這個構造額外方程的過程就是建立湍流封閉模式，即建立湍流模型的過程。這樣處理后的時均化的控制方程，采用目前的計算機求解，求解速度已可以接受，可應用于工程問題的計算。這就是當前商業軟件（如FLUENT、CFX和STAR-CD等）廣為采用的CFD處理方法。

1.1.2 計算流體力學的優勢

計算流體力學是流體力學的一個分支。當前，研究流體力學問題有3類方法，即實驗分析、理論分析和CFD模擬。

實驗測量的結果較為真實可信，它是研究流體力學問題的基礎。CFD新算法的提出和理論分析的結果都需要具體實驗的驗證。目前，實驗測量仍是研究流體力學問題的重要方法。然而，實驗測量耗時長、成本高，而且往往由于測量方法的限制，測量設備難免會對真實流場造成干擾，從而使從實驗設備（如風洞）中獲得某些細部數據較為困難。

理論分析的結果一般具有普遍性，從而為實驗設計和新CFD算法提供了理論基礎。目前，流體力學問題，尤其是湍流問題，機理方面的進展十分緩慢。但每一次湍流新理論的提出都伴隨著湍流研究的新進展，例如，普朗特的邊界層理論，克羅格洛夫（kolmogorov）的-5/3理論等。但是，要對湍流這個復雜的隨機流動過程提出新的機理方面的解釋，也十分困難。

CFD克服了實驗測量和理論分析的某些缺點，且具有優勢，如CFD方法成本低，耗時短，獲得流場中的數據比較容易。在計算機上進行一次CFD分析，就好比在計算機上進行了一次虛擬的流體力學實驗。如果采用的CFD方法合理，CFD分析就可在省時又省力的情況下對流動過程進行準確預測。然而，目前CFD方法還沒有標準，即對某種流動現象采用什么模型、什么網格、什么方法處理，還沒有形成標準化的處理方法（只有推薦方法）。因此，一方面應該把CFD看成一種研究手段、一個工具，將CFD技術與實驗測量、理論分析結合起來，發揮分析人員的主觀能動性，才可能比較順利地解決問題；另一方面，CFD分析人員應該加強CFD基本理論的學習和應用經驗的積累，提高職業水平，合理充分地使用好這個強大的工具。

總而言之，流體力學的3類分析方法（理論分析、實驗測量和CFD模擬）各有優勢，不能武斷地認為CFD未來的發展會取代實驗和理論分析，CFD雖然克服了實驗和理論分析方面的某些劣勢，但其也只是研究流動問題的手段之一，三者應該相輔相成、相互補充，同為研究流動問題服務。

1.1.3 CFD學科誕生與工程化背景

計算流體力學近30年來得到了飛速發展，其與計算物理、計算化學、計算力學一樣，都是計算科學領域的學科。隨著近幾十年計算機技術的進步，計算機處理速度有了飛速的提高，從而使計算機對工程現象進行數值模擬分析逐漸成為可能。流體力學工作者也注意到了計算條件的飛速發展，并開發和發展了適合當前計算機處理速度的湍流模型和計算方法。目前，學術界和工業界都已公認CFD是解決流動和傳熱相關問題強有力的工具。因此，CFD學科的發展與計算機處理速度的進步是密不可分的。正是計算速度的大幅提升，刺激了CFD技術的快速發展，也由于CFD數值處理方法的進步，使利用超級計算機、工作站等計算設備求解實際工程問題成為了可能。

1.1.4 計算流體力學的應用領域

流體動力學應用如今已遍及航空航天、船舶、能源、石油、化工、機械、制造、生物、水處理、火災安全、冶金、環境等眾多領域。從高層建筑結構通風到微電機散熱，從發動機、風扇、渦輪、燃燒室等機械到整機外流氣動分析，可以認為只要有流動存在的場合，都可以利用計算流體力學進行分析。具體的工程應用場合包括但不限于以下行業。

● 汽車與交通行業：分析行駛中的汽車外流場、兩車相撞過程、地鐵進站過程、車用空調效果、汽車內燃機燃燒效果、汽車尾氣處理設備化學反應模擬等。

● 航空航天：飛機外流場、機翼設計、導彈發射過程、航空發動機燃燒效果、飛行器內空調效果等。

● 土木與建筑：建筑群風場、計算風工程、風荷載對建筑的影響、室內氣流組織、排煙、隧道通風、建筑自然通風效果等。

● 熱科學與熱技術：電子儀器的散熱分析、傳熱與流動過程、工業換熱器、導熱過程、輻射換熱過程等。

● 熱能工程、化工及冶金行業：燃燒過程的分析、加熱爐與鍋爐的模擬、工業窯爐的工作過程、鋼水鑄造過程模擬等。

● 流體機械：水輪機、風機與泵等流體機械內部流動分析。

● 環境工程：河流中污染物的擴散、工廠排放污染物在氣體中的擴散、污水處理工廠設計、旋轉攪拌器模擬等。

● 艦船領域：艦船推進器非穩態流動分析等。

● 生物技術行業：血管內血液流動過程模擬、旋轉生物反應器內多相流的模擬等。

這些問題過去主要靠經驗與實驗獲得設計參考，而今可采用CFD技術提供更快捷和全面的解決方案，而且CFD技術的應用領域還在迅速擴展，可以認為只要有流動、傳熱、化學反應、多相流、相變存在的過程，都可以嘗試利用CFD進行模擬分析。