第1章 CFD概述

1.1 計(jì)算流體力學(xué)概述

1.1.1 計(jì)算流體力學(xué)的基本思想和本質(zhì)

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）是通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析流體流動(dòng)和傳熱等物理現(xiàn)象的技術(shù)。通過CFD技術(shù)，可利用計(jì)算機(jī)分析并顯示流場中的現(xiàn)象，從而能在較短的時(shí)間內(nèi)預(yù)測流場。CFD模擬能幫助理解流體力學(xué)問題，為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)，為設(shè)計(jì)提供參考，從而節(jié)省人力、物力和時(shí)間。

根據(jù)流體力學(xué)知識，自然界不涉及化學(xué)反應(yīng)的單相流動(dòng)現(xiàn)象都可以用兩個(gè)方程來描述：連續(xù)性方程（即質(zhì)量守恒方程）和Navier-Stokes方程（即動(dòng)量守恒方程）。理論上，如果已知某一時(shí)刻流場的參數(shù)（如速度分布），將之設(shè)為初值，然后代入這兩個(gè)方程中直接求解，即可求得任一時(shí)刻、任一地點(diǎn)流場的參數(shù)。然而，基于Navier-Stokes方程本質(zhì)的非線性以及邊界條件處理的困難，除少數(shù)簡單的問題外，解析和數(shù)值求解Navier-Stokes方程都是極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。證明Navier-Stokes方程解的存在性與光滑性仍是美國克雷數(shù)學(xué)研究所（Clay Mathematics Institute）懸賞100萬美元征解的世紀(jì)難題。

實(shí)際上對于湍流，如果直接求解三維非穩(wěn)態(tài)的控制方程，對計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和CPU要求非常高，目前還無法應(yīng)用于工程計(jì)算。工程中，為降低計(jì)算過程對內(nèi)存和CPU的要求，一般需將非穩(wěn)態(tài)的Navier-Stokes方程對時(shí)間做平均處理，期望得到對時(shí)間做平均化的流場。但Navier-Stokes方程對時(shí)間做平均處理后，控制方程組并不封閉（即方程組的未知數(shù)大于方程數(shù)），因此需要人為構(gòu)造額外的方程，使方程組封閉，這個(gè)構(gòu)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(shí)均化的控制方程，采用目前的計(jì)算機(jī)求解，求解速度已可以接受，可應(yīng)用于工程問題的計(jì)算。這就是當(dāng)前商業(yè)軟件（如FLUENT、CFX和STAR-CD等）廣為采用的CFD處理方法。

1.1.2 計(jì)算流體力學(xué)的優(yōu)勢

計(jì)算流體力學(xué)是流體力學(xué)的一個(gè)分支。當(dāng)前，研究流體力學(xué)問題有3類方法，即實(shí)驗(yàn)分析、理論分析和CFD模擬。

實(shí)驗(yàn)測量的結(jié)果較為真實(shí)可信，它是研究流體力學(xué)問題的基礎(chǔ)。CFD新算法的提出和理論分析的結(jié)果都需要具體實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。目前，實(shí)驗(yàn)測量仍是研究流體力學(xué)問題的重要方法。然而，實(shí)驗(yàn)測量耗時(shí)長、成本高，而且往往由于測量方法的限制，測量設(shè)備難免會(huì)對真實(shí)流場造成干擾，從而使從實(shí)驗(yàn)設(shè)備（如風(fēng)洞）中獲得某些細(xì)部數(shù)據(jù)較為困難。

理論分析的結(jié)果一般具有普遍性，從而為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和新CFD算法提供了理論基礎(chǔ)。目前，流體力學(xué)問題，尤其是湍流問題，機(jī)理方面的進(jìn)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(jìn)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(gè)復(fù)雜的隨機(jī)流動(dòng)過程提出新的機(jī)理方面的解釋，也十分困難。

CFD克服了實(shí)驗(yàn)測量和理論分析的某些缺點(diǎn)，且具有優(yōu)勢，如CFD方法成本低，耗時(shí)短，獲得流場中的數(shù)據(jù)比較容易。在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行一次CFD分析，就好比在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了一次虛擬的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)。如果采用的CFD方法合理，CFD分析就可在省時(shí)又省力的情況下對流動(dòng)過程進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。然而，目前CFD方法還沒有標(biāo)準(zhǔn)，即對某種流動(dòng)現(xiàn)象采用什么模型、什么網(wǎng)格、什么方法處理，還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)化的處理方法（只有推薦方法）。因此，一方面應(yīng)該把CFD看成一種研究手段、一個(gè)工具，將CFD技術(shù)與實(shí)驗(yàn)測量、理論分析結(jié)合起來，發(fā)揮分析人員的主觀能動(dòng)性，才可能比較順利地解決問題；另一方面，CFD分析人員應(yīng)該加強(qiáng)CFD基本理論的學(xué)習(xí)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，提高職業(yè)水平，合理充分地使用好這個(gè)強(qiáng)大的工具。

總而言之，流體力學(xué)的3類分析方法（理論分析、實(shí)驗(yàn)測量和CFD模擬）各有優(yōu)勢，不能武斷地認(rèn)為CFD未來的發(fā)展會(huì)取代實(shí)驗(yàn)和理論分析，CFD雖然克服了實(shí)驗(yàn)和理論分析方面的某些劣勢，但其也只是研究流動(dòng)問題的手段之一，三者應(yīng)該相輔相成、相互補(bǔ)充，同為研究流動(dòng)問題服務(wù)。

1.1.3 CFD學(xué)科誕生與工程化背景

計(jì)算流體力學(xué)近30年來得到了飛速發(fā)展，其與計(jì)算物理、計(jì)算化學(xué)、計(jì)算力學(xué)一樣，都是計(jì)算科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)科。隨著近幾十年計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)處理速度有了飛速的提高，從而使計(jì)算機(jī)對工程現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬分析逐漸成為可能。流體力學(xué)工作者也注意到了計(jì)算條件的飛速發(fā)展，并開發(fā)和發(fā)展了適合當(dāng)前計(jì)算機(jī)處理速度的湍流模型和計(jì)算方法。目前，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都已公認(rèn)CFD是解決流動(dòng)和傳熱相關(guān)問題強(qiáng)有力的工具。因此，CFD學(xué)科的發(fā)展與計(jì)算機(jī)處理速度的進(jìn)步是密不可分的。正是計(jì)算速度的大幅提升，刺激了CFD技術(shù)的快速發(fā)展，也由于CFD數(shù)值處理方法的進(jìn)步，使利用超級計(jì)算機(jī)、工作站等計(jì)算設(shè)備求解實(shí)際工程問題成為了可能。

1.1.4 計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域

流體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用如今已遍及航空航天、船舶、能源、石油、化工、機(jī)械、制造、生物、水處理、火災(zāi)安全、冶金、環(huán)境等眾多領(lǐng)域。從高層建筑結(jié)構(gòu)通風(fēng)到微電機(jī)散熱，從發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)扇、渦輪、燃燒室等機(jī)械到整機(jī)外流氣動(dòng)分析，可以認(rèn)為只要有流動(dòng)存在的場合，都可以利用計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行分析。具體的工程應(yīng)用場合包括但不限于以下行業(yè)。

● 汽車與交通行業(yè)：分析行駛中的汽車外流場、兩車相撞過程、地鐵進(jìn)站過程、車用空調(diào)效果、汽車內(nèi)燃機(jī)燃燒效果、汽車尾氣處理設(shè)備化學(xué)反應(yīng)模擬等。

● 航空航天：飛機(jī)外流場、機(jī)翼設(shè)計(jì)、導(dǎo)彈發(fā)射過程、航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效果、飛行器內(nèi)空調(diào)效果等。

● 土木與建筑：建筑群風(fēng)場、計(jì)算風(fēng)工程、風(fēng)荷載對建筑的影響、室內(nèi)氣流組織、排煙、隧道通風(fēng)、建筑自然通風(fēng)效果等。

● 熱科學(xué)與熱技術(shù)：電子儀器的散熱分析、傳熱與流動(dòng)過程、工業(yè)換熱器、導(dǎo)熱過程、輻射換熱過程等。

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

● 流體機(jī)械：水輪機(jī)、風(fēng)機(jī)與泵等流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)分析。

● 環(huán)境工程：河流中污染物的擴(kuò)散、工廠排放污染物在氣體中的擴(kuò)散、污水處理工廠設(shè)計(jì)、旋轉(zhuǎn)攪拌器模擬等。

● 艦船領(lǐng)域：艦船推進(jìn)器非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)分析等。

● 生物技術(shù)行業(yè)：血管內(nèi)血液流動(dòng)過程模擬、旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器內(nèi)多相流的模擬等。

這些問題過去主要靠經(jīng)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)獲得設(shè)計(jì)參考，而今可采用CFD技術(shù)提供更快捷和全面的解決方案，而且CFD技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域還在迅速擴(kuò)展，可以認(rèn)為只要有流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)、多相流、相變存在的過程，都可以嘗試?yán)肅FD進(jìn)行模擬分析。