计算流体力学概述

计算流体力学(computational fluid dynamics,简称CFD)是通过计算机数值计算和图像显示,对包含流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD的基本思想可以归结为:把原来在时间域及空间域连续的物理量的场,如速度场和压力场,用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后求解代数方程组获得场变量的近似值。

CFD可以看作是在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟,我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布,以及这些物理量随时间的变化情况,确定涡旋分布特性、空化特性。还可据此算出相关的其他物理量,如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。此外,与CAD联合,还可进行结构优化设计等。

CFD的优点是适应性强、应用面广。首先,流动问题的控制方程一般是非线性的,自变量多,计算域的几何形状和边界条件复杂,很难求得解析解,而用CFD方法则有可能找出满足工程需要的数值解。其次,可利用计算机进行各种数值实验,例如,选择不同流动参数进行物理方程中各项有效性和敏感性实验,从而进行方案比较。再者,它不受物理模型和实验模型的限制,省时省钱,有较多的灵活性,能给出详细和完整的资料,很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的物理条件。

CFD也存在一定的局限性。首先,数值方法是一种离散近似的计算方法,依赖于物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学模型,且最终结果不能提供任何形式的解析表达式,只是有限个离散点上的数值解,并有一定的计算误差。其次,它不像物理模型实验一开始就能给出流动现象并定性描述,往往需要由原体观测或物理模型实验提供某些流动参数,并需要对建立的数学模型进行验证。第三,程序的编制及资料的收集、整理与正确利用,在很大程度上依赖于经验和技巧。此外,因数值处理方法等原因可能导致计算结果的不真实,例如产生数值黏性和频散等伪物理效应。当然,某些缺点或局限性可通过某种方式克服或弥补。此外CFD因为涉及大量数值计算,因此常需要较高的计算机硬件配置。

实验研究、理论分析方法和数值模拟是研究流体运动规律的三种基本方法,它们的发展是相互依赖、相互促进的。计算流体力学的兴起促进了流体力学的发展,改变了流体力学研究工作的状况,很多原来认为很难解决的问题,如超声速、高超声速钝体绕流、分离流以及湍流问题等,都有了不同程度的发展,且将为流体力学研究工作提供新的前景。