什么是计算流体力学-流体力学

计算流体力学(CFD)是利用应用数学、物理和计算软件来可视化气体或液体如何流动，以及气体或液体流经时如何影响物体。计算流体力学是基于Navier-Stokes方程。这些方程描述了流动流体的速度、压力、温度和密度之间的关系。

CFD的定义

“计算流体力学(CFD)是流体力学的一个分支，它使用数值分析和数据结构来解决和分析涉及流体流动的问题。”

连续统问题的数学建模导致了一组微分、积分或积分-微分方程。这种方程的精确解析解仅限于简单的几何问题。因此，对于大多数有实际意义的问题，都寻求近似的数值解。在力学的背景下，用数字计算机获得近似数值解的科学和实践被称为计算力学。对于热流体问题，这种方法通常被称为计算流体力学(CFD)。

计算机用于进行所需的计算，以模拟液体和气体与由边界条件定义的表面之间的相互作用。有了高速的超级计算机，就可以实现更好的解决方案。正在进行的研究产生了能够提高诸如跨音速或湍流等复杂模拟场景的准确性和速度的软件。这种软件的初始实验验证是在风洞中进行的，最终验证是在全尺寸测试中进行的，例如飞行测试。

几乎所有计算流体力学问题的基本基础是n - s方程,它定义了许多单相(气体或液体，但不是两者都)的流体流动。这些方程可以通过去除描述粘性作用的项来简化，从而得到欧拉方程。进一步简化，通过去除描述涡度的项，得到完整的势方程。最后，对于亚音速和超音速流动(非跨音速或高超音速)中的小扰动，这些方程可以线性化，得到线性化的势方程。

计算流体力学基于物理基本守恒定律，即质量守恒、动量守恒和能量守恒，处理控制方程的近似数值解。

CFD解决方案包括

• 用一种称为离散化的过程将连续介质的控制方程转换为一组离散代数方程。
• 离散方程的解可以用高速数字计算机得到所需精度的数值解。

CFD方法:

• 定义了问题的物理边界
• 由划分为单元格或网格的边界定义的体积
• 定义了物理模型:运动方程、辐射方程、焓方程和物种守恒方程
• 边界条件的定义
• 模拟启动
• 进行数据分析和可视化

CFD设计周期的主要组成部分如下:

• 分析师-说明需要解决的问题
• 模型和方法——用数学表达
• 软件-体现知识并提供算法
• 计算机硬件-对于实际计算，分析师必须检查和解释模拟结果

应用计算流体动力学

CFD正被用于基础研究和工业研发。从航空航天、化学、运输到生物医学工程，CFD分析构成了大多数行业设计周期中不可或缺的一部分。长度刻度范围从行星边界层到电子设备中的微通道。以下是CFD一些较为突出的应用:

• 气象:天气预报
• 航空:设计机翼，完成飞机气动设计
• 透平机:水力、蒸汽、燃气和风力涡轮机的设计;泵，压缩机，鼓风机，风扇，扩散器，喷嘴的设计。
• 发动机:内燃机燃烧模拟
• 电子产品:冷却的微电路
• 化工过程工程
• 能源系统:火电厂和核电厂的分析，核反应堆事故情况的建模。
• 液压和水文:河流、沟渠、地下蓄水层中的水流、泥沙输送。
• 暖通空调:通风管道的设计，放置加热/冷却管道以达到最佳的舒适度
• 水陆运输:车辆气动设计
• 海洋:船舶水动力设计、近海结构物荷载设计
• 生物医学:模拟血液在动脉和静脉的流动，液体在肾脏和眼部系统的流动。
• 物理学基本流程:层流、过渡流和湍流的动力学。