第1章 CFD概述

1.1 计算流体力学概述

1.1.1 计算流体力学的基本思想和本质

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）是通过计算机进行数值模拟，分析流体流动和传热等物理现象的技术。通过CFD技术，可利用计算机分析并显示流场中的现象，从而能在较短的时间内预测流场。CFD模拟能帮助理解流体力学问题，为实验提供指导，为设计提供参考，从而节省人力、物力和时间。

根据流体力学知识，自然界不涉及化学反应的单相流动现象都可以用两个方程来描述：连续性方程（即质量守恒方程）和Navier-Stokes方程（即动量守恒方程）。理论上，如果已知某一时刻流场的参数（如速度分布），将之设为初值，然后代入这两个方程中直接求解，即可求得任一时刻、任一地点流场的参数。然而，基于Navier-Stokes方程本质的非线性以及边界条件处理的困难，除少数简单的问题外，解析和数值求解Navier-Stokes方程都是极具挑战性的任务。证明Navier-Stokes方程解的存在性与光滑性仍是美国克雷数学研究所（Clay Mathematics Institute）悬赏100万美元征解的世纪难题。

实际上对于湍流，如果直接求解三维非稳态的控制方程，对计算机的内存和CPU要求非常高，目前还无法应用于工程计算。工程中，为降低计算过程对内存和CPU的要求，一般需将非稳态的Navier-Stokes方程对时间做平均处理，期望得到对时间做平均化的流场。但Navier-Stokes方程对时间做平均处理后，控制方程组并不封闭（即方程组的未知数大于方程数），因此需要人为构造额外的方程，使方程组封闭，这个构造额外方程的过程就是建立湍流封闭模式，即建立湍流模型的过程。这样处理后的时均化的控制方程，采用目前的计算机求解，求解速度已可以接受，可应用于工程问题的计算。这就是当前商业软件（如FLUENT、CFX和STAR-CD等）广为采用的CFD处理方法。

1.1.2 计算流体力学的优势

计算流体力学是流体力学的一个分支。当前，研究流体力学问题有3类方法，即实验分析、理论分析和CFD模拟。

实验测量的结果较为真实可信，它是研究流体力学问题的基础。CFD新算法的提出和理论分析的结果都需要具体实验的验证。目前，实验测量仍是研究流体力学问题的重要方法。然而，实验测量耗时长、成本高，而且往往由于测量方法的限制，测量设备难免会对真实流场造成干扰，从而使从实验设备（如风洞）中获得某些细部数据较为困难。

理论分析的结果一般具有普遍性，从而为实验设计和新CFD算法提供了理论基础。目前，流体力学问题，尤其是湍流问题，机理方面的进展十分缓慢。但每一次湍流新理论的提出都伴随着湍流研究的新进展，例如，普朗特的边界层理论，克罗格洛夫（kolmogorov）的-5/3理论等。但是，要对湍流这个复杂的随机流动过程提出新的机理方面的解释，也十分困难。

CFD克服了实验测量和理论分析的某些缺点，且具有优势，如CFD方法成本低，耗时短，获得流场中的数据比较容易。在计算机上进行一次CFD分析，就好比在计算机上进行了一次虚拟的流体力学实验。如果采用的CFD方法合理，CFD分析就可在省时又省力的情况下对流动过程进行准确预测。然而，目前CFD方法还没有标准，即对某种流动现象采用什么模型、什么网格、什么方法处理，还没有形成标准化的处理方法（只有推荐方法）。因此，一方面应该把CFD看成一种研究手段、一个工具，将CFD技术与实验测量、理论分析结合起来，发挥分析人员的主观能动性，才可能比较顺利地解决问题；另一方面，CFD分析人员应该加强CFD基本理论的学习和应用经验的积累，提高职业水平，合理充分地使用好这个强大的工具。

总而言之，流体力学的3类分析方法（理论分析、实验测量和CFD模拟）各有优势，不能武断地认为CFD未来的发展会取代实验和理论分析，CFD虽然克服了实验和理论分析方面的某些劣势，但其也只是研究流动问题的手段之一，三者应该相辅相成、相互补充，同为研究流动问题服务。

1.1.3 CFD学科诞生与工程化背景

计算流体力学近30年来得到了飞速发展，其与计算物理、计算化学、计算力学一样，都是计算科学领域的学科。随着近几十年计算机技术的进步，计算机处理速度有了飞速的提高，从而使计算机对工程现象进行数值模拟分析逐渐成为可能。流体力学工作者也注意到了计算条件的飞速发展，并开发和发展了适合当前计算机处理速度的湍流模型和计算方法。目前，学术界和工业界都已公认CFD是解决流动和传热相关问题强有力的工具。因此，CFD学科的发展与计算机处理速度的进步是密不可分的。正是计算速度的大幅提升，刺激了CFD技术的快速发展，也由于CFD数值处理方法的进步，使利用超级计算机、工作站等计算设备求解实际工程问题成为了可能。

1.1.4 计算流体力学的应用领域

流体动力学应用如今已遍及航空航天、船舶、能源、石油、化工、机械、制造、生物、水处理、火灾安全、冶金、环境等众多领域。从高层建筑结构通风到微电机散热，从发动机、风扇、涡轮、燃烧室等机械到整机外流气动分析，可以认为只要有流动存在的场合，都可以利用计算流体力学进行分析。具体的工程应用场合包括但不限于以下行业。

● 汽车与交通行业：分析行驶中的汽车外流场、两车相撞过程、地铁进站过程、车用空调效果、汽车内燃机燃烧效果、汽车尾气处理设备化学反应模拟等。

● 航空航天：飞机外流场、机翼设计、导弹发射过程、航空发动机燃烧效果、飞行器内空调效果等。

● 土木与建筑：建筑群风场、计算风工程、风荷载对建筑的影响、室内气流组织、排烟、隧道通风、建筑自然通风效果等。

● 热科学与热技术：电子仪器的散热分析、传热与流动过程、工业换热器、导热过程、辐射换热过程等。

● 热能工程、化工及冶金行业：燃烧过程的分析、加热炉与锅炉的模拟、工业窑炉的工作过程、钢水铸造过程模拟等。

● 流体机械：水轮机、风机与泵等流体机械内部流动分析。

● 环境工程：河流中污染物的扩散、工厂排放污染物在气体中的扩散、污水处理工厂设计、旋转搅拌器模拟等。

● 舰船领域：舰船推进器非稳态流动分析等。

● 生物技术行业：血管内血液流动过程模拟、旋转生物反应器内多相流的模拟等。

这些问题过去主要靠经验与实验获得设计参考，而今可采用CFD技术提供更快捷和全面的解决方案，而且CFD技术的应用领域还在迅速扩展，可以认为只要有流动、传热、化学反应、多相流、相变存在的过程，都可以尝试利用CFD进行模拟分析。