計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）簡(jiǎn)寫為CFD,，經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的迅猛發(fā)展,，這門學(xué)科已經(jīng)是相當(dāng)?shù)某墒炝耍粋€(gè)重要的標(biāo)志就是近幾十年來(lái),，各種CFD通用軟件的陸續(xù)出現(xiàn),，成為商品化軟件，服務(wù)于傳統(tǒng)的流體力學(xué)和流體工程領(lǐng)域,，如航空、航天、船舶,、水利等,。隨著CFD通用軟件的性能日益完善,，應(yīng)用的范圍也不斷的擴(kuò)大，在化工、冶金、建筑,、環(huán)境等相關(guān)領(lǐng)域中也被廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)代流體力學(xué)研究方法包括理論分析,，數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究三個(gè)方面,。這些方法針對(duì)不同的角度進(jìn)行研究，相互補(bǔ)充,。理論分析研究能夠表述參數(shù)影響形式,，為數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究提供了有效的指導(dǎo)；試驗(yàn)是認(rèn)識(shí)客觀現(xiàn)實(shí)的有效手段,，驗(yàn)證理論分析和數(shù)值計(jì)算的正確性,；計(jì)算流體力學(xué)通過(guò)提供模擬真實(shí)流動(dòng)的經(jīng)濟(jì)手段補(bǔ)充理論及試驗(yàn)的空缺。

更重要的是,，計(jì)算流體力學(xué)提供了廉價(jià)的模擬、設(shè)計(jì)和優(yōu)化的工具,，以及提供了分析三維復(fù)雜流動(dòng)的工具,。在復(fù)雜的情況下，測(cè)量往往是很困難的,，甚至是不可能的,，而計(jì)算流體力學(xué)則能方便的提供全部流場(chǎng)范圍的詳細(xì)信息。與試驗(yàn)相比,，計(jì)算流體力學(xué)具有對(duì)于參數(shù)沒(méi)有什么限制,，費(fèi)用少，流場(chǎng)無(wú)干擾的特點(diǎn),。出于計(jì)算流體力學(xué)如此的優(yōu)點(diǎn),，我們選擇它來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),，計(jì)算流體力學(xué)所扮演的角色是：通過(guò)直觀地顯示計(jì)算結(jié)果,，對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仔細(xì)的研究。

計(jì)算流體力學(xué)在數(shù)值研究大體上沿兩個(gè)方向發(fā)展,，一個(gè)是在簡(jiǎn)單的幾何外形下,，通過(guò)數(shù)值方法來(lái)發(fā)現(xiàn)一些基本的物理規(guī)律和現(xiàn)象，或者發(fā)展更好的計(jì)算方法,；另一個(gè)則為解決工程實(shí)際需要,，直接通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行預(yù)測(cè),，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。理論的預(yù)測(cè)出自于數(shù)學(xué)模型的結(jié)果,，而不是出自于一個(gè)實(shí)際的物理模型的結(jié)果,。計(jì)算流體力學(xué)是多領(lǐng)域較差的學(xué)科，涉及計(jì)算機(jī)科學(xué),、流體力學(xué),、偏微分方程的數(shù)學(xué)理論、計(jì)算幾何,、數(shù)值分析等,，這些學(xué)科的交叉融合，相互促進(jìn)和支持,，推動(dòng)了學(xué)科的深入發(fā)展,。

CFD方法是對(duì)流場(chǎng)的控制方程用計(jì)算數(shù)學(xué)的方法將其離散到一系列網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上求其離散的數(shù)值解的一種方法。控制所有流體流動(dòng)的基本定律是：質(zhì)量守恒定律,、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律,。由它們分別導(dǎo)出連續(xù)性方程、動(dòng)量方程（N-S方程）和能量方程,。應(yīng)用CFD方法進(jìn)行平臺(tái)內(nèi)部空氣流場(chǎng)模擬計(jì)算時(shí),，首先需要選擇或者建立過(guò)程的基本方程和理論模型,，依據(jù)的基本原理是流體力學(xué),、熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)等平衡或守恒定律,。

由基本原理出發(fā)可以建立質(zhì)量,、動(dòng)量、能量,、湍流特性等守恒方程組,，如連續(xù)性方程、擴(kuò)散方程等,。這些方程構(gòu)成連理的非線性偏微分方程組,，不能用經(jīng)典的解析法，只能用數(shù)值方法求解,。

求解上述方程必須首先給定模型的幾何形狀和尺寸,，確定計(jì)算區(qū)域并給出恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)出口，壁面以及自由面的邊界條件,。而且還需要適宜的數(shù)學(xué)模型及包括相應(yīng)的初值在內(nèi)的過(guò)程方程的完整數(shù)學(xué)描述,。

求解的數(shù)值方法主要有有限差分法（FDM）和有限元（FEM）以及有限分析法（FAM），應(yīng)用這些方法可以將計(jì)算域離散為一系列的網(wǎng)格并建立離散方程組，離散方程的求解是由一組給定的猜測(cè)值出發(fā)迭代推進(jìn),，直至滿足收斂標(biāo)準(zhǔn),。常用的迭代方法有Gauss-Seidel迭代法、TDMA方法,、SIP法及LSORC法等,。利用上述差分方程及求解方法既可以編寫計(jì)算程序或選用現(xiàn)有的軟件實(shí)施過(guò)程的CFD模擬。

計(jì)算流體力學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域

近十多年來(lái),，CFD有了很大的發(fā)展,，替代了經(jīng)典流體力學(xué)中的一些近似計(jì)算法和圖解法，過(guò)去的一些典型教學(xué)實(shí)驗(yàn),，如Reynolds實(shí)驗(yàn),，現(xiàn)在完全可以借助CFD手段在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。

所有涉及流體流動(dòng),、熱交換,、分子輸運(yùn)等現(xiàn)象的問(wèn)題，幾乎都可以通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)的方法進(jìn)行分析和模擬,。CFD不僅作為一個(gè)研究工具,，而且還作為設(shè)計(jì)工具在水利工程、土木工程,、環(huán)境工程,、食品工程、海洋結(jié)構(gòu)工程,、工業(yè)制造等流域發(fā)揮作用,。典型的應(yīng)用場(chǎng)合及相關(guān)的工程問(wèn)題包括：

航空工程

CFD在航空和國(guó)防工業(yè)中的應(yīng)用經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期的發(fā)展過(guò)程，取得了令人矚目的成績(jī),。在激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中，CFD在改進(jìn)飛行設(shè)計(jì)中起到了關(guān)鍵性的作用,。實(shí)際上,，很多工程師已將CFD和空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)合起來(lái)用于諸如飛機(jī)機(jī)翼升力的計(jì)算。隨著CFD計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)能力的提高,，其使用更為簡(jiǎn)便,，人們?cè)谟?jì)算升力之外，其應(yīng)用范圍已經(jīng)得到很大拓展,。今天,，CFD正用于求解很多困難的實(shí)際問(wèn)題，而這些問(wèn)題用過(guò)去的計(jì)算工具是難以分析或求解的,。

汽車工程

現(xiàn)在,，汽車工程師們正在依靠更多的模擬技術(shù)將提出的新車設(shè)計(jì)概念付諸實(shí)施。計(jì)算機(jī)輔助工程已經(jīng)處于革新汽車內(nèi)部系統(tǒng)的技術(shù)前沿，可以更好地全面提升駕駛體驗(yàn),，改善駕破員和乘客的舒適性和安全性,，井且進(jìn)一步降低油耗，計(jì)算流體力學(xué)長(zhǎng)期以來(lái)一直是汽車設(shè)計(jì)和制造中的一個(gè)基本要素,。除了航空航天工業(yè)外,，汽車工業(yè)在研究制造中也大量使用了CFD技術(shù)。因此,，作為工程模擬工具,，即使面對(duì)最困難的挑戰(zhàn)，CFD仍然在許多工業(yè)領(lǐng)域中得到很好的應(yīng)用,。

生物科學(xué)工程

醫(yī)學(xué)研究者現(xiàn)在依靠模擬工具幫助預(yù)測(cè)人體中血液循環(huán)流動(dòng)狀態(tài),，數(shù)值模擬能夠提供實(shí)驗(yàn)難以得到的有價(jià)值的信息，而且CFD還可以對(duì)很多流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行研究,。同時(shí),，CFD 在制藥工業(yè)也有廣泛的應(yīng)用。

化學(xué)和采礦工程

很多世界必需品源于化學(xué)工業(yè)和采礦業(yè),，這些工業(yè)通過(guò)物理或化學(xué)方法加工原材料,，消耗大量的熱能和電能，為食品,、保健品以且先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)設(shè)備和生物技術(shù)設(shè)備提供初級(jí)產(chǎn)品,，面對(duì)不斷加劇的競(jìng)爭(zhēng)，這些工業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是既要滿足當(dāng)前世界性的需求,，同時(shí)時(shí)未來(lái)發(fā)展丑不造成損害,，這就要求生產(chǎn)過(guò)程更高效、更安全以及更少污染物的排放,。

民用和環(huán)境工程

政府,、研究機(jī)構(gòu)以且企業(yè)正在職融尋求途徑滿足環(huán)境保護(hù)法，在維持一定生產(chǎn)水平,、滿足市場(chǎng)不斷增加需靠的同時(shí),，保證減少環(huán)境污染。在很多時(shí)候,，CFD模擬已經(jīng)成為解決環(huán)境問(wèn)題的核心技術(shù),。

能源工程

在不斷競(jìng)爭(zhēng)的能源市場(chǎng)中，設(shè)備制造商們轉(zhuǎn)向CFD尋求技術(shù)支持,，以便更好地了解和提升能源工業(yè)中的設(shè)備和工藝,。盡管傳統(tǒng)的發(fā)電方式仍在廣泛使用，但已經(jīng)出現(xiàn)了具有潛力的可再生能源,，如鳳力發(fā)電,。為使投資得到最大回報(bào)，CFD已經(jīng)被用于風(fēng)力發(fā)電渦輪葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中，使之在不同的來(lái)風(fēng)條件下能產(chǎn)生恒定的功率,。通過(guò)CFD的風(fēng)能資源評(píng)估,，工程師可以更好地研究風(fēng)力發(fā)電站的經(jīng)濟(jì)性，正確的模擬結(jié)果可以減少投資風(fēng)險(xiǎn),。

體育

隨著體育水平的不斷提高,，特別是在奧運(yùn)賽場(chǎng)上，運(yùn)動(dòng)員的水平都在伯仲之間,，體育比賽的勝負(fù)差距非常微小,，為了在比賽中獲得勝利，不得不為提高器材的性能投入大量的資金,。體育器材的流體動(dòng)力性能越來(lái)越重要,，越來(lái)越多的優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員、運(yùn)動(dòng)隊(duì)以及體育設(shè)備制造商們都在努力從先進(jìn)的流體模型中獲取比賽空氣動(dòng)力的有利條件,，越來(lái)越多的體育器材外形的研究成果逐漸為人們所認(rèn)可,。同時(shí)，CFD不僅可以研究體育運(yùn)動(dòng)器械等硬件設(shè)備,，還可以對(duì)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)技巧進(jìn)行分析,，針對(duì)不同運(yùn)動(dòng)員的自身?xiàng)l件，通過(guò)計(jì)算分析,，制定更為科學(xué)量化的競(jìng)技動(dòng)作和訓(xùn)練內(nèi)容,。