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1 计算流体力学概述 计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是以数值离散方法为数学基础，借助于计算 机求解描述流体运动的基本方程，研究流体运动规律的学科。 CFD 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，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 可以看做是在流动基本方程(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，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，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。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 可用来进行流体动力学的基础研究，复杂流动结构的工程设计，分析实验结果等。 CFD 的特点： 给出流体运动区域内的离散解，而不是解析解。 它的发展与计算机技术的发展直接相关。 若物理问题的数学提法（包括数学方程及其相应的边界条件）是正确的，则可在较广法的流动参数（如马 赫数、雷诺数、飞行高度、气体性质、模型尺度等）范围内研究流体力学问题，且能给出流场参数的定量 结果。 计算流体力学的技术原理 任何流体运动的规律都是由以下3 个定律为基础的：质量守恒定律，动量守恒定律和能量守恒定律。这些 基本定律可由数学方程组来描述。如欧拉(Euler)方程，N-S 方程。 首先确定了这些能够描述对象流动参量连续变化的微分方程组后，然后采用数值计算方法，通过离散 化方法（如有限差分法或有限元法）对连续变化的参量用离散空间和时间的值来表示，使微分方程组转变 成代数方程组形式，空间的离散位置可用计算网格上的节点描述，最后这些离散数学方程组通过计算机求 解，来研究流体运动特性，给出流体运动空间定常或非定常流动规律，这样的学科就是计算流体力学。 计算流体动力学的工作步骤 (1) 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型，就是要建立反映问题各个量之间关系的微分方程及相 应的定解条件，这是数值模拟的出发点。 (2) 寻求高效率、高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化方法，如有限差分法、有限元 法、有限体积法等。 (3) 编制程序和进行计算。工作包括计算网格划分、初始条件和边界条件的输入、控制参数的设定等。 (4) 显示计算结果。 CFD 在发动机中的应用： 发动机汽缸内流动、燃烧模拟 发动机进、排气管道流动模拟 水套换热分析 发动机排放的模拟 CFD 在整车中的应用： 作用在汽车上的空气动力和力矩及其对汽车性能的影响。 汽车各个部位的局部流场及其对汽车性能和周围环境的影响。 汽车发动机冷却系统空气动力特性及其对冷却效率的影响。 汽车内部环境和气候条件及其对车体内舒适性的影响。 方程离散： 定解域化为离散的点集，通过适当的途径将微分方程组及其定解条件转化为网格节点上的代数方程 组，即离散方程组，进而求解并得到离散近似解。 经过四十多年的发展，CFD 出现了多种数值解法。这些方法之间的主要区别在于对控制方程的离散方 式。根据离散的原理不同，CFD 大体上可分为三个分支： 有限差分方法(FDM)：借助于Taylor 级数展开，采用截断的Taylor 级数来近似微分方程，是导数定义的直 接应用。 有限体积方法(FVM)：采用对守恒方程的积分形式进行离散求解。物理概念明晰，具有良好的守恒型。 有限元方法(FEM) ：采用问题的变分原理或带权余数法来控制每一元素的近似解与真实解的误差，其网格 单元是非结构形式的。适于复杂区域的网格划分，计算耗时。 CFD 软件是计算流体力学（Computational fluid Dynamics ）软件的简称，是专门用来进行流场分析、流场 计算、流场预测的软件。通过 CFD 软件，可以分析并且显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内， 能预测性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。CFD 的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题 产生的机理，为实验提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起 到很好的指导作用。 自1981 年以来，出现了如PHOENICS 、CFX、FLUENT 、 STAR-CD 、FIDAP 等多个商用CFD 软件，这 些