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浅析计算流体力学

摘要:计算流体力学(CFD)是流体力学的一个分支。它用于求解固定几何形状空间内的流体的动量、热量和质量方程以及相关的其它方程，并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关信息，是分析和解决问题的强有力和用途广泛的工具。对CFD应用中的关键问题、现状及应用进行了综述。

关键词:计算流体力学；关键问题；现状；应用

中图分类号:0368文献标志码：A

SimpleanalysisofComputationalFluidDynamics

Abstract：ComputationalFluidDynamics(CFD)isabranchoffluidmechanics.Itisusedtosolvethefixedgeometryofthefluidmomentumspace,heatandmassequation,andotherrelevantequation,andobtaininformationaboutafluidunderspecifiedconditionsbyacomputersimulation,istoanalyzeandsolveproblemsofastrongandusesawiderangeoftools.CFDapplicationsonkeyissues,statusandapplicationwerereviewed.

Keywords：Computationalfluiddynamics;keyissues;thestatusquo;Application

1CFD应用中的关键问题

1.1对应用于各种具体情况的数学模型的进一步研究

描述最一般的流动现象的基本方程是NavierStokes方程，但目前方程的直接求解还受

到计算机速度与容量的限制而难以实现，而且在一些工程问题中也没有这种必戛因而一般

对方程进行一定的简化与处理后再求触各种简化方法大致可分为3类:

a无粘、线性化的处理这类方法已较成熟，早期应用也较多，典型的如Panel方法等

这类方法的应用有一定的局限性，例如对有分离流动的区域，如轿车车身的尾部，计算精度

明显变差

b无粘、非线性的处理(Euler方程)。这类方法较上一类方法有了较大的改进，通常是对主流的简化与对壁面附近的边界层的特殊处理相结合，因而又称为偶合方法要取得较好结果的关键在于对边界层(即附面层)的处理。

c粘性时间平均的处理对紊流的NavierStokes方程采用时间平均后，出现脉动应力

项(雷诺应力)，要使控制方程组封闭，必须作出假设，提出紊流模型目前存在的紊流模型包括了从简单的代数模型(零方程模型)到标准k-X型(二方程模型)直至复杂的大涡模拟，而k-X

模型或其它形式的二方程模型是目前在工程领域中应用最为广泛的紊流模型但通用的模型

迄今还不存在，不同的情况需要不同的紊流模型选取合适准确的紊流模型，这不仅对计算精

度的影响很大，而且计算也十分困难要做到与实际情况深入相符合的模型还有待于进一步地

探讨和研究。

此外，还有对具体研究对象的边界条件的处理问题。

1.2对复杂外形的描述以及计算网格划分的进一步研究

实际车辆或发动机中零部件的外形复杂，为了使CFD能够实际应用于设计工作中，对计算网格的疏密程度有一定的要求，即为保证计算流场有必要的分辨率与准确度，计算网格点必须达到一定的数量，一般计算网格至少有数万直至数百万个。

能方便地生成计算网格以及在设计中方便地修改是能否真正使CFD在设计中得到广泛

应用的一个关键，必须进一步研究计算网格自动或半自动的生成方法。

1.3探索更有效的算法以提高精度并降低计算费用

对于方程的离散格式和数值算法，基本的方法有:有限差分法、有限容积法和有限元法，及有一定应用局限性的边界元方法其中有限容积法应用最为广泛，也相对较为成熟。

探索更有效的算法以提高精度并降低计算费用是目前研究的重点之一，已出现了一批各

具特色的方案与方法，如多重网格法，平均修正技术等。

1.4进一步探索在各方面的应用

在扩大应用范围方面，例如CFD在润滑、冷却等方面中的应用，其与传热、燃烧和噪声等研究领域的结合，也需要进一步探索[1]。

2计算流体力学的现状

进人20世纪80年代以后，计算机硬件技术有了突飞猛进的发展，千万次机、亿次机逐渐进人人们的实践活动范围。随着计算方法的不断改进和数值分析理论的发展高精度势值模拟已不再是天方夜谭。同时随着人类生产实践活动的不断发展，科