CFD-簡(jiǎn)介及國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

1、1.1 計(jì)算流體力學(xué)的起源計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。他作為流體力學(xué)的一個(gè)分支產(chǎn)生于第二次世界大戰(zhàn)前后，在20 世紀(jì)60年代左右逐漸形成了一門獨(dú)立的學(xué)科【1】?？偟膩碚f隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，我們可以將其劃分為三個(gè)階段： 第一，初始階段（19651974），這期間的主要研究?jī)?nèi)容是解決計(jì)算流體力學(xué)中的一些基本的理論問題，如模型方程（湍流、流變、傳熱、輻射、氣體顆粒作用、化學(xué)反應(yīng)、燃燒等）、數(shù)值方法（差分格式、代數(shù)方程求解等）、網(wǎng)格劃分、程序編寫與實(shí)現(xiàn)等，

2、并就數(shù)值結(jié)果與大量傳統(tǒng)的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及精確解進(jìn)行比較，以確定數(shù)值預(yù)測(cè)方法的可靠性、精確性及影響規(guī)律。同時(shí)為了解決工程上具有復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)問題，人們開始研究網(wǎng)格的變換問題，如Thompson, Thams和Mastin提出了采用微分方程來根據(jù)流動(dòng)區(qū)域的形狀生成適體坐標(biāo)體系，從而使計(jì)算流體力學(xué)對(duì)不規(guī)則的幾何流動(dòng)區(qū)域有了較強(qiáng)的適應(yīng)性，逐漸在CFD中形成了專門的研究領(lǐng)域：“網(wǎng)格形成技術(shù)”。 第二，工業(yè)應(yīng)用階段(19751984年)，隨著數(shù)值預(yù)測(cè)、原理、方法的不斷完善，關(guān)鍵的問題是如何得到工業(yè)界的認(rèn)可，如何在工業(yè)設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，因此，該階段的主要研究?jī)?nèi)容是探討CFD在解決實(shí)際工程問題中的可行性

3、、可靠性及工業(yè)化推廣應(yīng)用。同時(shí)，CFD技術(shù)開始向各種以流動(dòng)為基礎(chǔ)的工程問題方向發(fā)展，如氣固、液固多相流、非牛頓流、化學(xué)反應(yīng)流、煤粉燃燒等。但是，這些研究都需要建立在具有非常專業(yè)的研究隊(duì)伍的基礎(chǔ)上，軟件沒有互換性，自己開發(fā)，自己使用，新使用的人通常需要花相當(dāng)大的精力去閱讀前人開發(fā)的程序，理解程序設(shè)計(jì)意圖，改進(jìn)和使用。1977年，Spalding等開發(fā)的用于預(yù)測(cè)二維邊界層內(nèi)的遷移現(xiàn)象的GENMIX程序公開，其后，他們首先意識(shí)到公開計(jì)算源程序很難保護(hù)自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，因此，在1981年，組建的CHAM公司將包裝后的計(jì)算軟件（PHONNICS鳳凰）正式投放市場(chǎng)，開創(chuàng)了CFD商業(yè)軟件的先河，但是，在當(dāng)時(shí)，

4、該軟件使用起來比較困難，軟件的推廣并沒有達(dá)到預(yù)期的效果。我國(guó)80年代初期，隨著與國(guó)外交流的發(fā)展，科學(xué)院、部分高校開始興起CFD的研究熱潮。第三，快速發(fā)展階段（1984至今），CFD在工程設(shè)計(jì)的應(yīng)用以及應(yīng)用效果的研究取得了豐碩的成果，在學(xué)術(shù)界得到了充分的認(rèn)可。同時(shí)Spalding領(lǐng)導(dǎo)的CHAM公司在發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)界進(jìn)行了大量的推廣工作， Patankar也在美國(guó)工程師協(xié)會(huì)的協(xié)助下，舉行了大范圍的培訓(xùn)，皆在推廣應(yīng)用CFD，然而，工業(yè)界并沒有表現(xiàn)出太多的熱情。1985年的第四界國(guó)際計(jì)算流體力學(xué)會(huì)議上，Spalding作了CFD在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景的專題報(bào)告，在該報(bào)告中，他將工程中常見的流動(dòng)、傳熱、

5、化學(xué)反應(yīng)等過程分為十大類問題，并指出CFD都有能力加以解決，分析了工業(yè)界不感興趣，是因?yàn)檐浖耐ㄓ眯阅懿缓茫褂美щy。如何在CFD的基礎(chǔ)研究與工程開發(fā)設(shè)計(jì)研究之間建立一個(gè)橋梁?如何將研究結(jié)果為高級(jí)工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員所掌握，并最大限度地應(yīng)用于工程咨詢、工程開發(fā)與設(shè)計(jì)研究?這正是本時(shí)期應(yīng)用基礎(chǔ)研究所追求的目標(biāo)。此后，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)微機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)步，CFD的前后處理軟件得到了迅速發(fā)展，如GRAPHER，GRAPHER TOOL，ICEMCFD等等。1.2 計(jì)算流體力學(xué)的基本原理任何流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律都是以質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律為基礎(chǔ)的。這些基本定律可由數(shù)學(xué)方程組來描述，計(jì)算流

6、體力學(xué)可以看做是在流動(dòng)基本方程，控制下對(duì)流體的數(shù)值仿真模擬。通過這些數(shù)值模擬，我們可以得到極其復(fù)雜問題的流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的分布，以及這些量隨時(shí)間變化的情況，確定是否產(chǎn)生渦流，渦流分布特性及脫流區(qū)域等。計(jì)算流體力學(xué)以理論流體力學(xué)和計(jì)算數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，是這兩門學(xué)科的交叉學(xué)科。主要研究把描述流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)介質(zhì)數(shù)學(xué)模型離散成大型代數(shù)方程，建立可在計(jì)算機(jī)上求解的算法。廣義而言，可從流體現(xiàn)象出發(fā)，直接建立滿足流動(dòng)規(guī)律的、適當(dāng)?shù)碾x散數(shù)值模型，而不必經(jīng)由已有的流體力學(xué)偏微分方程組。通過時(shí)空離散化，把連續(xù)的時(shí)間離散成間斷的有限的時(shí)間。把連續(xù)的介質(zhì)離散成間斷有限的空間模型，從

7、而把偏微分方程轉(zhuǎn)變成有限的代數(shù)方程。因此，數(shù)值方法的實(shí)質(zhì)就是離散化和代數(shù)化。離散化把無(wú)限信息系統(tǒng)變成有限信息系統(tǒng)；代數(shù)化把偏微分方程變成代數(shù)方程。而離散的數(shù)值解一般可用兩種形式給出：網(wǎng)格點(diǎn)上的近似值，如差分法；單元中易于計(jì)算的近似表達(dá)式，如有限元、邊界元法。CFD包括對(duì)各種類型的流體（氣體、液體及特殊情況下的固體），在各種速度范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)在計(jì)算機(jī)上基進(jìn)行數(shù)值模擬的計(jì)算。它涉及用計(jì)算機(jī)尋求流動(dòng)問題的解和流體動(dòng)力學(xué)研究中計(jì)算機(jī)的應(yīng)用兩方面問題。計(jì)算機(jī)科學(xué)及超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展為CFD技術(shù)的發(fā)展提供了舞臺(tái)。1.3 計(jì)算流體力學(xué)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用 目前，計(jì)算流體力學(xué)主要應(yīng)用于熱能動(dòng)力、航空航天、機(jī)械、土木

8、水力、環(huán)境化工等工程領(lǐng)域，近些年，暖通空調(diào)行業(yè)也日益成為CFD技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域。1.3.1 計(jì)算流體力學(xué)在國(guó)外的應(yīng)用 在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，自二十世紀(jì)六十年代以來CFD技術(shù)已得到飛速發(fā)展。其發(fā)展的原動(dòng)力是不斷增長(zhǎng)的工業(yè)需求，而航空航天工業(yè)自始至終是最強(qiáng)大的推動(dòng)力。傳統(tǒng)飛行器設(shè)計(jì)方法試驗(yàn)昂貴、費(fèi)時(shí)，所獲信息有限，迫使人們需要用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真手段指導(dǎo)設(shè)計(jì)，大量減少原型機(jī)試驗(yàn)，縮短研發(fā)周期，節(jié)約研究經(jīng)費(fèi)。四十年來，CFD在湍流模型、網(wǎng)格技術(shù)、數(shù)值算法、可視化、并行計(jì)算等方面取得飛速發(fā)展，并給工業(yè)界帶來了革命性的變化。如在汽車工業(yè)中，CFD和其它計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）工具一起，使原來新車研發(fā)需要上百

9、輛樣車減少為目前的十幾輛車；國(guó)外飛機(jī)廠商用CFD取代大量實(shí)物試驗(yàn)，如美國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)YF-23采用CFD進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)后比前一代YF-17減少了60的風(fēng)洞試驗(yàn)量。目前在國(guó)外，在航空、航天、汽車等諸多工業(yè)領(lǐng)域，利用CFD進(jìn)行的反復(fù)設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化已成為標(biāo)準(zhǔn)的必經(jīng)步驟和手段。1.3.2 計(jì)算流體力學(xué)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)入我國(guó)時(shí)間較短，但其已在我國(guó)眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。其中航天、航空、船舶、汽車、核電是資深的CFD應(yīng)用領(lǐng)域【7】，例如在航天方面，載人航天工程、新一代運(yùn)載火箭的研制等都大大的依賴于CFD技術(shù)，我國(guó)第一架噴氣渦扇式支線飛機(jī)的研制就是CFD在我國(guó)應(yīng)用的典范；在船舶方面，據(jù)有關(guān)材料說上海到

10、2015年總造船能力要達(dá)到120萬(wàn)噸，這樣巨大的任務(wù)必須依托CFD才能完成；汽車方面，隨著全球汽車制造向中國(guó)的轉(zhuǎn)移，汽車研發(fā)能力開始提上日程，處于綜合成本的考慮，這些企業(yè)都在尋求外部高性能計(jì)算，最終必須依賴CFD。目前，采用通用成熟的商業(yè)CFD軟件進(jìn)行日常設(shè)計(jì)分析工作已成為眾多企業(yè)不可或缺的一部分。以我國(guó)的上海為例，在電子工業(yè)、市政建設(shè)工程、環(huán)保、建筑、機(jī)電成套設(shè)備工業(yè)和其他工業(yè)領(lǐng)域都相繼引入CFD作為基本設(shè)計(jì)分析手段。如在電子工業(yè)中采用CFD進(jìn)行散熱分析，在市政工程中采用CFD進(jìn)行通風(fēng)、火災(zāi)、泥沙淤積模擬，在機(jī)電成套設(shè)備工業(yè)中應(yīng)用CFD進(jìn)行水輪機(jī)、汽輪機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)和鍋爐等燃燒器燃燒流動(dòng)分