計算流體力學的發(fā)展

計算流體動力學 (Computational Fluid Dynamics, 簡寫CFD) ，是20世紀60年代起伴隨計算科學與工程 (Computational Science and Engineering, 簡稱CSE) 迅速崛起的一門學科分支，經過半個世紀的迅猛發(fā)展，這門學科已經是相當?shù)某墒炝?，一個重要的標志就是近幾十年來，各種CFD通用軟件的陸續(xù)出現(xiàn)，成為商品化軟件，服務于傳統(tǒng)的流體力學和流體工程領域，如航空、航天、船舶、水利等。隨著CFD通用軟件的性能日益完善，應用的范圍也不斷的擴大，在化工、冶金、建筑、環(huán)境等相關領域中也被廣泛應用。

現(xiàn)代流體力學研究方法包括理論分析，數(shù)值計算和實驗研究三個方面。這些方法針對不同的角度進行研究，相互補充。理論分析研究能夠表述參數(shù)影響形式，為數(shù)值計算和實驗研究提供了有效的指導；試驗是認識客觀現(xiàn)實的有效手段，驗證理論分析和數(shù)值計算的正確性；計算流體力學通過提供模擬真實流動的經濟手段補充理論及試驗的空缺。

更重要的是，計算流體力學提供了廉價的模擬、設計和優(yōu)化的工具，以及提供了分析三維復雜流動的工具。在復雜的情況下，測量往往是很困難的，甚至是不可能的，而計算流體力學則能方便的提供全部流場范圍的詳細信息。與試驗相比，計算流體力學具有對于參數(shù)沒有什么限制、費用少、流場無干擾的特點。出于計算流體力學如此的優(yōu)點，我們選擇它來進行模擬計算。簡單來說，計算流體力學所扮演的角色是：通過直觀地顯示計算結果，對流動結構進行仔細的研究。

計算流體力學在數(shù)值研究大體上沿兩個方向發(fā)展：一個是在簡單的幾何外形下，通過數(shù)值方法來發(fā)現(xiàn)一些基本的物理規(guī)律和現(xiàn)象，或者發(fā)展更好的計算方法；另一個則為解決工程實際需要，直接通過數(shù)值模擬進行預測，為工程設計提供依據。理論的預測出自于數(shù)學模型的結果，而不是出自于一個實際的物理模型的結果。計算流體力學是多領域交叉的學科，涉及計算機科學、流體力學、偏微分方程的數(shù)學理論、計算幾何、數(shù)值分析等，這些學科的交叉融合，相互促進和支持，推動了學科的深入發(fā)展。

CFD方法是對流場的控制方程用計算數(shù)學的方法將其離散到一系列網格節(jié)點上，求其離散的數(shù)值解的一種方法。控制所有流體流動的基本定律是：質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，由它們分別導出連續(xù)性方程、動量方程（N-S方程）和能量方程。應用CFD方法進行平臺內部空氣流場模擬計算時，首先需要選擇或者建立過程的基本方程和理論模型，依據的基本原理是流體力學、熱力學、傳熱傳質等平衡或守恒定律。

由基本原理出發(fā)可以建立質量、動量、能量、湍流特性等守恒方程組，如連續(xù)性方程、擴散方程等。這些方程構成聯(lián)立的非線性偏微分方程組，不能用經典的解析法，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，確定計算區(qū)域并給出恰當?shù)倪M出口、壁面以及自由面的邊界條件，而且還需要適宜的數(shù)學模型及包括相應的初值在內的過程方程的完整數(shù)學描述。

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)，應用這些方法可以將計算域離散為一系列的網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值出發(fā)迭代推進，直至滿足收斂標準。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，即可編寫計算程序或選用現(xiàn)有的軟件實施過程的CFD模擬。