数值模拟在环保工作中的应用及挑战

1.数值模拟理论

任何流体运动的规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律为基础的，这些基本定律可由数学方程来描述。由于计算机技术的发展，促进了计算流体力学的进步，于是人们有可能采用数值计算方法，通过计算机求解这些控制流体流动的数学方程，可研究流体的运动规律。数值模拟可提供丰富的流场信息，具有初步性能预测、内部流动预测、流动诊断等作用。并可降低成本、缩短研制周期，为设计者和改进流体机械提供依据。

但是数值模拟仍很复杂，需要有专门研究者提供现成的软件进行，许多环保工作者不具备编制这些软件的能力。数值模拟的过程大致可以分为以下步骤：①建立基本守恒方程组；②选择模型或封闭方法；③建立离散化方程；④确定边界条件；⑤编程求解。

2.数值模拟方法(www.xing528.com)

在湍流运动中，流体的各种物理参数，如加速度、压力、温度等都随着时间与空间发生随机的变化。涡流的尺度大小和旋转轴的方向分布都是随机的，因此，可以把湍流看成是由不同尺度的涡旋叠合流动。大尺度的涡旋主要由流动的边界条件决定，其尺寸可以与流场的大小相比拟；小尺度的涡旋主要由黏性力决定。大尺度的涡旋破裂后形成小尺度的涡旋。大尺度涡流不断从主流获得能量，通过涡旋间的相互作用，把能量逐渐传递给小尺度涡旋。最后由于流体黏性的作用，小尺度涡旋不断消失，机械能就转化为流体的热能。同时，由于边界的作用、扰动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断产生，这就构成了湍流运动。一般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳态的Navier-Stokes方程对于湍流的瞬时运动仍然是适用的。随着计算机的日益普及，特别是湍流理论和计算方法的迅速发展，人们越来越重视运用数值模拟的方法来计算和预测各种流体现象及流场内部结构。

已经采用的数值计算方法可以大致分为以下三类：即直接模拟、大涡模拟和应用雷诺数均方程的模拟方法。其中后者对计算机要求低，故工程应用较多。