流体动力学分析简介

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。

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替代，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可以看做是在流体基本方程（质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律）控制下对流动的数值模拟。通过CFD可以得到极其复杂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，确定漩涡分布特性、空化特性及脱流区等，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。

图10-1 流体流动研究体系

CFD方法与传统的单纯理论分析方法、单纯实验测试方法组成了研究流体流动问题的完整体系，如图10-1所示。(www.xing528.com)

理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结果。

通过实验测量方法得到的实验结果真实可信，它是理论分析和数值计算方法的基础，其重要性不容低估。然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时很难通过实验方法得到结果。此外，实验还会遇到许多困难，如经费、人力、周期等限制。

而CFD方法恰好克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现一个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理实验。例如，机翼的绕流，通过计算并将其结果在屏幕上显示，就可以看到流场的各种细节，如：激波的运动、强度，涡的生成与传播，流动的分离，表面的压力分布，受力大小及其随时间的变化等。数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没什么区别。

目前，CFD有了很大的发展，替代了经典流体力学的一些近似计算法和图解法。过去的一些典型教学实验，如雷诺实验，现在完全可以借助CFD手段在计算机上实现。CFD不仅作为一个研究工具，而且还作为设计工具在水利工程、土木工程、环境工程、食品工程、海洋结构工程、工业制造等领域发挥作用。对这些问题的处理，过去主要借助于基本的理论分析和大量的物理模型实验，而现在大多采用CFD的方式加以分析和解决。目前，CFD技术完全可以用于分析三维黏性湍流及旋涡运动等复杂问题。