CFD的工作原理简介

运用CFD的过程总共分为9步（图4-1）：①建立控制方程；②确定初始条件与边界条件；③划分计算网格；④建立离散方程；⑤离散初始条件和边界条件；⑥给定求解控制参数；⑦求解离散方程；⑧判断解的收敛性；⑨显示和输出计算结果。

图4-1 CFD工作流程图

建立控制方程是求解任何流体流动问题的基础。对于一般的流体流动问题，可直接写出其控制方程。当流动处于湍流流动范围时，还需要增加湍流方程。

控制方程的具体内容见“第四节 控制方程”。

初始条件与边界条件是控制方程有定解的前提，控制方程与初始条件、边界条件构成对物理过程完整的数学描述。初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况。边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随地点和时间的变化规律。初始条件和边界条件的处理会直接影响计算结果的精度。

初始条件的具体内容见“第五节 初始条件”。边界条件的具体内容见“第六节 边界条件”。

采用数值方法求解控制方程时，首先要将控制方程在空间域上进行离散，随后求解得到的离散方程组。想要在空间域上离散控制方程，则必须使用网格。现已发展出多种对各种区域进行离散以生成网格的方法，统称为网格生成技术。

网格生成的具体内容见“第七节 网格生成”。

对于在求解域内所建立的偏微分方程，理论上是有解析解的。但由于所处理方程本身的复杂性，一般很难获得方程的解析解，这就需要通过数值离散，建立离散方程。通过数值方法把计算域内有限数量位置（网格节点或网格中心点）上的因变量值当作未知变量来处理，从而建立一组关于这些未知变量的代数方程组。随后通过求解代数方程组来获得这些节点上未知变量的值，而计算域内其他位置上的值则根据节点位置上的值来确定。(www.xing528.com)

离散化的具体内容见“第八节 离散化”。

“二、确定初始条件与边界条件”中给定的初始条件和边界条件是连续的（如在静止壁面上速度为0）。现在需要针对“三、划分计算网格”中生成的网格，将连续的初始条件和边界条件转化为特定节点上的值（如静止壁面上共有90个节点，则这些节点上的速度均应设为0）。以此连同“四、建立离散方程”中各节点处所建立的离散方程，才能对方程进行求解。

完成上述五步后，还需给定求解控制参数，如流体的物理参数、湍流模型的经验系数等以及迭代计算的控制精度、瞬态问题的时间步长和输出频率等参数。

在给定求解控制参数后，实际问题已转化成具有定解的代数方程组，可通过商用CFD软件对其进行求解。为适应不同类型的问题，商用CFD软件提供多种不同的计算方法。其中，SIMPLE算法是目前工程研究中应用最广泛的方法之一。

SIMPLE算法的具体内容见“第九节SIMPLE算法”。

对于稳态问题的解，或是瞬态问题在某个特定时间步长上的解，常常要通过多次迭代才能得到。有时，因网格形式、网格大小或对流项的离散插值格式等原因，方程的解会发散。对于瞬态问题，若采用显式格式进行时间域上的积分，当时间步长过大时，也可能造成解的振荡或发散。因此，在迭代过程中要对解的收敛性时刻进行监视，并在系统达到指定精度后，结束迭代过程。

通过上述求解过程获得各个计算节点上的解后，需要将整个计算域上的结果显示出来。简而言之，可采用矢量图、流线图、等值线图、线值图、云图等方式对计算结果进行显示。商用CFD软件提供了上述各种表示方式，也可自行编写后处理程序对结果进行显示。

CFD软件的具体内容见“第十节 CFD软件”。