計算流體力學

計算流體力學 （ Computational Fluid Dynamics ， 簡稱CFD ） 是21世紀流體力學領域的重要技術之一 ， 使用數值方法在計算機中對流體力學的控制方程進行求解 ， 從而可預測流場的流動 。 目前有多種商業CFD軟件問世 ， 比如FLUENT 、 CFD - ACE + （ CFDRC ） 、 Phoenics 、 CFX 、 Star - cd等 。 目前在工程領域CFD方法已經得到廣泛的應用 。 美國海空軍下一代F - 35戰鬥機所使用的附面層分離進氣道是CFD的成果之一 。 附面層分離進氣道通過特殊設計形狀的突起分離流速較慢的附面層以改善渦輪風扇發動機的進氣流場 。 此設計比傳統的附面層隔板方法可以減輕數百公斤重量 ， 同時在一定速度範圍內能夠維持很好的分離效率 。 CFD最基本的考慮是如何把連續流體在計算機上用離散的方式處理 。 一個方法是把空間區域離散化成小胞腔 ， 以形成一個立體網格或者格點 ， 然後應用合適的算法來解運動方程 （ 對於不粘滯流體用歐拉方程 ， 對於粘滯流體用納維 - 斯托克斯方程 ) 。 另外 ， 這樣的一個網格可以是不規則的 （ 例如在二維由三角形組成 ， 在三維由四面體組成 ） 或者是規則的 ； 前者的特徵是每個胞腔必須單獨存儲在內存中 。 最後 ， 如果問題是高度動態的並且在尺度上跨越很大的範圍 ， 網格本身應該可以動態隨時間調整 ， 譬如在自適應網格細化方法中 。 如果選擇不使用基於網格的方法 ， 也有一些可選的替代 ， 比較突出的有 ： 光滑粒子流體動力學 ， 求解流體問題的拉格朗日方法 ， 譜方法 ， 把方程映射到像球諧函數和切比雪夫多項式等正交函數上的技術 。 格子波爾茲曼方法 （ Lattice Boltzmann Methods ） ， 它在直角正交格點上模擬一個等價的中尺度系統 ， 而不是求解宏觀系統 （ 也不是真正的微觀物理 ） 。 對於層流情況和對於所有相關的長度尺度都可以包含在格點中的湍流的情形 ， 直接求解納維 - 斯托克斯方程是可能的 （ 通過直接數值模擬 ） 。 但一般情況下 ， 適合於問題的尺度的範圍甚至大於今天的大型並行計算機可以建模的範圍 。 在這些情況下 ， 湍流模擬需要引入湍流模型 。 大渦流模擬和RANS表述 （ 雷諾平均納維 － 斯托克斯方程 ） 和k - ε模型或者雷諾應力模型一起 ， 是處理這些尺度的兩種技術 。 很多實例中 ， 其他方程和納維 - 斯托克斯方程要同時被求解 。 這些其他的方程可能包括描述種類濃度 、 化學反應 、 熱傳導等 。 很多高級的模擬軟體允許更復雜的情形的模擬 ， 涉及到多相流 （ 例如 ， 液 / 氣 、 固 / 氣 、 液 / 固 ） 或者非牛頓流體 （ 例如血液 ） 。