計算流體力學

計算流體力學、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。附面層分離進氣道透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，然後應用合適的演算法來解運動方程或者是規則的；前者的特徵是每個胞腔必須單獨儲存在記憶體中。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：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。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平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。大渦流模擬和雷諾平均納維－斯托克斯方程表述(Reynold-Averaged-Navier-Stokes, RANS)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。很多例項中，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。很多高階的模擬軟體允許更復雜的情形的模擬，涉及到多相流。方法論.所有這些方法都遵循同樣的基本的程式。離散化方法.給定離散化的穩定性通常在數值上建立，而不是像在簡單的線性問題上那樣可以解析的建立。必須特別小心才能保證離散化能夠漂亮的處理不連續的解。尤拉方程和納維-斯托克斯方程兩者都可能有衝擊波和接觸表面。在使用中的一些離散化方法包括：formula_1其中formula_2是被守恆的變數的向量，而formula_3是通量的向量，formula_4是控制體積元體積，formula_5是控制元表面積。湍流模型.直接數值模擬捕捉了所有相關尺度的湍流運動，所以不需要對最小的尺度建立另外的模型。該途徑極其耗費資源，在現代的機器上對於複雜的問題甚至可能無法達成，因而對於流體運動最小尺度的模型還是有必要的。雷諾平均納維－斯托克斯方程.雷諾平均納維－斯托克斯方程，才能求解。對於這個張量有很多不同的封閉模型，常見的如零階模型，一階模型和二階模型。目前二階模型，如k-epsilon模型和k-omiga模型，是工程中最為常見的湍流模型。下面是常見的誤解：RANS方程不適用於有一個時變平均流的流場，因為這些方程是‘時間-平均’的。事實上，統計不穩定方程的湍流模型必須要在均值中的變化發生的時間相對於包含大部分能量的湍流運動的時間尺度相對較大時才正確。大渦流模擬.大渦流模擬是一種技術，其中更小的渦流被濾掉並用亞格點尺度模型來建模，而更大的能量的渦流則被模擬出來。該方法通常比RANS模型需要更細化的網格，但是比DNS解所需要的網格粗的多。分離渦流模擬.分離渦流模擬行為就像混合RANS-LES模型。格點的生成比簡單的RANS或LES更為複雜因為要做RANS-LES切換。DES是一種非區域途徑並會產生一個跨越解的RANS和LES區域的單一的光滑速度場。求解演算法.離散化完成後要進行的方程系統的基本求解由很多數值線性代數的為人熟知的許多演算法完成。可以使用靜態的迭代方法，譬如對稱高斯-賽得爾，而必須儲存整個的序列的向量。應用.套裝軟體.過去幾十年間，計算流體力學進展快速，除了應用在空氣動力學、渦輪、航海工程、航空載具、氣象學模擬、環境工程學等重要科學領域；在過去的幾年中，計算流體力學在建築設計中越來越重要。計算流體力學是以電腦計算納維爾-斯托克斯方程等能量、動量方程，以求得流動系統或熱系統的控制微分方程 ，可透過有限元素法或有限體積法求解。這些技術廣泛用於工程設計或者分析和流體互動作用的裝置，例如車輛，飛行器，泵，化學裝置和通風系統等等。該技術也用於計算機圖形學，因為動畫家不能像控制固態人物那樣簡單的處理流體，因而必須使用CFD技術結合互動工具，達成動畫影片或遊戲中的流體模擬。有許多求解納維-斯托克斯方程的商用軟體包括下面這些：AVL/FIRE、CFX、Fluent、KIVA、NUMECA、Phoenics、和STAR-CD。其它軟體包作為附件或CFD工具的補充產品使用。這些包括用於後置處理的FieldView和求解細節化學動力學的KINetics。在建築方面之應用.計算流體力學可用於分析建築物廢氣對環境的影響，預測建築物中的煙霧和火災風險、量化室內環境品質以及設計自然通風系統等方面，這對於建築效能模擬有重要幫助。建築效能模擬的目的是量化與建築物的設計、建造、營運和控制等各個方面，而計算流體力學正好提供具有科學根據的評估與計算。諸多建築能耗模擬軟體如ESP-r、ENVI-met、TRNSYS都有求解建築計算流體力學問題之功能。以前，大多數與建築有關的流體力學問題，例如通風分析，風荷載，風環境等，都是使用風洞測試進行檢查的，但如今，所有這些測試都可以使用計算流體力學有效地完成。計算流體力學可以在相對較短的時間內解決所有上述問題，並且與較舊的方法。 在全球範圍內，建築部門約佔總能耗的40％，加強建築節能設計對於總體節能有巨大效益。由於建築部門佔總消耗量的巨大比例，因此有必要研究建築物的最佳配置以減少建築物的能源消耗。為了實現這一目標，計算流體力學可以發揮重要作用。建築效能模擬和CFD程式是重要的建築設計工具，可用於評估建築效能，包括熱舒適度，室內空氣質量機械系統效率和能耗。建築物中的計算流體力學主要用於建築通風分析。通風分析.透過調節室內空氣引數來進行建築物的通風研究，以找到室內溫度可接受的熱舒適環境。 計算流體力學可有效計算室內空氣流動相關引數，用以預測建築物的通風效能。這些空氣引數對於設計舒適的室內以及室外環境中建築物的良好整合至關重要。這是因為適當的通風系統的設計和控制策略的開發需要有關以下引數的詳細資訊；上述資訊對於建築師設計建築結構與建築外殼也是有相當大的幫助。隨著電腦技術的進步，計算流體力學技術在建築物中得到了廣泛的成功應用。最近，通風及其相關領域已成為風能工程的重要組成部分。可以使用風洞調查來進行通風研究。在某些應用中，自然通風系統可能比強制通風系統更可取，因為它消除或減少了機械通風系統，從而既可提供風扇能量又可節省第一筆費用。在當今時代，由於開發了許多計算流體力學軟體和其他建築物效能模擬軟體，因此評估建築物中自然/強制通風系統的可能性變得更加容易。 計算流體力學分析比實驗方法非常有用，因為可以在後處理中找到變數之間的其他相關關係。透過實驗或數值獲得的資料可透過兩種方式使用：在選擇建築場地和位置時，風荷載起著重要作用。如果兩座建築物在某個位置並排存在並且有一定的間隙，那麼當透過該間隙吹動建築物兩端的風量為時，在第一瞬間分別繞過每座建築物的流量總和必須大於或等於圍繞單個建築物的末端以壓力損失為代價。因此，將有壓力的建築物進入間隙，這將導致建築物側面的風荷載更高。當風吹過高層建築的表面時，前面的向下流動會產生渦流。Professor, Director, CHAMProfessor of Mathematics, Brown UniversityProfessor, Department of Mechanical Engineering, University of Minnesota.Professor in Residence, Mechanical Engineering, UC BerkeleyProfessor, Mechanical Engineering, Imperial CollegeProfessor, Applied Mechanics Division, Department of Mechanical Engineering, StanfordProfessor, StanfordProfessor, Mechanical and Aerospace Engineering, UCLAProfessor, Mechanical and Aerospace Engineering, UCLAProfessor, Mechanical Engineering, UMISTProfessor, Aerospace Engineering, University of Michigan.Professor Emeritus, Mechanical Engineering, University of AkronProfessor Emeritus, Mechanical Engineering, Stanford UniversityProfessor of Computational Aerodynamics, Department of Aeronautics, Imperial CollegeProfessor, Modelling and Numerical Simulation of Turbulence (MOST), Grenoble Institute of MechanicsProfessor, Institut of Fluid Mechanics Toulouse(IMFT)/CERFACSProfessor of mathematics, University of ZurichProfessor of Applied Mathematics and Mathematics, University of Washington.Professor, George Mason University.Professor of Mechanical Engineering and the Director of Center for Turbulence Research at Stanford/NASA Ames.Professor of Numerical Analysis, Director of ICFD, OxfordAssociate Professor, Department of Mechanical Engineering, University of Maryland - College Park.Prof. Dr., Intitut fur Hydromechanik, University of KarlsruheProfessor, Aerospace Engineering, University of Michigan.中國西安交通大學中國空氣動力研究與發展中心國防科學技術大學Professor in Engineering, Rice UniversityPresident of DCW Industries, Inc.