计算流体力学 计算流体力学英語Computational Fluid Dynamics簡稱CFD是世纪流体力学领域的重要技術之一使用数值方法在计算机中对流体力学的控制方程进行求解从而可预测流场的流动目前有多种商业CFD软件问世比如 FLOWDFLUENTCFDACECFDRCPhoenicsCFXStarcd等 目前在工程领域CFD方法已经得到广泛的应用美国海空军下一代F战斗机所使用的附面层分离进气道是CFD的成果之一附面层分离进气道通过特殊设计形状的突起分离流速较慢的附面层以改善涡轮风扇发动机的进气流场此设计比传统的附面层隔板方法可以减轻数百公斤重量同时在一定速度范围内能够维持很好的分离效率 CFD最基本的考虑是如何把连续流体在计算机上用离散的方式处理一个方法是把空间区域离散化成小胞腔以形成一个立体网格或者格点然后应用合适的算法来解运动方程对于不粘滞流体用欧拉方程对于粘滞流体用纳维斯托克斯方程另外这样的一个网格可以是不规则的例如在二维由三角形组成在三维由四面体组成或者是规则的前者的特征是每个胞腔必须单独存储在内存中最后如果问题是高度动态的并且在尺度上跨越很大的范围网格本身应该可以动态随时间调整譬如在自适应网格细化方法中 如果选择不使用基于网格的方法也有一些可选的替代比较突出的有 光滑粒子流体动力学求解流体问题的拉格朗日方法 谱方法把方程映射到像球谐函数和切比雪夫多项式等正交函数上的技术 格子波尔兹曼方法Lattice Boltzmann Methods它在直角正交格点上模拟一个等价的中尺度系统而不是求解宏观系统也不是真正的微观物理 对于层流情况和对于所有相关的长度尺度都可以包含在格点中的湍流的情形直接求解纳维斯托克斯方程是可能的通过直接数值模拟但一般情况下适合于问题的尺度的范围甚至大于今天的大型并行计算机可以建模的范围 在这些情况下湍流模拟需要引入湍流模型大涡流模拟和雷诺平均纳维斯托克斯方程表述ReynoldAveragedNavierStokes RANS和kε模型或者雷诺应力模型一起是处理这些尺度的两种技术 很多实例中其他方程和纳维斯托克斯方程要同时被求解这些其他的方程可能包括描述种类浓度化学反应热传导等很多高级的模擬軟體允许更复杂的情形的模拟涉及到多相流例如液气固气液固或者非牛顿流体例如血液