计算流体力学的发展及应用

董磊

摘 要：计算流体力学是流体力学的一个分支。它用于求解固定几何形状空间内的流体的动量、热量和质量方程以及相关的其它方程，并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关信息，是分析和解决问题的强有力和用途广泛的工具。对计算流体力学的发展和应用进行了综述并对其发展趋势做了探讨。

关键词：计算流体力学；发展；应用现状

1 计算流体力学的发展情况

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计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是当代迅速发展的一门学科，是利用高速计算机求解流体流动的偏微分方程组，目的是为了更好的从定性上和定量上了解流体流动的物理现象，改进设计的一门学科。目前在航空航天、交通运输、造船、气象、海洋、水利、液压和石油化工等工程领域都有广泛的应用。

20世纪40年代，Von Neumann，Richtmyer，Hopf，Lax和其他一些学者建立了非线性双曲型方程守恒定律的数值方法理论，为含有激波的气体流动数值模拟打下了理论基础。

在20世纪50年代，仅采用当时流体力学的方法研究较复杂的非线性流动现象是不够的，特别是不能满足高速发展起来的宇航飞行器绕流流场特性研究的需要。

值得一提的是，我国在20世纪50年代也开始了计算流体力学方面的研究。我国早期的工作是研究钝头体超声速无粘绕流流场的数值解方法，研究钝头体绕流数值解的反方法和正方法。以后随着我国宇航事业的发展，超声速、高超声速绕流数值计算方法的研究工作发展很快。

20世纪70年代，在计算流体力学中取得较大成功的是飞行器跨音速绕流数值计算方法的研究。首先是Murman和Cole用松弛方法求解位势流小扰动方程，数值模拟带激波的跨声速绕流场。解决了跨声速绕流中的混合问题。不久以后Jameson提出了旋转格式，将穆尔曼一科勒方法推广于求解三维跨声速绕流的全位势流方程，获得成功。同一时期，我国开展了采用时间相关方法求解非定常欧拉方程、可压缩N-S方程和简化N-S方程的计算方法研究。

近年来，计算机技术发展迅速，同时计算方法和分析理论也变得更加完善，流体力学精准模拟和计算都成为了可能。CFD作为计算流体问题的一项新方法，其在实际应用过程中优势十分明显，在问题处理过程中，可以简化条件，同时进行建设处理，对求解结果的计算精度进行合理控制。CFD软件分为以下3个部分：

1） 前处理。该部分的主要作用是构建模型，划分网格，添加边界条件等。

2） 求解器。利用模型施加算法，完成相应求解。

3） 后处理。对求解结果进行科学处理，并且做好相应的查看工作。

FLUENT在CFD软件中的应用是最为广泛的，具有较多不同的物理模型进行选择，可以 区分、判断流体现象。

目前，计算流体力学研究的热点是：研究计算方法，包括并行算法和各种新型算法；研究涡运动和湍流，包括可压和不可压湍流的直接数值模拟、大涡模拟和湍流机理；研究网格生成技术及计算机优化设计；研究计算流体力学用于解决实际流动问题，包括计算生物力学、计算声学、微型机械流动、多相流及涡轮机械流动的数值模拟等。

2 计算流体力学的具体应用

计算流体力学起初只是被应用到航空领域，后来随着其不断发展与成熟，计算流体力学的应用已经从最初的航空航天领域不断地扩展到了船舶、海洋、化学、铸造、制冷、工业设计、城市规划设计、建筑消防设计、汽车等多个领域。近几年来计算流体力学在全机流场计算、旋翼计算、航空发动机内流计算、导弹投放、飞机外挂物、水下流体力学、汽车等方面获得广泛应用。

在对计算流体力学进行研究过程中，具体流程如下：

1）构建模型，然后依据相应的专业知识，通过数学方法进行表达。

2）对相应的软件进行应用，完成对各项问题的求解与分析。

在实际工程问题处理过程中对计算流体力学进行应用有着一定优势，主要体现在以下几个方面：其一，分析更加细致彻底的对流体的流动、物质和能量的实际传递情况进行深入分析；其二，在问题分析过程中，可以更加便捷的对试验过程中涉及到的试验参数、条件等各项内容进行合理改变，从而能够获取采用传统试验方式无法获取的信息内容；其三，大幅度缩短了设计、研究时间；其四，可以应用到高危险、高温环境下；其五，通过对模拟数据的应用，可以完成全过程的优化设计。

近几年，通过对CFX、FLUEN等各种不同类型软件的应用，可以完成对工程技术领域中涉及到的不同高难度复杂问题的处理，使各项问题的处理变得简单化。

现阶段，研究计算流体力学的人员，在设计研究过程中的首要任务是，快速合理的发展高效准确的粘性流计算方法，从而使计算流体力学的具体应用推向一个新高度，促进其发展脚步。

计算流体力学应用研究中的关键问题包括：对应用于各种具体情况的数学模型、对复杂外形的描述以及对计算网格的划分做进一步研究；探索更有效的算法来提高计算精度，并降低计算费用；进一步开展计算流体力学在各方面的应用等。当前，计算流体力学工作者的 重要任务是发展准确、高效的粘性流计算方法，把计算流体力学应用推向一个更新的应用阶段。

3 展望与发展

计算流体力学主要向两个方面发展：一方面是研究流动非定常稳定特性、分叉解及湍流流动的机理，更为复杂的非定常、多尺度的流动特征，高精度、高分辨率的计算方法和并行算法；另一方面是将计算流体力学直接用于模拟各种实际流动，解决工业生产中提出来的各种问题。

计算流体力学是流体力学的一个分支，其在流体力学中扮演着重要角色，同时其在许多方面都有广泛的应用。

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