浅析计算流体力学

浅析计算流体力学摘要:计算流体力学(CFD)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CFD应用中的关键问题、现状及应用进行了综述。关键词:计算流体力学；关键问题；现状；应用中图分类号:0368文献标志码：ASimpleanalysisofComputationalFluidDynamicsAbstract：ComputationalFluidDynamics(CFD)isabranchoffluidmechanics.Itisusedtosolvethefixedgeometryofthefluidmomentumspace,heatandmassequation,andotherrelevantequation,andobtaininformationaboutafluidunderspecifiedconditionsbyacomputersimulation,istoanalyzeandsolveproblemsofastrongandusesawiderangeoftools.CFDapplicationsonkeyissues,statusandapplicationwerereviewed.Keywords：Computationalfluiddynamics;keyissues;thestatusquo;Application1CFD应用中的关键问题1.1对应用于各种具体情况的数学模型的进一步研究描述最一般的流动现象的基本方程是NavierStokes方程，但目前方程的直接求解还受到计算机速度与容量的限制而难以实现，而且在一些工程问题中也没有这种必戛因而一般对方程进行一定的简化与处理后再求触各种简化方法大致可分为3类:a无粘、线性化的处理这类方法已较成熟，早期应用也较多，典型的如Panel方法等这类方法的应用有一定的局限性，例如对有分离流动的区域，如轿车车身的尾部，计算精度明显变差b无粘、非线性的处理(Euler方程)。这类方法较上一类方法有了较大的改进，通常是对主流的简化与对壁面附近的边界层的特殊处理相结合，因而又称为偶合方法要取得较好结果的关键在于对边界层(即附面层)的处理。c粘性时间平均的处理对紊流的NavierStokes方程采用时间平均后，出现脉动应力项(雷诺应力)，要使控制方程组封闭，必须作出假设，提出紊流模型目前存在的紊流模型包括了从简单的代数模型(零方程模型)到标准k-X型(二方程模型)直至复杂的大涡模拟，而k-X模型或其它形式的二方程模型是目前在工程领域中应用最为广泛的紊流模型但通用的模型迄今还不存在，不同的情况需要不同的紊流模型选取合适准确的紊流模型，这不仅对计算精度的影响很大，而且计算也十分困难要做到与实际情况深入相符合的模型还有待于进一步地探讨和研究。此外，还有对具体研究对象的边界条件的处理问题。1.2对复杂外形的描述以及计算网格划分的进一步研究实际车辆或发动机中零部件的外形复杂，为了使CFD能够实际应用于设计工作中，对计算网格的疏密程度有一定的要求，即为保证计算流场有必要的分辨率与准确度，计算网格点必须达到一定的数量，一般计算网格至少有数万直至数百万个。能方便地生成计算网格以及在设计中方便地修改是能否真正使CFD在设计中得到广泛应用的一个关键，必须进一步研究计算网格自动或半自动的生成方法。1.3探索更有效的算法以提高精度并降低计算费用对于方程的离散格式和数值算法，基本的方法有:有限差分法、有限容积法和有限元法，及有一定应用局限性的边界元方法其中有限容积法应用最为广泛，也相对较为成熟。探索更有效的算法以提高精度并降低计算费用是目前研究的重点之一，已出现了一批各具特色的方案与方法，如多重网格法，平均修正技术等。1.4进一步探索在各方面的应用在扩大应用范围方面，例如CFD在润滑、冷却等方面中的应用，其与传热、燃烧和噪声等研究领域的结合，也需要进一步探索[1]。2计算流体力学的现状进人20世纪80年代以后，计算机硬件技术有了突飞猛进的发展，千万次机、亿次机逐渐进人人们的实践活动范围。随着计算方法的不断改进和数值分析理论的发展高精度势值模拟已不再是天方夜谭。同时随着人类生产实践活动的不断发展，科学技术的日新月异，一大批高新技术产业对计算流体力学提出了新的要求，同时也为计算流体力学的发展提供了新的机遇。实践与理论的不断互动，形成计算流体力学的新热点、新动力，从而推动计算流体力学不断向前发展。首先，在计算模型方面，又提出了一些新的模型，如新的大涡模拟模型、考虑壁面曲率等效应的新的湍流模式、新的多相流模式、新的飞行器气动分析与热结构的一体化模型等。这就使得计算流体力学的计算模型由最初的Euler和N-S方程，扩展到包括湍流、两相流、化学非平衡、太阳风等问题研究模型在内的多个模型。其中以考虑更多流动机制，如各向异性的非线性(应力/应变关系)湍流研究为重点。研究结果再次证明，万能的湍流模型还不存在，重要的是如何在模型精度和计算量上较好地取得折中;也有学者从更高层次研究湍流模型问题，由湍流流动中速度不可微，怀疑N-S方程的有效性，进而提出以积分方程为基础的数学模型[2]。其次，在计算方法方面，又提出了一些新的计算方法，如新的遗传算法、无网格算法、新型高精度紧致格式、气动计算的新变分原理、结构/非结构混合网格新技术、新型动网格技术等等。目前计算方法的研究集中在高精度格式方法，即追求三阶精度以上，其中又以解决真正实际问题。除此之外，计算方法研究还涉及带限制器的高阶插值、谱方法、拉格朗日方法，时空守恒兀方法等等。将其它方法引进传统的计算流体力学也是现阶段的重要成果之一，其中特别值得一提的是将基因算法与传统计算流体力学结合在一起，在域分裂和最优化设计等许多方面显示出了良好的应用前景。在算法分析上，除传统的精度、稳定性、收敛性等方面的分析，还有更深层次的数值动力学分析，即将数值方法看成是动力系统来进行分析，揭示了许多奇异的数值现象。再次，在研究成果方面，英国M.A.Lesdhaaer关于湍流模型、美国日.C.丫ee关于计算不确定性、日本学者的玻耳兹曼方程解流动问题、德国的E.vonLavante关于使用并行计算机进行发动机气缸流场涡和激波的非定常流动模拟等等，都有较新的学术思想，较高的学术水平。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[3]。3计算流体力学的应用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[4]方面获得广泛应用。这表明计算流体力学在解决工程实际问题方面具有重要的应用价值。下面仅以在汽车领域的应用为例，介绍计算流体力学应用于工程实际中的速度和深度。汽车车身周围流场的模拟从相对比较方面来看已较为成功，但要能够真正实际应用于设计中，计算精度还有待进一步提高[1]例如，车灯、后视镜等局部不规则形状的影响，车底部、车20世纪80年代初期才开始有计算流体力学应用于汽车领域的论文发表，经过短短的二十余年，其应用已涉及到汽车车身设计、汽车内部空间的空调与通风、发动机内部的气体流动以及冷却系、汽车液力变矩器、废气涡轮增压器中的压气机和涡轮的叶轮与蜗壳等中的流动现象的研究与计算，同时进一步发展到研究汽车与发动机中传热、燃烧以及预测噪声强度与模具设计等相关的问题[6]。4展望及结论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。美国和日本在这两方面做得最为突出。在我国经济飞速发展的今天，一些计算流体力学问题的解决，将有利于我国的国民经济建设工作，我们需要迎头追赶。参考文献：[1]常思.勤，扈圣刚.计算流体力学进展及其在汽车设计中的应用[J].武汉汽车工业大学学报,1997，19(4):12-15[2]刘国俊.计算流体力学的地位、发展情况和发展趋势[J].航空计算技术.1994(1):15-21[3]余金伟,冯晓锋.现代制造技术与装备.现代制造技术与装备[J].现代制造技术与装备,2013，6：25-28[4]国家自然科学基金委员会数理科学部.第七届国际计算流体力学尝议简介[J].力学进展,1998,28(3):430-431[5]ReussHJAerodynamikEntwicklungamBeispielderneuen5er-BaureihevonBMW.ATZ,1996,98(1):14-24[6]魏淑贤，沈跃，黄延军.计算流体力学的发展及应用[J].河北理工学院学报,2005，27(2):115-122