计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)是通过计算机数值计算和图像显示,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD的基本思想可以归结为:把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场,如速度场和压力场,用一系列有限个离散点上的变量值得集合来代替,通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后求解这些方程组获得场变量的近似值。21884
CFD产生于第二次世界大战前后,在20世纪60年代左右逐渐形成了一门独立的学科。总的来说随着计算机技术及数值计算方法的发展,从60年代至今,其发展过程可以分为三个阶段。
第一,初始阶段(1965~1974);这期间的主要研究内容是解决计算流体力学中的一些基本的理论问题。如模型方程、数值方法、网格划分、程序编写与实现等,并就数值结果与大量传统的流体力学实验结果及精确解进行比较,以确定数值预测方法的可靠性、精确性及影响规律。 论文网
第二,工业应用阶段(1975~1984);随着数值预测、原理、方法的不断完善,关键的问题是如何得到工业界的认可,如何在工业设计中得到应用。因此,该阶段的主要研究内容是探讨CFD在解决实际工程问题中的可行性、可靠性及工业化推广应用。
第三,快速发展阶段(1984~至今);CFD在工程设计的应用以及应用效果的研究取得了丰硕的成果,在学术界得到了充分的认可。同时Spalding领导的CHAM公司在发达国家的工业界进行了大量的推广工作,Patanka也在美国工程师协会的协助下,举行了大范围的培训,皆在推广应用CFD。
在欧美等发达国家,自二十世纪优尔十年代以来CFD技术已得到飞速发展。 其发展的原动力是不断增长的工业需求,而航空航天工业自始至终是最强大的推动力。传统飞行器设计方法试验昂贵、费时,所获信息有限,迫使人们需要用先进的计算机仿真手段指导设计,大量减少原型机试验,缩短研发周期,节约研究经费。四十年来,CFD在湍流模型、网格技术、数值算法、可视化、并行计算等方面取得飞速发展,并给工业界带来了革命性的变化。如在汽车工业中,CFD和其它计算机辅助工程(CAE)工具一起,使原来新车研发需要上百辆样车减少为目前的十几辆车;国外飞机厂商用CFD取代大量实物试验,如美国战斗机YF-23采用CFD进行气动设计后比前一代YF-17减少了60%的风洞试验量。目前在国外,在航空、航天、汽车等诸多工业领域,利用CFD进行的反复设计、分析、优化已成为标准的必经步骤和手段。
计算流体力学进入我国的时间较短,但其已在我国众多领域获得了广泛的应用[1]。天、航空、船舶、汽车、核电是资深的CFD应用领域。例如在航天方面,载人航天工程、新一代运载火箭的研制等都大大的依赖于CFD技术,我国第一架喷气涡扇式支线飞机的研制就是CFD在我国应用的典范;在船舶方面,据有关材料说上海到2015年总造船能力要达到120万吨,这样巨大的任务必须依托CFD才能完成;汽车方面,随着全球汽车制造向中国的转移,汽车研发能力开始提上日程,处于综合成本的考虑,这些企业都在寻求外部高性能计算,最终必须依赖CFD。
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