转帖：计算流体动力学CFD及其在工程中的应用

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l．引言
计算流体动力学（CFD）是在计算机上求解描述流体运动、传热和传质的偏微分方程组，并且对上述现象进行过程模拟。CFD可用来进行流体动力学的基础研究，复杂流动结构的工程设计，了解在燃烧过程中的化学反应，分析实验结果等。其主要优点是能以较少的费用和较短的时间获得大量有价值的研究结果，对投资大、周期长、难度高的实验研究来说，CFD的优点就更为突出。因此，将CFD与工程研究相结合，不仅有助于工程设计的改进，而且能减少实验的工作量．可以说，CFD是一种有效和经济的研究手段。
CFD作为一种工程研究和设计手段开始于七十年代，由于受到计算机硬件和计算费用的制约，CFD最初只是在核工业和航空业中获得应用。随着计算机技术的飞跃发展，计算机成本的逐渐下降，性能不断改进，在八十年代初期，CFD巳极引人汽车制造业和化工领域。但是它仍未能得到广泛应用。只是在近十年中，计算机的计算速度和存贮能力已有大幅度提高，而计算机硬件成本反而急剧下降。很多工程技术人员都能够很容易使用计算机工作台。由此CFD才在一般工程设计中得到广泛应用。
2．CFD技术原理
CFD求解问题的过程是按下列步骤进行的：首先确定能够描述对象流动参量连续变化的微分方程组（如kvler－Stokes方程），然后通过离散化方法（如有限差分法或有限元法）对连续变化的参量用离散空间和时间的值来表示，使微分方程组转变成代数方程组形式，空间由散位置可用计算网络上的节点描述，最后离散方程组通过计算机求得结果。
3．CFD码简介
编写CFD求解软件需要精通流体动力学、数值方法和计算机编程理论及相关知识，不可能人人都能够编写。因此，为了避免应用CFD时花费大量精力去考虑有关伯微分方程的求解过程和计算机编程技巧，很多计算机软件公司相继开发出了不少CFD码软件包，用户只要定义好计算对象的范围，竹人对象的物理模型、求解方法、网络设定、初始条件和边界条件等，CFD码就可以通过不断迭代计算求得结果。
CFD码商用软件包目前主要有FidaP、Flow3D、Astec、TGSL、Phoenics、Star．CD、Easy Flow和Fluent等，参考文献〔Zj对这些软件包的功能和使用—一作了评价，Dombrowski也对一些不用的 CFn码软件进行了比较。
在使用CFD码软件包前，用户必须先要了解其功能及使用范围，因为没有哪一种CFD码能够进行各种流体动力学模拟，不同的CFD码有其各自的特点，因为CFD码的选择取决于其应用领域。一般说来，CFD码商用软件具有如下一些特点：
（1）网络建立的方法
在微分方程离散化时，通常将对象划分成很多个微小单元，一般可采用有限差分法和有限元法来建立网格。有限差分法主要用于边界几何形状有规则的场合，如可直接采用国柱坐标或笛卡儿坐标划分网格，采用上述坐标系统的CFD码结构比较简单，计算速度很快，容易收敛，且软件价格也比较便宜，因此很多CFD码商用软件都采用这种数值方法，如：Phoenics和Fluent等．对于对象的边界形状不能完全用上述坐标系统来表示时，可以采用边界拟合坐标（BFC）。BFC采用变形的笛卡儿坐标或圆柱坐标网格（即坐标轴之间不一定垂直），使其与对象的边界轮廓一致。但是，BFC单元和上一层未变形的网格必须有相同单元分界面数、对于复杂的几何边界，选用有限元法是最适合的，因为其阿格划分不受边界形状限制。但是其计算的速度要比有限差分法慢，不易收敛，同时需要大量存贮空间、因此，有限元法对计算机运行速度和存贮有较高的要求。采用有限元法的CFD码软件有：FIDAP和TGSL等。
（2）划8非均匀网格
为了尽量减少计算单元数，节省计算资源，需要仔细考虑网格尺寸，采用非均匀网格能够使网格数达到最少，同时又能够保证足够的计算精度。在流动变化剧烈的区域，网格间距可以取得相对小一些，而在流动变化比较缓慢的区域，网格间距可以取得大一些。CFD码一般都能够根据用户给定的具体要求，自动划分非均匀网格。
（3）物理模型
当然，CFD分析的精度与模拟中所用的有关物理模型有直接关系、CFD码有很多的物理模型可供选用，湍流模型是最常见最重要的一种模型，其中卜。模型被认为是众多的湍流模型中较接近实际情况的一种，因而大部分CFD码商用软件包都将此模型作为缺省湍流模型。
然而，对流体湍流现象，目前在理论上仍然未能得到充分的解释，若湍流模型选取不当，在一些情况下，可能会给计算结果带来很大的误差。如K－。模型假定湍流是各向同性的，对平面剪切应力起主导作用的流体（如堵应力）采用K－。模型的计算结果与实验结果很吻合，若湍流具有强烈的方向性（各向异性），仍用义匡模型可能会引起误差，而采用其他一些湍流模型如代数应力模型（ASM）和Revnold应力模型能使模拟结果更接近实际。一般说来，湍流模型的计算需要耗费大量CPU时间。
（4）边界条件
适当地选择边界条件，包括边界位置的选择，对使用CFD码准确地反映流动对象是至关重要的。边界条件的使用还具有很大的灵活性和技巧性。CFD码有许多不同类型的边界条件可供选择，例如，FIDAP提供的边界条件有；速度、非等温流动的边界温度、压力、浓度、湍流动能、湍流的扩散、质量流量、热流量、边界对流传热和辐射传热等。
（5）图形显示功能
CFD程序能产生大量数据，若仅仅以数据形式输出，要从成于上万个数字中发现有价值的重要的数据是非常困难的，甚至是不可能的．因此，图形输出是一种非常有效的方法，它能迅速地反映CFD码所产生的大量信息，既经济、直观又有效地显示计算结果的关键或重点。商用CFD码软件可提供多种图形手段来表示计算结果。例如：Fluent有矢量图、等高线图、分布图和视图变换等图形显示。
（6）CFD对计自机硬件的要求
CFD码对计算机资源的要求较高，其应用受到计算机的处理能力、计算速度和存贮空间的制约。过去，CFD码只能在大型计算机上运行。由于计算机硬件的不断改进和发展，目前，台式计算机也有能力来处理CFD模拟，如现在的486微机，中央处理器的速度可达66MHZ，它能够计算二维CFD问题或某些特殊的三维问题。
CFD码软件目前更多的是运行在工作站上，因为工作站具有能高速运算的中央处理器（CPU）和强大的处理数据的图形设比这些硬件对＊FD运用是必不可少的，很多工作台如；an工作台，alicon Graphics（SG）工作台，Hewlett Packard（HP）都能够处理CFD三维模
型的模型。
4．CFD的应用
CFD已在很多专业领域获得了广泛应用，从化工行业到飞机制造业，从汽车工业到环境科学，都有成功应用CFD的例子，例如；借助于CFD，环境工程师可以建立起环境模型来模拟全球变暖和有毒物质在海洋和大气中的扩散；电器工程师可以利用CFD模拟来寻找提高半导体效率的途径；在化工领域，CFD分析可以使系统操作的效率获得最大。因此，CFD已经成为一项非常有用的应用研究技术。
在汽车工业，CFD作为一个有效工具可用于汽车通讯、汽车外形空气动力学、发动机模型和冷却等设计过程［”。文献〔6」阐述了在开发和设计福特轻型货车发动机冷却系统过程中使用CFD所带来的效益。在汽车设计的早期阶段，CFD分析能够预测发动机的冷却性能，并且通过整个系统优化来增加发动机的耐久性，提高汽车功率。在发动机排气系统设计中。CFD计算也起了一个重要作用．文献采用CFD通过传热和传质计算来模拟冷空气射入热排气中所产生的影响，并阐述了如何解决排气通过催化件引起流动不均匀所产生的问题。新的赛车模型可采用CFD如Srar－CD进行计算流体动力学模拟，落助于在风洞中的试验和评判，CFD能够分析车翼结构。
文献〔gi用CFD对燃气轮机燃烧室内的空气射流冷却进行了计算机模拟，分析了改变射流孔间距与孔径之比及射流板和目标板之间的间距与孔径之比对流动和传热的影响。CFD的预测与实验结果非常吻合。此外，CFD还能够直观地分析交错流动，射流碰撞及通过射流孔的流量分布不均匀对流阻和传热的影响，并清晰地解释了一些很难理解的实验结果，为燃烧室射而冷却壁的结构设计提供了大量数据。
CFD技术使我们能够深入了解干燥雾化室的设计，它可以确定气体流动状态，雾化或气体混合，粒子温度和湿度的变化。燃烧室中化学反应的气体流动状态也可以用CFD来进行数值模型，而这一过程很难通过实验来测量。文献用CFD对混合层的化学反应过程进行了数值模拟，它能够深入了解湍流混合层的化学反应过程。
CFD模型还能够模拟建筑物内的空气流动并能对室内环境进行设计和计算。同时，文献回顾了CFD在建筑物环境设计中的应用，阐述了CFD目前的状态和今后的发展趋势。
5、结 论
由于计算机硬件的发展和数值技术的改进Cap已经成为一种极为有效的科学手段。
然而，不管CFD模拟的精度再好．它毕竟不可能真正代表实验，模拟和现实之间还是存在着差别，因此，为了避免出现严重的问题，CFD的应用必须小心谨慎。
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《机电设备》1994年第5期