1。2 计算流体动力学（CFD）的发展与应用

作为发展于20世纪中叶流体力学的一个新兴分支，计算流体力学（computational fluid mechanics）是一门采用数值方法，利用计算机求解流体流动的控制偏微分方程，并且通过得 到的流场和其他物理场来研究流动以及相关过程的学科。它通过计算机的数值计算并且对包括 各种物理量场求解结果进行图像显示，对系统包含的流体流动参数以及热传导等相关物理现象 进行科学分析，从而得出结果。计算流体力学产生于二次世界大战前后，到60年代左右发展逐 渐成熟，形成一门独立学科，伴随着电子计算机技术的发展和数值计算方法在研究中的应用， 对众多领域的研究起着不可替代的作用。目前计算流体力学主要应用于热能工程、航空航天、 机械、土木水力和环境化工等工程领域。CFD的发展得利于19世纪30年代二次世界大战前飞机工业急剧发展的需要，要求运用流体力学理论来了解和指导飞机的设计。随着电子计算机的发 展，CFD通过计算机数值计算和物理量的图像显示，对流体流场物理参数的数值解进行定量描 述，以此达到对各种具有复杂边界条件的物理问题研究的目的。它建立了许多理论和方法，结 合理论分析方法和实验测量的双重优点，为现代科学研究各种复杂的流动和传热问题提供科学 有效的解决方法[4]。

一切流体运动都是包含在三大定律质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律的范围 内的，而这些基本定律是可以通过数学方程来描述。计算流体力学就是基于流体基本方程控制 进行流体数值的仿真模拟，并且凭借这些模拟得到复杂流场内物理量的空间分布以及随时间的 变化规律。计算流体力学以理论流体力学和计算数学为基础，是这两门学科的交叉学科。主要 研究把描述流体运动的连续介质数学模型离散成大型代数方程，建立可在计算机上求解的算 法。计算流体力学的基本原理和思想可以总结为：用一系列离散的点上的变量值的集合，来代 替时间和空间上连续的物理量的场，通过一定的方式建立关于这些离散的点上的场变量的代数 方程组，再对代数方程组进行求解得到解的近似值。文献综述

研究流体流动的完整体系包括传统理论分析方法、实验测量和CFD。三种方法各具有优缺 点，在现代科学各种复杂的研究中将三种方法合理结合使用具有很高的效率。理论分析的优点 是结果具有普遍性，缺点是非线性情况，只有少数流动能给出解析结果；实验测量的结果真实 可信，但也受到诸如流场不可预测的扰动、所建模型的尺寸、实际测量精度以及人员操作安全 等因素的限制，并且耗资巨大、周期长；相比于理论分析和实验测量，数值分析的优点有：1。 能给出复杂边界非线性问题的数值解；2。不受物理模型建立和实际操作中实验模型的限制，成 本小，用时短，灵活性大。但是数值分析的缺点是：1。依赖于物理数学模型，且不能提供解析 表达式；2。经验和技巧依赖性高，包括资料的收集、整理以及程序的编制很大程度上要依赖于 数值模拟的经验和技巧[5]。

CFD的软件结构包括前处理器（front processor）、求解器（solver）和后处理器（post processor）。前处理器（front processor）的功能有：确定所求问题的几何计算域；对子区域进 行划分，形成单元网格；针对研究的问题和现象选择相对应的控制方程；然后修改流体的属性 参数，为处于边界处的单元指定各自的边界条件，而为瞬态问题指定其具有的初始条件。求解 器（solver）则根据简单的函数关系来求解以得到流动变量近似值，并且对通过带入近似关系 的控制方程而得到的离散方程组进行求解，求得数值解。后处理器（post processor）则是对求 解结果进行处理，功能包括:显示计算域的几何模型和划分子区域得到的网格；得出所需物理 量的等值线图、填充型的云图、矢量图、粒子散点图和XY散点图等，然后对图像进行处理，