admin 管理员组文章数量: 1087135
2024年6月28日发(作者：数据库连接eclipse)
计算流体力学的发展及应用
计算流体力学的发展：
20世纪30年代，由于飞机工业的需要、要求用流体力学理论来了解和指导飞机设计，
当时由于飞行速度很低，可以忽略粘性和旋涡，因此流动的模型为拉普拉斯方程，研究工
作的重点是椭圆型方程的数值解。利用复变函数理论和解的迭加方法来求解析解。随着飞
机外形设计越来越复杂，出现了求解奇异边界积分方程的方法。以后为了考虑粘性效应，
有了边界层方程的数值计算方法，并发展成以位势方程为外流方程，与内流边界层方程相
结合，通过迭代求解粘性干扰流场的计算方法。同一时期许多数学家研究了偏微分方程的
数学理论，Courant，Fredric等人研究了偏微分方程的基本特性、数学提法的适定性、物
理波的传播特性等问题，发展了双曲型偏微分方程理论。以后，Courant，Fredric，Lowy
等人发表了经典论文 ，证明了连续的椭圆型、抛物型和双曲型方程组解的存在性和唯一
性定理，并针对线性方程的初值问题，首先将偏微分方程离散化，然后证明了离散系统
收敛到连续系统，最后利用代数方法确定了差分解的存在性；他们还给出了著名的稳定性
判别条件：CFL条件。这些工作是差分方法的数学理论基础。20世纪40年代，
VonNeumann，Richmyer，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，研究比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。针对这种
情况，一些学者开始将基于双曲型方程数学理论基础的时问相关方法用于求解宇航飞行器
的气体的定常绕流场问题，这种方法虽然要求花费更多的计算机时，但因数学提法适定，
又有较好的理论基础，且能模拟流体运动的非定常过程，所以在60年代这是应用范围较
广的一般方法 。以后由Lax、Kais和其他著者给出的非定常偏微分方程差分逼近的稳定性
理论，进一步促进了时间相关方法。当时还出现了一些针对具体问题发展起来的特殊算法。
进人2O世纪80年代以后，计算机硬件技术有了突飞猛进的发展，计算机逐渐进人人
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Ⅳ—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Ⅳ—S方程的有效性，进
而提出以积分方程为基础的数学模型 。
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；
研究涡流运动和湍流，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 。
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、工
业设计、城市规划设计、建筑消防设计、汽车多个领域。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。这表明计算流体力学在解决J二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。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 。
当着手研究一项计算流体力学课题时，首先需要建立模型，即根据相关专业知识将问
题用数学方法表达出来；然后就是如何利用计算流体力学软件，对问题进行求解、分析。
整个计算流体力学处理过程大致包括三个部分：前处理，包括几何模型的选取和网格划分；
求解器，包括确定计算流体力学方法的控制方程，选择离散方法进行离散，选用数值计算
方法，输人相关参数；后处理，包括速度场、压力场、温度场及其它参数的计算机可视化
及动画处理等 。由此和计算流体力学在工程实际中的应用可以将计算流体力学应用的优点
大致归纳如下：可以更细致地分析、研究流体的流动、物质和能量的传递等过程；可以容
易地改变实验条件、参数，以获取大量在传统实验中很难得到的信息资料；整个研究、设
计所花的时间大大减少；可以方便地用于那些无法实现具体测量的场合，如高温、危险的
环境；根据模拟数据，可以全方位的控制过程和优化设计。
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。
计算流体力学的应用现状与现代超级计算机相结合的计算流体力学流体流动模拟工
具，使计算流体力学所具有的创立新概念、降低设计成本和缩短生产时间的潜力开始发挥
作用。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。
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]刘国俊．《计算流体力学的地位、发展情况和发展趋势》．《航空计算技术》
[2]傅德薰．《流体力学数值模拟》．北京：国防工业出版社
[3]张涵信，《第四届亚洲计算流体力学会议学术交流情况》．《力学进展》
[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．力学
进展》
[5] 傅晓英，刘俊，许剑峰．《计算流体力学在城市规划没计中的应用研究》．四川大
学学报
[6]蔡荣泉．《船舶汁算流体力学的发展与应用》、
[7]尹哗东，王运东，费维场．《计算流体力学》，《在化学工程中的应用》
[8]肖柯则，复艺．《计算流体力学在铸造过程中的应用》内蒙古工业大学学报
[9]翟晓华，谢晶，徐世琼．《计算流体力学在制冷一程中的应用．制冷》
052694
自动化
倪松鹏
版权声明：本文标题：计算流体力学的发展及应用 内容由网友自发贡献，该文观点仅代表作者本人， 转载请联系作者并注明出处：http://roclinux.cn/p/1719512309a736808.html， 本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容，一经查实，本站将立刻删除。
发表评论