CFD_简介及国内外发展状况.pdfVIP

1.1计算流体力学的起源

计算流体力学（ComputationalFluidDynamics）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。他

作为流体力学的一个分支产生于第二次世界大战前后，在20世纪60年代左右

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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，我们可以将其划分为三个阶段：

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（湍流、流变、传热、辐射、气体－颗

粒作用、化学反应、燃烧等）、数值方法（差分格式、代数方程求解等）、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。同时为了解决工

程上具有复杂几何区域内的流动问题，人们开始研究网格的变换问题，如

Thompson,Thams和Mastin提出了采用微分方程来根据流动区域的形状生成适

体坐标体系，从而使计算流体力学对不规则的几何流动区域有了较强的适应性，

逐渐在CFD中形成了专门的研究领域：“网格形成技术”。

第二，工业应用阶段(1975～1984年)，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。同时，CFD技术开始向各种以流动为基础的工程问题方向发展，

如气固、液固多相流、非牛顿流、化学反应流、煤粉燃烧等。但是，这些研究都

需要建立在具有非常专业的研究队伍的基础上，软件没有互换性，自己开发，自

己使用，新使用的人通常需要花相当大的精力去阅读前人开发的程序，理解程序

设计意图，改进和使用。1977年，Spalding等开发的用于预测二维边界层内的

迁移现象的GENMIX程序公开，其后，他们首先意识到公开计算源程序很难保护

自己的知识产权，因此，在1981年，组建的CHAM公司将包装后的计算软件

（PHONNICS－凤凰）正式投放市场，开创了CFD商业软件的先河，但是，在当时，

该软件使用起来比较困难，软件的推广并没有达到预期的效果。我国80年代初

期，随着与国外交流的发展，科学院、部分高校开始兴起CFD的研究热潮。

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，Patankar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，然而，工业界并没有表

现出太多的热情。1985年的第四界国际计算流体力学会议上，Spalding作了CFD

在工程设计中的应用前景的专题报告，在该报告中，他将工程中常见的流动、传

热、化学反应等过程分为十大类问题，并指出CFD都有能力加以解决，分析了工

业界不感兴趣，是因为软件的通用性能不好，使用困难。如何在CFD的基础研究

与工程开发设计研究之间建立一个桥梁?如何将研究结果为高级工程设计技术人

员所掌握，并最大限度地应用于工程咨询、工程开发与设计研究?这正是本时期

应用基础研究所追求的目标。此后，随着计算机图形学、计算机微机技术的快速

进步，CFD的前后处理软件得到了迅速发展，如GRAPHER，GRAPHERTOOL，ICEM

－CFD等等。

1.2计算流体力学的基本原理

任何流体运动的规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律

为基础的。这些基本定律可由数学方程组来描述，计算流体力学可以看做是在流

动基本方程，控制下对流体的数值仿真模拟。通过这些数值模拟，我们可以得到

极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）

的分布，以及这些量随时间变化的情况，确定是否产生涡流，涡流分布特性及脱

流区域等。

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