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CAE三字经-计算流体力学

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Ice_XIAO 发表于 2013-4-7 17:44:50
    计算流体力学Computational Fluid Dynamics(简称CFD),是用离散化的数值方法及电子计算机 对流体无粘绕流和粘性流动进行数值模拟和分析的学科。计算力学的一个分支。无粘绕流包括低速流、跨声速流、超声速流等;粘性流动包括湍流、边界层流动等。计算流体力学是为弥补理论分析方法的不足而于20世纪60年代发展起来的,并相应地形成了各种数值解法。主要是有限差分法和有限元法。流体力学运动偏微分方程有椭圆型、抛物型、双曲型和混合型之分,计算流体力学很大程度上就是针对不同性质的偏微分方程采用和发展了相应的数值解法。
  计算流体力学的兴起推动了研究工作的发展。自从1687年牛顿定律公布以来,直到上世纪50年代初,研究流体运动规律的主要方法有两种:一是试验研究,它以地面试验为研究手段;另一种是理论分析方法,它利用简单流动模型假设,给出所研究问题的解析解。理论工作者在研究流体流动规律的基础上建立了各类型主控方程,提出了各种简化流动模型,给出了一系列解析解和计算方法。这些研究成果推动了流体力学的发展,奠定了今天计算流体力学的基础,很多方法仍是目前解决实际问题时常采用的方法。然而,仅采用这些方法研究较复杂的非线性流动现象是不够的,特别是不能满足50年代已开始高速发展起来的宇航飞行器绕流流场特性研究的需要。
  计算流体力学的兴起促进了试验研究和理论分析方法的发展,为简化流动模型的建立提供了更多的依据。使很多分析方法得到发展和完善。然而,更重要的是计算流体力学采用它独有的新的研究方法——数值模拟方法——研究流体运动的基本物理特性。这种方法的特点如下:
  ① 给出流体运动区域内的离散解,而不是解析解。这区别于一般理论分析方法;
  ② 它的发展与计算机技术的发展直接相关。这是因为可能模拟的流体运动的复杂程度、解决问题的广度和能模拟的流体运动的复杂程度,都与计算机速度、内存等直接相关;
  ③ 若物理问题的数学提法(包括数学方程及其相应的边界条件)是正确的,则可在较广泛的流动参数(如马赫数、雷诺数、气体性质、模型尺度等)范围内研究流体力学问题,且能给出流场参数的定量结果。
  以上这些这常常是风洞试验和理论分析难以做到的。然而,要建立正确的数学方程还必须与试验研究相结合。另外,严格的稳定性分析,误差估计和收敛性理论的发展还跟不上数值模拟的进展。
  所以在计算流体力学中:
  1、 仍必须依靠一些较简单的、线性化的、与原问题有密切关系的模型方程的严格数学分析,给出所求解问题的数值解的理论依据。
  2、 然后再依靠数值试验、地面试验和物理特性分析,验证计算方法的可靠性,从而进一步改进计算方法。
  试验研究、理论分析方法和数值模拟是研究流体运动规律的三种基本方法,它们的发展是相互依赖、相互促进的。计算流体力学的兴起促进了流体力学的发展,改变了流体力学研究工作的状况,很多原来认为很难解决的问题,如超声速、高超声速钝体绕流、分离流以及湍流问题等,都有了不同程度的发展,且将为流体力学研究工作提供新的前景。
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