什么是流体力学

作者:豪利真人游戏 | 2020-12-24 04:03

  流体力学,是研究流体(液体和气体)的力学运动规律及其应用的学科。主要研究在各种力的作用下,流体本身的状态,以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支。流体力学是力学的一个重要分支,它主要研究流体本身的静止状态和运动状态,以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。

  计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics)简写为CFD,是20世纪60年代起伴随计算科学与工程(ComputationalScienceandEngineering,简称CSE)迅速崛起的一门学科分支,经过半个世纪的迅猛发展,这门学科已经是相当的成熟了,一个重要的标志就是近几十年来,各种CFD通用软件的陆续出现,成为商品化软件,服务于传统的流体力学和流体工程领域,如航空、航天、船舶、水利等。随着CFD通用软件的性能日益完善,应用的范围也不断的扩大,在化工、冶金、建筑、环境等相关领域中也被广泛应用。

  现代流体力学研究方法包括理论分析,数值计算和实验研究三个方面。这些方法针对不同的角度进行研究,相互补充。理论分析研究能够表述参数影响形式,为数值计算和实验研究提供了有效的指导;试验是认识客观现实的有效手段,验证理论分析和数值计算的正确性;计算流体力学通过提供模拟真实流动的经济手段补充理论及试验的空缺。

  更重要的是,计算流体力学提供了廉价的模拟、设计和优化的工具,以及提供了分析三维复杂流动的工具。在复杂的情况下,测量往往是很困难的,甚至是不可能的,而计算流体力学则能方便的提供全部流场范围的详细信息。与试验相比,计算流体力学具有对于参数没有什么限制,费用少,流场无干扰的特点。出于计算流体力学如此的优点,我们选择它来进行模拟计算。简单来说,计算流体力学所扮演的角色是:通过直观地显示计算结果,对流动结构进行仔细的研究。

  计算流体力学在数值研究大体上沿两个方向发展,一个是在简单的几何外形下,通过数值方法来发现一些基本的物理规律和现象,或者发展更好的计算方法;另一个则为解决工程实际需要,直接通过数值模拟进行预测,为工程设计提供依据。理论的预测出自于数学模型的结果,而不是出自于一个实际的物理模型的结果。计算流体力学是多领域较差的学科,涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析等,这些学科的交叉融合,相互促进和支持,推动了学科的深入发展。

  CFD方法是对流场的控制方程用计算数学的方法将其离散到一系列网格节点上求其离散的数值解的一种方法。控制所有流体流动的基本定律是:质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。由它们分别导出连续性方程、动量方程(N-S方程)和能量方程。应用CFD方法进行平台内部空气流场模拟计算时,首先需要选择或者建立过程的基本方程和理论模型,依据的基本原理是流体力学、热力学、传热传质等平衡或守恒定律。

  由基本原理出发可以建立质量、动量、能量、湍流特性等守恒方程组,如连续性方程、扩散方程等。这些方程构成连理的非线性偏微分方程组,不能用经典的解析法,只能用数值方法求解。

  求解上述方程必须首先给定模型的几何形状和尺寸,确定计算区域并给出恰当的进出口,壁面以及自由面的边界条件。而且还需要适宜的数学模型及包括相应的初值在内的过程方程的完整数学描述。

  求解的数值方法主要有有限差分法(FDM)和有限元(FEM)以及有限分析法(FAM),应用这些方法可以将计算域离散为一系列的网格并建立离散方程组,离散方程的求解是由一组给定的猜测值出发迭代推进,直至满足收敛标准。常用的迭代方法有Gauss-Seidel迭代法、TDMA方法、SIP法及LSORC法等。利用上述差分方程及求解方法既可以编写计算程序或选用现有的软件实施过程的CFD模拟。


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