流體力學，是研究流體（液體和氣體）的力學運動規(guī)律及其應用的學科。主要研究在各種力的作用下，流體本身的狀態(tài)，以及流體和固體壁面、流體和流體間、流體與其他運動形態(tài)之間的相互作用的力學分支。流體力學是力學的一個重要分支，它主要研究流體本身的靜止狀態(tài)和運動狀態(tài)，以及流體和固體界壁間有相對運動時的相互作用和流動的規(guī)律。在生活、環(huán)保、全風風機、科學技術及工程中具有重要的應用價值。

CFD分析過程

進行CFD分析的一般過程如下所示：

1、將流動問題表示為表達式

分析的*步是通過尋求以下問題的答案進將流動問題表示為表達式。

分析的目的是？

達到這些目的zui簡單的途徑是？

包含怎樣的幾何？

來流和工作狀態(tài)是怎樣的？

該使用何種空間模型（一維、準一維、二維，軸對稱還是三維？）

流域是怎樣的？

該使用何種時間模型？（定常或非定常）

流動的粘度情況（無粘、層流還是湍流）

該使用何種氣體模型？

2、建立幾何與流域的模型

   進行流動分析的對象需進行建模。一般涉及CAD軟件幾何造型。付出合理的努力進行分析需要進行幾何模型近似與簡化。于此同時，應該對實施仿真的流域范圍做一個確定。流域的部分邊界應與幾何模型曲面保持一致。其他曲面是自由邊界，在自由邊界上，流體流入或者流出。幾何模型和流域以這樣的方式建模，然后用于網(wǎng)格生成。這樣，建模過程通常需要考慮網(wǎng)格生成的結構和拓撲。

3、設置邊界條件與初始條件

   當流域確定了的時候，需要給流域邊界物理條件。仿真一般開始于初始條件，然后通過迭代的方式得到流場的zui終解。

4、網(wǎng)格生成

   流域離散成為網(wǎng)格。網(wǎng)格生成包括結構和拓撲確定，然后在該拓撲上生成網(wǎng)格。目前所有的案例都涉及多塊網(wǎng)格和結構網(wǎng)格。然而，這些網(wǎng)格塊可能是對接的，連續(xù)的，非連續(xù)的或者重疊的。網(wǎng)格必須滿足zui低的網(wǎng)格質(zhì)量要求，如正交（尤其是在邊界上），相對網(wǎng)格間距（zui大值不能超過15%到20%），網(wǎng)格扭曲率等等。zui大的網(wǎng)格間距應該與流場重要特征的分辨率一致。邊界層分辨率要求沿著物面法向的*層網(wǎng)格點應恰好落在邊界層的層流層內(nèi)。對于湍流流動，沿著物面法向的*層網(wǎng)格點必須滿足y+<1的要求。

5、設置求解策略

   執(zhí)行仿真的策略包括以下內(nèi)容：使用什么空間推進和時間推進方式，湍流或者化學模型的選擇，算法的選擇等。

6、設置輸入?yún)?shù)和文件

   CFD程序通常需要給定輸入文件，輸入文件的內(nèi)容是與既定策略一致的輸入?yún)?shù)值的列表。此外，還需要包含邊界條件信息的網(wǎng)格文件。

7、執(zhí)行仿真

    仿真可以通過圖形界面、批處理或者分布式的方式進行。

8、監(jiān)視仿真直至完成

    當仿真進行的時候，監(jiān)測求解過程以確定是否得到了收斂的解，該解是一個迭代收斂解。

9、后處理得到結果

    后處理的過程是從流場中提取出想獲得的流場特點（如推力、升力、阻力等）的過程。

10、對結果進行比較

   將求解得到的流場特點與理論分析、計算或者試驗研究得到的結果進行比較，驗證計算結果的可靠。

11、重復上述過程，評價敏感性

   為了了解計算結果精度可能的差異和與以下因素相關的計算表現(xiàn)，必須評價計算結果的敏感度。如：維度、流場條件、初始條件、推進策略、算法、網(wǎng)格拓撲和密度、湍流模型、化學模型、通量模型、人工粘度、邊界條件和計算機系統(tǒng)等。

12、歸檔

    將以上的分析整理成文檔。

數(shù)值模擬方法和分類

   在運動CFD方法對一些實際問題進行模擬時，常常需要設置工作環(huán)境，設置邊界條件和選擇算法等，特別是算法的選擇，對模擬的效率及其正確性有很大的影響，需要特別的重視。要正確設置數(shù)值模擬的條件，有必要了解數(shù)值模擬的過程。

   隨著計算機技術和計算方法的發(fā)展，許多復雜的工程問題都可以采用區(qū)域離散化的數(shù)值計算并借助計算機得到滿足工程要求的數(shù)值解。數(shù)值模擬技術是現(xiàn)代工程學形成和發(fā)展的重要動力之一。

   區(qū)域離散化就是用一組有限個離散的點來代替原來連續(xù)的空間。實施過程是把所計算的區(qū)域劃分成許多許多互不重疊的子區(qū)域，確定每個子區(qū)域的節(jié)點位置和該節(jié)點所代表的控制體積。

   節(jié)點是指需要求解的未知物理量的幾何位置、控制體積、應用控制方程或守恒定律的zui小幾何單位。一般把節(jié)點看成控制體積的代表。控制體積和子區(qū)域并不總是重合的。在區(qū)域離散化過程開始時，由一系列與坐標軸相應的直線或曲線簇所劃分出來的小區(qū)域成為子區(qū)域。網(wǎng)格是離散的基礎，網(wǎng)格節(jié)點是離散化物理量的存儲位置。

   常用的離散化方法有有限差分法、有限元法和有限體積法。對這三種方法分別介紹如下。

有限差分法

   有限差分法是數(shù)值解法中zui經(jīng)典的方法。它是將求解區(qū)域劃分為差分網(wǎng)格，用于有限個網(wǎng)格節(jié)點代替連續(xù)的求解域，然后將偏微分方程（控制方程）的導數(shù)用差商代替，推導出含有離散點上有限個未知數(shù)的差分方程組。

   該方法的產(chǎn)生和發(fā)展比較早，也比較成熟，較多用于求解雙曲線和拋物線型問題。用它求解邊界條件復雜，尤其是橢圓型問題不如有限元法或有限體積法方便。 

   構造差分的方法有多種形式，目前主要采用的是泰勒級數(shù)展開方法。其基本的差分表達式主要有四種形式：一階向前差分、一階向后差分、一階中心差分和二階中心差分等，其中前兩種格式為一階計算精度，后兩種格式為二階計算精度。通過對時間和空間這幾種不同差分格式的組合，可以組合成不同的差分計算格式。

有限單元法

   有限單元法是將一個連續(xù)的求解域任意分成適當形狀的許多微小單元，并于各小單元分片構造插值函數(shù)，然后根據(jù)極值原理（變分或加權余量法），將問題的控制方程轉化為所有單元上的有限元方程，把總體的極值作為各單元極值之和，即將局部單元總體合成，形成嵌入了邊界條件的代數(shù)方程組，求解該方程組就得到各節(jié)點上待求的函數(shù)值。 

   對橢圓型問題有更好的適應性。有限元求解的速度比有線差分法和有線體積法慢，在商用CFD軟件中應用并不廣泛。目前常用的商用CFD軟件中，只有FIDAP采用的是有線單元法。

有線體積法

   有線體積法又稱為控制體積法，是將計算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個網(wǎng)格點周圍有一個互不重復的控制體積，將待解的微分方程對每個控制體積積分，從而得到一組離散方程。其中的未知數(shù)是網(wǎng)格節(jié)點上的因變量。子域法加離散，就是有限體積法的基本思想。有限體積法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解釋。離散方程的物理意義，就是因變量在有限大小的控制體積中的守恒原理，如同微分方程表示因變量在無限小的控制體積中的守恒原理一樣。

   有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對任意一組控制集體都得到滿足，對整個計算區(qū)域，自然也得到滿足，這是有限體積法吸引人的優(yōu)點。有一些離散方法，例如有限差分法，僅當網(wǎng)格極其細密時，離散方程才滿足積分守恒；而有限體積法即使在粗網(wǎng)格情況下，也顯示出準確的積分守恒。就離散方法而言，有限體積法可視作有線單元法和有限差分法的中間產(chǎn)物。三者各有所長。

   有限差分法：直觀，理論成熟，精度可選，但是不規(guī)則區(qū)域處理繁瑣，雖然網(wǎng)格生成可以使有限差分法應用于不規(guī)則區(qū)域，但是對于區(qū)域的連續(xù)性等要求較嚴。使用有限差分法的好處在于易于編程，易于并行。

   有限單元法：適合于處理復雜區(qū)域，精度可選。缺點是內(nèi)存和計算量巨大并行不如有限差分法和有限體積法直觀。

   有限體積法：適用于流體計算，可以應用于不規(guī)則網(wǎng)格，適用于并行。但精度基本上只能是二階。有線單元法在應力應變，高頻電磁場方面的特殊優(yōu)點正在被人重視。