CFD 计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）

CFD 计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）

定义

核心原理与方法

1. 控制方程

• 连续性方程：描述质量守恒，适用于不可压缩或可压缩流体。

• 动量方程（Navier-Stokes 方程）：描述动量守恒，包含惯性力、粘性力、压力梯度和外力。

• 能量方程：描述能量守恒，涉及热传导、对流及能量源项。

• 其他方程：如湍流模型方程（k-ε、k-ω、LES 等）、多相流模型（欧拉 - 拉格朗日、VOF 等）、化学反应模型等。

2. 数值方法

• 有限体积法（FVM）：将计算域划分为离散控制体，对每个控制体积分守恒方程，应用最广泛（如 ANSYS Fluent、OpenFOAM）。

• 有限元法（FEM）：基于变分原理，适合复杂几何边界（如 COMSOL）。

• 有限差分法（FDM）：直接对微分方程离散，适用于规则网格。

3. 计算流程

• 几何建模：CAD 软件构建物理模型（如 SolidWorks、ANSYS DesignModeler）。

• 网格划分：将模型离散为网格（结构化 / 非结构化网格），网格质量影响计算精度与速度。

• 边界条件设置：定义入口 / 出口参数、壁面条件、初始条件等。

• 求解器计算：选择湍流模型、多相流模型等，迭代求解控制方程。

• 结果分析：可视化流场（速度云图、压力分布、流线等），提取关键参数（如压降、分离效率）。

应用领域

1. 工业与工程

• 能源与动力：发动机燃烧模拟、换热器流场优化、风力发电机气动设计。

• 化工与制药：反应器混合过程、旋风分离器效率提升（如前所述案例）、精馏塔传质模拟。

• 航空航天：飞行器气动外形优化、航天器燃料喷射模拟。

2. 环境与交通

• 环境工程：大气污染扩散模拟、污水处理厂流场分析。

• 交通工程：汽车 / 高铁空气动力学设计、城市通风与热岛效应研究。

3. 生物与医学

• 生物流体：血管内血流模拟、肺部呼吸气流分析。

• 医疗器械：人工心脏瓣膜设计、药物颗粒沉积模拟。

优势与挑战

• 优势

• 可模拟极端条件（高温、高压、复杂几何），减少实验成本与风险。

• 提供全流场细节数据（如速度矢量、压力梯度），辅助机理分析。

• 支持多方案快速对比，优化设计效率（如旋风分离器结构参数优化）。

• 挑战

• 网格依赖性：网格质量不足可能导致计算发散或结果偏差。

• 模型局限性：湍流模型、多相流模型等存在假设，需结合实验验证。

• 计算资源需求：复杂模型（如高分辨率 LES）需高性能计算（HPC）支持。

典型工具与软件

与实验的结合（CFD+PIV/PTV）

• 验证流程：通过实验测量（如粒子图像测速 PIV、激光多普勒测速 LDV）获取流场数据，与 CFD 模拟结果对比，修正模型参数（如湍流模型常数）。

• 互补性：CFD 提供全局流场预测，实验验证局部关键区域，两者结合提升结果可靠性（如旋风分离器内颗粒轨迹验证）。

未来发展趋势

1. 高精度与高效化：发展更精准的湍流模型（如 DES、AI 驱动模型）和并行计算技术（GPU 加速）。

2. 多物理场耦合：流体 - 固体 - 电磁 - 化学反应等多过程耦合模拟（如锂电池热管理、燃烧 - 污染物生成耦合）。

3. 智能化与自动化：AI 辅助网格生成、自动优化算法（如遗传算法）与实时仿真（如自动驾驶场景）。

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