第27卷　第2期

2005年5月河北理工学院学报JournalofHebeiInstituteofTechnologyVol127　No12May.2005文章编号:1007-2829(2005)02-0115-03

计算流体力学的发展及应用

魏淑贤,沈　跃,黄延军

(石油大学(华东)物理科学与技术学院,山东东营257061)

关键词:计算流体力学;发展;应用

摘　要:计算流体力学是流体力学的一个分支。它用于求解固定几何形状空间内的流体的动

量、热量和质量方程以及相关的其它方程,并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有

关信息,是分析和解决问题的强有力和用途广泛的工具。对计算流体力学的发展和应用进行

了综述并对其发展趋势做了探讨。

中图分类号:O368　　文献标识码:A

1　20世纪,,,当时,由于飞行速度很低,,Laplace方程,研究工作的重点是椭圆型方程的数值解[1]。利用复变函数理论和解的迭加方法来求解析解。随着飞机外形设计越来越复杂,出现了求解奇异边界积分方程的方法。以后,为了考虑粘性效应,有了边界层方程的数值计算方法,并发展成以位势方程为外流方程,与内流边界层方程相结合,通过迭代求解粘性干扰流场的计算方法。

同一时期,许多数学家研究了偏微分方程的数学理论,Hadamard,Courant,Friedrichs等人研究了偏微分方程的基本特性、数学提法的适定性、物理波的传播特性等问题,发展了双曲型偏微分方程理论。以后,Cou2

[2]rant,Friedrichs,Lewy等人发表了经典论文,证明了连续的椭圆型、抛物型和双曲型方程组解的存在性和唯

一性定理,且针对线性方程的初值问题,首先将偏微分方程离散化,然后证明了离散系统收敛到连续系统,最后利用代数方法确定了差分解的存在性;他们还给出了著名的稳定性判别条件:CFL条件。这些工作是差分方法的数学理论基础。20世纪40年代,VonNeumann,Richtmyer,Hopf,Lax和其他一些学者建立了非线性双曲型方程守恒定律的数值方法理论,为含有激波的气体流动数值模拟打下了理论基础。

在20世纪50年代,仅采用当时流体力学的方法,研究较复杂的非线性流动现象是不够的,特别是不能满足高速发展起来的宇航飞行器绕流流场特性研究的需要。针对这种情况,一些学者开始将基于双曲型方程数学理论基础的时间相关方法用于求解宇航飞行器的气体定常绕流流场问题,这种方法虽然要求花费更多的计算机时,但因数学提法适定,又有较好的理论基础,且能模拟流体运动的非定常过程,所以在60年代

[3]这是应用范围较广的一般方法。以后由Lax、Kreiss和其他著者给出的非定常偏微分方程差分逼近的稳定

性理论,进一步促进了时间相关方法。当时还出现了一些针对具体问题发展起来的特殊算法。

[3]值得一提的是,我国在20世纪50年代也开始了计算流体力学方面的研究。我国早期的工作是研究

钝头体超声速无粘绕流流场的数值解方法,研究钝头体绕流数值解的反方法和正方法。以后,随着我国宇航事业的发展,超声速、高超声速绕流数值计算方法的研究工作发展很快。对定常欧拉方程数值解的计算方法进行研究,并给出了钝体超声速三维无粘绕流流场的计算结果。

　　20世纪70年代,在计算流体力学中取得较大成功的是飞行器跨音速绕流数值计算方法的研究。首先收稿日期:2004211202

作者简介:魏淑贤(19782),女,山东临沂人,石油大学(华东)物理科学与技术学院硕士研究生。

116河　北　理　工　学　院　学　报　　　　　　　　　　　　第27卷　是Murman和Cole用松弛方法求解位势流小扰动方程,数值模拟带激波的跨声速绕流场,解决了跨声速绕流中的混合问题。在他们的工作中第一次将迎风格式应用于空气动力学问题的模拟。不久以后Jameson提出

[3]了旋转格式,将穆尔曼-科勒方法推广于求解三维跨声速绕流的全位势流方程,获得成功。同一时期,我

国开展了采用时间相关方法求解非定常欧拉方程、可压缩N-S方程和简化N-S方程的计算方法研究。在

[4]差分格式的构造方面,提出了求解欧拉方程的特征符号分裂法和三层格式等。在可压缩N-S方程的求

解中,计算方法有了很大进展,先后提出了开关函数法、调解因子方法、紧致迎风格式、推进迭代法、无波动无

[3]自由参数的耗散格式、界值为限格式和耗散比拟方法等。这些研究工作进一步改进了计算方法精度,提

高了求解效率,且对流场激波的数值模拟有较高的分辨能力。而且这些研究成果使得我们在计算流体力学的差分方法研究工作中初步形成了自己的特点。

进入20世纪80年代以后,计算机硬件技术有了突飞猛进的发展,千万次机、亿次机逐渐进入人们的实践活动范围。随着计算方法的不断改进和数值分析理论的发展高精度数值模拟已不再是天方夜谭。同时随着人类生产实践活动的不断发展,科学技术的日新月异,一大批高新技术产业对计算流体力学提出了新的要求,同时也为计算流体力学的发展提供了新的机遇。实践与理论的不断互动,形成计算流体力学的新热点、新动力,从而推动计算流体力学不断向前发展。

首先,在计算模型方面,又提出了一些新的模型,如新的大涡模拟模型、[5]模式、新的多相流模式、模型由最初的Euler和N-S方程,扩展到包括湍流、、[6]个模型。,)湍流研究为重点。研究结果再次证明,;也有学者从更,怀疑N-S方程的有效性,进而提出以积分方程为基

[6础的数学模型其次,在计算方法方面,又提出了一些新的计算方法,如新的遗传算法、无网格算法、新型高精度紧致格

[5]式、气动计算的新变分原理、结构/非结构混合网格新技术、新型动网格技术等等。目前计算方法的研究

集中在高精度格式方法,即追求三阶精度以上,其中又以解决真正实际问题。除此之外,计算方法研究还涉及带限制器的高阶插值、谱方法、拉格朗日方法,时-空守恒元方法等等。将其它方法引进传统的计算流体

[6]力学也是现阶段的重要成果之一,其中特别值得一提的是将基因算法与传统计算流体力学结合在一起,

在域分裂和最优化设计等许多方面显示出了良好的应用前景。在算法分析上,除传统的精度、稳定性、收敛性等方面的分析,还有更深层次的数值动力学分析,即将数值方法看成是动力系统来进行分析,揭示了许多奇异的数值现象。

再次,在研究成果方面,英国M1A1Lesdhziaer关于湍流模型、美国H1C1Yee关于计算不确定性、日本学者的玻耳兹曼方程解流动问题、德国的E.vonLavante关于使用并行计算机进行发动机气缸流场涡和激波的

[6]非定常流动模拟等等,都有较新的学术思想,较高的学术水平。

目前,计算流体力学研究的热点是:研究计算方法,包括并行算法和各种新型算法;研究涡运动和湍流,包括可压和不可压湍流的直接数值模拟、大涡模拟和湍流机理;研究网格生成技术及计算机优化设计;研究计算流体力学用于解决实际流动问题,包括计算生物力学、计算声学、微型机械流动、多相流及涡轮机械流动

[7]的数值模拟等。

2　计算流体力学的应用

计算流体力学的应用已经从最初的航空航天领域不断地扩展到船舶、海洋、化学、铸造、制

[12][13][14][15]冷、工业设计、城市规划设计、建筑消防设计、汽车等多个领域。近几年来计算流体力学在全机

[6]流场计算、旋翼计算、航空发动机内流计算、导弹投放、飞机外挂物、水下流体力学、汽车等方面获得广泛

应用。这表明计算流体力学在解决工程实际问题方面具有重要的应用价值。下面仅以在汽车领域的应用为例,介绍计算流体力学应用于工程实际中的速度和深度。20世纪80年代初期才开始有计算流体力学应用于汽车领域的论文发表,经过短短的二十余年,其应用已涉及到汽车车身设计、汽车内部空间的空调与通风、[8][9][10][11]

　第2期　　　　　　　　　　　　魏淑贤,等:计算流体力学的发展及应用117发动机内部的气体流动以及冷却系、汽车液力变矩器、废气涡轮增压器中的压气机和涡轮的叶轮与蜗壳等中的流动现象的研究与计算,同时进一步发展到研究汽车与发动机中传热、燃烧以及预测噪声强度与模具设计

[15]等相关的问题。

当着手研究一项计算流体力学课题时,首先需要建立模型,即根据相关专业知识将问题用数学方法表达出来;然后就是如何利用计算流体力学软件,对问题进行求解、分析。整个计算流体力学处理过程大致包括三个部分:前处理,包括几何模型的选取和网格划分;求解器,包括确定计算流体力学方法的控制方程,选择离散方法进行离散,选用数值计算方法,输入相关参数;后处理,包括速度场、压力场、温度场及其它参数的计

[12]算机可视化及动画处理等。由此和计算流体力学在工程实际中的应用可以将计算流体力学应用的优点

大致归纳如下:可以更细致地分析、研究流体的流动、物质和能量的传递等过程;可以容易地改变实验条件、参数,以获取大量在传统实验中很难得到的信息资料;整个研究、设计所花的时间大大减少;可以方便地用于那些无法实现具体测量的场合,如高温、危险的环境;根据模拟数据,可以全方位的控制过程和优化设计。

随着计算流体力学在工程技术应用中的迅速推广,计算流体力学也逐渐软件化。CFX、FLUENT、PHOE2

[16]NICS、CFD2000、CFD++等一大批计算流体力学软件已经商品化。这些商业软件既有通用的也有作为特

殊用途的专业软件。这些软件能方便地处理工程技术领域内的各种高难度复杂问题,因而极具吸引力。然而计算流体力学软件在某些领域的应用还不成熟,有必要在计算精度、功能的强化、、收敛性和操作的简单化等方面作进一步的完善。

:;进一步开展计算流,使计算流体力、降低设计成本和缩短生产时间的潜力开始发挥作用。当前,计算流体力学工作者的重要任务是发展准确、高效的粘性流计算方法,把计算流体力学应用推向一个更新的应用阶段。3　展望及结论

计算流体力学主要向两个方面发展:一方面是研究流动非定常稳定特性、分叉解及湍流流动的机理,更为复杂的非定常、多尺度的流动特征,高精度、高分辨率的计算方法和并行算法;另一方面是将计算流体力学直接用于模拟各种实际流动,解决工业生产中提出来的各种问题。美国和日本在这两方面做得最为突出。在我国经济飞速发展的今天,一些计算流体力学问题的解决,将有利于我国的国民经济建设工作,我们需要迎头追赶。

参考文献:

[1]　刘国俊1计算流体力学的地位、发展情况和发展趋势[J]1航空计算技术,1994(1):152211

[2]　CourantR,FriedrichsKOandLewyH.OnthePartialDifferenceEquationsofMathematicalPhysics.IBMJournal.March.1967:21522341

[3]　傅德薰1流体力学数值模拟[M]1北京:国防工业出版社,1993:3261

[4]　侯天相,周荣春1钝体绕流的非定常差分法[M]1北京:宇航出版社,19861

[5]　张涵信1第四届亚洲计算流体力学会议学术交流情况[J]1力学进展,2001(1):15621571

[6]　国家自然科学基金委员会数理科学部1第七届国际计算流体力学尝议简介[J]1力学进展,1998,28(3):43024311

[7]　傅德薰1第二届国际计算流体力学会议简介[J]1力学进展,2003(3):388

[8]　蔡荣泉1船舶计算流体力学的发展与应用[J]1船舶,2002(4):82131

[9]　周连第1船舶与海洋工程计算流体力学的研究进展与应用[J]1空气动力学学报,1998,16(1):12221311

[10]　尹晔东,王运东,费维场1计算流体力学(CFD)在化学工程中的应用[J]1石化技术2000,7(3):16621691

[11]　肖柯则,夏艺1计算流体力学在铸造过程中的应用[J]1内蒙古工业大学学报,1995,4(3):302381

[12]　翟晓华,谢晶,徐世琼1计算流体力学在制冷工程中的应用[J]1制冷,2003,22(1):172221

[13]　傅晓英,刘俊,许剑峰1计算流体力学在城市规划设计中的应用研究[J]1四川大学学报(工程科学版),2002,34(6):362391

[14]　金杉,庄达民,张向阳1计算流体力学在现代建筑消防设计中的应用[J]1消防科学与技术,2003,22(3):19421971

[15]　常思勤,扈圣刚1计算流体力学进展及其在汽车设计中的应用[J]1武汉汽车工业大学学报,1997,19(4):122151

[16]　Da2WenSun1ComputersandElectronicsinAgricultrue.supplement,Ireland,20021(下转第122页)

122河　北　理　工　学　院　学　报　　　　　　　　　　　　第27卷　参考文献:

[1]　容柏生1高层住宅建筑中的短肢剪力墙结构体系[J]1建筑结构学报,1997,18(6):142191

[2]　过镇海1钢筋混凝土原理[M]1北京:清华大学出版社,19991

[3]　邱洪兴,舒赣平1建筑结构设计[M]1南京:东南大学出版社,20021

[4]　宋建学,彭少民,刘立新1短肢剪力墙低周反复试验研究[J]1华中科技大学学报,2002,19(1):912941

[5]　蒋欢军,吕西林1用一种墙体单元模型分析剪力墙结构[J]1世界工程与工程震动,1998,18(3):402481

SimpleModelofShort2legShearWallStructure

SUNZhao2ying,SUYou2po

(CollegeofCivilandArchitectureEngineering,HebeiPolytechnicUniversity,TangshanHebei063000,China)Keywords:　short2legshearwalls;finiteelementanalysismodel;sheardeformation;beamelement

Abstract:　Thesimplebeammodelwithsheardeformationshavebeendevelopedbasedonthepropertiesofshort2legshearwallsinthispaper,andtheanalysisoflateralstiffnessofoneexamplehavebeencarriedoutbyADINA.Thecomparabilitywithtestresultsprovedthatthismodelhastheofclearconceptioncon2cept,simplecalculationandrelativelygoodaccuracy.

(上接第117页)

DevelopmentandApplicationofComputationalFluidDynamics

WEIShu2xian,SHENYue,HUANGYan2jun

(CollegeofPhysicsScienceandTechnology,UniversityofPetroleum,DongyingShandong257061,China)Keywords:　computationalfluiddynamics;development;application

Abstract:　Computationalfluiddynamicsisonefiliationofthefluiddynamics.Itusescomputertoevaluatemo2mentum,heat,massandothercontrolequationsoffluidinthefixedgeometryspacetogettheusefulmessageinthegivenconditions.Itisaverypowerfulandversatiletooltoanalyzeandsolveproblems.Thispaperreviewsthedevel2opmentandapplicationsofcomputationalfluiddynamics.Andthefuturetrendsofcomputationalfluiddynamicsareproposed.