壁流式陶瓷颗粒过滤器结构特性分析(18)

大连理工大学硕士学位论文

２数值模拟基础

２．１计算流体动力学

计算流体动力学（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ，简称ＣＦＤ）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所作的分析。ＣＦＤ的基本思想是：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。

ＣＦＤ可以看作是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定漩涡分布规律等。还可进行结构优化设计等。

ＣＦＤ方法与传统的理论分析法、试验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体系。理论分析方法的优点在于所得到的结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指。导试验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进行抽象和简化，才能得到理论解。对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结果。

试验测量方法所得到试验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础，其重要性不容低估。然而，试验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全及测量精度的限制，有可能很难通过试验方法得到结果。此外，试验会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等缺点。

ＣＦＤ方法克服前面两种方法的弱点，在计算机上实现一个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理试验。数值模拟可以形象地再现流动情景，基本可验证试验结果。

ＣＦＤ的长处是适应性强、应用面广。首先，流动问题的控制方程一般是非线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，而用ＣＦＤ方法则有可能找出满足工程需要的数值解；其次，可利用计算机进行各种数值试验。再者，它不受物理模型和试验模型的限制，有很强的灵活性，能模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和试验中只能接近而无法达到的理想条件。

ＣＦＤ也存在一定的局限性。首先，数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学模型，且最终结果不能提供任何形式上的解析表达式，只能有限个离散点上的数值解，并有一定的计算误差；第二，它不像物理模型试验一开始就能给出流动现象并定性地描述，往往需要由