计算流体力学(cfd)发展简述

计算流体力学

姓 名： 刘月良

学 号： 20070360215

院 系： 化工与能源学院

班 级： 07级过控二班

指导教师： 周俊杰

时 间： 2010.12.24

通用软件综述 计算流力学通用软件综述

刘月良

（郑州大学 化工与能源学院 20070360215）

摘要: 介绍计算流体力学(CFD)通用软件的起源与发展概况，详细阐述了该软件的的基本应用原理,以及CFD 技术在国内外的应用。

关键词: CFD 技术;通用软件;综述

Review on the commercial CFD softwares

LIU Yueliang

（Chemical and Energy Engineering，ZhengZhou University ，20070360215）

Abstract: The origins and developments of the general CFD (Computational Fluid

Dynamics) softwares are introduced in the paper. Elaborated on the basic application of

the principles of software.And the Application of CFD technology at home and abroad

Key words: CFD technologies; commercial software; review

计算流体力学（CFD，Computational Fluid Dynamics）是一门用数值计算方法直接求解流动主控方程（Euler或Navier-Stokes方程）[1]以发现各种流动现象规律的学科。它综合了计算数学、计算机科学、流体力学、科学可视化等多种学科。广义的CFD包括计算水动力学、计算空气动力学、计算燃烧学、计算传热学、计算化学反应流动，甚至数值天气预报也可列入其中。

-----WORD格式--可编辑--专业资料-----

--完整版学习资料分享---- 第二章计算流体力学的基本知识

流体流动现象大量存在于自然界及多种工程领域中，所有这些工程都受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律的支配。这章将首先介绍流体动力学的发展和流体力学中几个重要守恒定律及其数学表达式，最后介绍几种常用的商业软件。

2.1计算流体力学简介

2.1.1计算流体力学的发展

流体力学的基本方程组非常复杂，在考虑粘性作用时更是如此，如果不靠计算机，就只能对比较简单的情形或简化后的欧拉方程或N-S方程进行计算。20世纪30～40年代，对于复杂而又特别重要的流体力学问题，曾组织过人力用几个月甚至几年的时间做数值计算，比如圆锥做超声速飞行时周围的无粘流场就从1943年一直算到1947年。

数学的发展，计算机的不断进步，以及流体力学各种计算方法的发明，使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性，这又促进了流体力学计算方法的发展，并形成了"计算流体力学"。

从20世纪60年代起，在飞行器和其他涉及流体运动的课题中，经常采用电子计算机做数值模拟，这可以和物理实验相辅相成。数值模拟和实验模拟相互配合，使科学技术的研究和工程设计的速度加快，并节省开支。数值计算方法最近发展很快，其重要性与日俱增。

自然界存在着大量复杂的流动现象，随着人类认识的深入，人们开始利用流动规律来改造自然界。最典型的例子是人类利用空气对运动中的机翼产生升力的机理发明了飞机。航空技术的发展强烈推动了流体力学的迅速发展。

流体运动的规律由一组控制方程描述。计算机没有发明前，流体力学家们在对方程经过大量简化后能够得到一些线形问题解读解。但实际的流动问题大都是复杂的强非线形问题，无法求得精确的解读解。计算机的出现以及计算技术的迅速发展使人们直接求解控制方程组的梦想逐步得到实现，从而催生了计算流体力学这门交叉学科。

CFD计算模拟在风力发电机组中的应用

随着经济的快速发展和环境保护意识的觉醒，风力发电作为一种可再生能源，已经逐渐成为了近年来发展最快的清洁能源之一。然而，如何提高风电系统的效率，降低能源成本成为了风电工业发展中的一大难题。众多的风电机组直接依赖气象特征所带来的风向、风速等条件，这些都与研究风力发电机组定制化设计有关。因此，大规模风电发电及提高其效率就是一个需要长期探索的实际问题，这也就催生了CFD数值模拟在风力发电机组中的应用。

一、CFD数值模拟概述

计算流体力学（CFD）是利用数值方法和计算机仿真技术对物理问题进行模拟和计算的一种科学方法。而CFD数值模拟通常采用数学模型解决物理问题，并且基于数学表达式和计算机仿真技术进行计算，因而对流量、速度、压力等物理量的变化拥有更为细致的分析。在风力发电机组中，CFD数值模拟技术被广泛应用在改进风机翼型、提高机翼空间尺寸和优化排列机组中。CFD数值模拟技术本身具有计算精度高、可逆性强、计算成本低等优点。同时在工业领域中，CFD数值模拟已成为基础研究的重要方法之一。

二、风力发电机组CFD数值模拟的应用

1.优化风机翼型设计 风机叶片设计的关键因素是气动性能分析，包括风机的空气动力特性和结构特性。在这方面，CFD数值模拟技术可以通过建立在数学模型上的理论模型，对风机羽片进行分析。在风能装置的设计过程中，风机羽片的主要考虑方向是在满足一定风量前提下，风机的效率要尽量提高。基于CFD技术的建模和仿真方法，研究风机羽片的气流特性、流线形式、压力平衡等问题。同时，也能通过优化和调整叶片的形状，改变气动参数分布，来实现对风机效率和性能的提升。

2.完善风能装置排列

风能装置的排列对风能转换系数和效率有较大影响。因此，针对风能转换设备的排列结构进行模拟和分析，应用CFD技术进行预判、设计、验证是非常有必要的。CFD在风电机组模拟中的数学模型可以基于推动和旋转等变量，对定制化器械群的设计和排列方式进行仿真，进一步分析流场的分布情况以及机群相互干扰的影响等。同时，通过CFD技术模拟和分析可以为其优化设计和排布提高效率和减小机群干扰作出有效参考。

- 1 - 计算流体力学基础及其应用

计算流体力学（CFD）是计算机运用精确的数学模型和算法来研究流体力学物理过程的一种技术。它利用计算机模拟方法处理流体流动和相互作用的过程，以更准确、更快捷的方式研究热流体流动、传热、传质和湍流等物理过程的问题。

CFD的基础是数学方面的流体力学，应用计算机模拟的基本方法是数值方法，用于分析各种流体流动问题以及相关热传导、传质等热力学现象。此外，计算流体力学还集成有计算机动力学，流体动力学，热力学，结构力学，能量方法，计算工程和多物理场的数值模拟技术，可以更加精准地研究流体动力学，热传递，流体机械，复杂流动等问题。

CFD在工程实践中具有重要作用，其应用领域非常广泛，包括空气、液体、气体和粘性流动等各种固体表面及流体体系的运动和相互作用。例如，可以用来分析大气环境中污染物的扩散，水力学中河流水流的流动性能和可能形成的机械，风能资源的开发利用，以及气体控制元件的设计等。

CFD技术的研究和应用对改善工业和生活的质量起着重要作用，具有重大的经济效益。它可以帮助工程师进行快速和准确的表征及设计，从而大大缩短研发和评估的周期，并节省大量的研发费用，从而提高产品的质量和可靠性。例如，可以用CFD模拟来分析火力发电厂泄漏物介质的运动和湍流，从而确定阀门及其参数，进行管道设计，抑制烟气污染，提高系统效率，实现节能减排等。 - 2 - 此外，CFD还可以用于水工工程，海洋工程，气候变化，大气和海洋环境监测，飞机设计，汽车行业和其他工程方面的问题，有助于数字信息的可视化，预测及避免工程问题，提高效率。

因此，CFD既可以用于重要的实际问题的研究，也可以用于开发新产品，从而为工程实践提供可靠的计算技术，有效地改善系统质量和可靠性，提高经济效益。

综上所述，CFD的研究和应用具有重要的实际意义，可以显着提高工程的质量和可靠性，并带来可观的经济收益。未来，CFD技术将逐步发展壮大，有效地改善人们的生活和工作环境。