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限制其流动的固体壁之间的相互作用问题。
内部绕流外部绕流
7
龙卷风雷暴
全球气候飓风飞机舰艇
空气污染河流、水利
高速列车潜艇
11
水上运动自行车赛艇
赛车冲浪
建筑
农业：灌溉
25 2627 2829
30
Basic Fins Vented Fins
Slotted Chamfered Corner
Corners Corners Cutting
拐角修正即可以达到减振效果
流固耦合效应研究—
39
¾风荷载预测——大连中国石油大厦(2007年，2009年)
三维鞍形薄膜屋盖(2001年-至今)
41
CFD数值模拟的模型示意图
流场速度分布矢量图
45
深圳大运会体育场(2007年)
流场速度分布矢量图
47
¾复杂地形的风环境预测与评估
50
度
为0.4665R(FAST反射面距离球心的半径为R，R=300m)。
馈源运动球面与FAST反射面之间的关系示意图0度风向角下馈源运动球面附近的风场分布该高度处的风场由于受到山势的阻
挡效应，FAST反射面上空的相当高
55Space Structure Research Center, HIT, CHINA 55/60
210度
210度
无挡风墙
挡风墙(a)
56Space Structure Research Center, HIT, CHINA 56/60210度
210度
挡风墙(b)
挡风墙(c)。
第二章--计算流体力学的基本知识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。
计算流体力学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)以发现各种流动现象规律的学科。
計算流體力學主要有以下幾個主要問題大家比較關心1．關於瞬態計算的問題2．關於建模的問題3．關於網格化的問題4．關於動畫顯示的問題5．關於交變載荷的問題一、關於第一個問題的解答：計算瞬態設置參數與穩態不同，主要設置的參數爲：1．FLDATA1,SOLU,TRAN,1設置爲瞬態模式2．FLDATA4,TIME,STEP,0.02,自定義時間步時間間隔0.02秒3．FLDATA4,TIME,TEND,0.1,設置結束時間0。
1秒4．FLDATA4,TIME,GLOB,10,設置每個時間步多少次運算5．fldata4a,time,appe,0.02設置記錄時間間隔6．SET,LIST,2查看結果7．SET,LAST設爲最後一步8．ANDATA,0.5,,2,1,6,1,0,1動態顯示結果以上爲瞬態和穩態不同部分的設置和操作，特別是第五步。
爲了動態顯示開始到結束時間內氣流組織的情況，還是花了我們很多時間來找到這條命令。
如果你是做房間空調送風計算的，這項對你來說非常好，可以觀察到從開空調機到穩定狀態的過程。
二．關於建模的問題大家主要關心的建模問題是模型的導入和導出，及存在的一些問題。
這些問題主要體現在：1．AUTOCAD建模導出後的格式與ANSYS相容的只有SAT格式。
PROE可以是IGES格式或SAT格式。
當然還有其他格式，本人使用的限於正版軟體，只有上述兩種格式。
SAT格式可由PROE中導出爲IGES格式。
ANSYS默認的導入模型爲IGES格式的圖形模型。
2．使用AUTOCAD一般繪製介面比較複雜的拉伸體非常方便。
如果是不規則體，用PROE和ANSYS都比較方便，當然本人推薦用ANSYS本身的建模功能。
對於PROE，因爲它的功能強大，本人推薦建立很複雜的模型如變截面不規則曲線彎管（如血管）。
3．導入過程中會出現默認選項和自定義選項，一般本人推薦使用自定義選項，以避免一些操作帶來的問題。
有時出現顯示只有線而沒有面顔色的問題，可以用命令：/FACET,NORML來解決這個問題。
计算流体力学简介计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是现代科技中的一个重要领域，它利用计算机仿真和计算等技术，对流体力学问题进行数值求解，以达到预测和优化流体现象的目的。
本文将简要介绍CFD的发展过程、应用范围、数值模拟方法等方面。
一、CFD的发展CFD的发展源于20世纪50年代，当时的计算机技术还非常有限，CFD的应用范围很窄。
到了20世纪70年代，随着计算机的高速发展和应用，CFD得以迅速发展，越来越多地应用于航空航天、能源、环境等领域。
随着CFD标准化和工具的发展，越来越多的人开始使用CFD来预测流体现象，优化产品设计。
二、CFD的应用范围CFD的应用涉及到许多领域。
在航空航天领域中，CFD 可以用来预测飞机的空气动力学特性、燃烧炉的热力学特性、火箭发动机的燃烧过程等。
在汽车工业中，CFD可以用来模拟车辆的气动特性，优化车身结构和排放系统的设计，提高燃油经济性。
在能源领域中，CFD可以用来模拟煤热电联产的燃烧过程，预测钻井液在油井中的流动和携带油气的能力等。
在环境领域中，CFD可以用来预测气象和大气污染的传播，优化建筑物的设计和施工等。
三、CFD的基本数值模拟方法CFD的数值模拟方法可以分为欧拉法和纳维-斯托克斯NS (Navier-Stokes)方程法两种。
欧拉法是通过施加边界条件和初始条件来解决流体力学问题的，简单、快速，但只适用于高速简单流动。
NS方程法是采用角动量守恒定律、质量守恒定律和动量守恒定律来分析复杂流体流动问题，更准确地预测流体动力学特性，但需要更高的计算能力和更长的计算时间。
四、CFD的软件CFD的数值求解需要大量的计算能力和高度优化的计算机软件。
目前市场上较为常用的CFD软件有Fluent、OpenFOAM、StaMINA等，这些软件通过预测流体动力学特性，优化流体现象，提高产品质量和效率。
五、CFD的应用前景CFD的应用前景十分广阔，尤其随着计算机技术的不断发展，CFD预测和优化流体现象的能力将逐渐提高。
1 计算流体力学概述计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是以数值离散方法为数学基础，借助于计算机求解描述流体运动的基本方程，研究流体运动规律的学科。
CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，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可以看做是在流动基本方程(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，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。
还可据此算出相关的其他物理量，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。
此外，与CAD联合，还可进行结构优化设计等。
CFD可用来进行流体动力学的基础研究，复杂流动结构的工程设计，分析实验结果等。
CFD的特点：给出流体运动区域内的离散解，而不是解析解。
它的发展与计算机技术的发展直接相关。
若物理问题的数学提法（包括数学方程及其相应的边界条件）是正确的，则可在较广法的流动参数（如马赫数、雷诺数、飞行高度、气体性质、模型尺度等）范围内研究流体力学问题，且能给出流场参数的定量结果。
计算流体力学的技术原理任何流体运动的规律都是由以下3个定律为基础的：质量守恒定律，动量守恒定律和能量守恒定律。
这些基本定律可由数学方程组来描述。
如欧拉(Euler)方程，N-S方程。
首先确定了这些能够描述对象流动参量连续变化的微分方程组后，然后采用数值计算方法，通过离散化方法（如有限差分法或有限元法）对连续变化的参量用离散空间和时间的值来表示，使微分方程组转变成代数方程组形式，空间的离散位置可用计算网格上的节点描述，最后这些离散数学方程组通过计算机求解，来研究流体运动特性，给出流体运动空间定常或非定常流动规律，这样的学科就是计算流体力学。
一、计算流体力学的基本介绍一、什么是计算流体力学(CFD)?计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)是流体力学的一个新兴的分支，是一个采用数值方法利用计算机来求解流体流动的控制偏微分方程组，并通过得到的流场和其它物理场来研究流体流动现象以及相关的物理或化学过程的学科。
事实上，研究流动现象就是研究流动参数如速度、压力、温度等的空间分布和时间变化，而流动现象是由一些基本的守恒方程（质量、动量、能量等）控制的，因此，通过求解这些流动控制方程，我们就可以得到流动参数在流场中的分布以及随时间的变化，这听起来似乎十分简单。
但遗憾的是，常见的流动控制方程如纳维一斯托克斯(Navier-Stokes)方程或欧拉(Euler)方程都是复杂的非线性的偏微分方程组，以解析方法求解在大多数情况下是不可能的。
实际上，对于绝大多数有实际意义的流动，其控制方程的求解通常都只能采用数值方法的求解。
因此，采用CFD方法在计算机上模拟流体流动现象本质上是流动控制方程（多数情况下是纳维一斯托克斯方程或欧拉方程）的数值求解，而CFD软件本质上就是一些求解流动控制方程的计算机程序。
二、计算流体力学的控制方程计算流体力学的控剖方程就是流体流动的质量、动量和能量守恒方程。
守恒方程的常见的推导方法是基于流体微元的质量、动量和能量衡算。
通过质量衡算可以得到连续性方程，通过动量守恒可以得到动量方程，通过能量衡算可以得到能量方程。
式(1)一(3)是未经任何简化的流动守恒微分方程，即纳维一斯托克斯方程( N-S方程)。
N-S方程可以表示成许多不同形式，上面的N-S方程是所谓的守恒形式，之所以称为守恒形式，是因为这种形式的N-S方程求解的变量p、pu、pv、pw、pE是守恒型的，是质量、动量和能量的守恒变量。
事实上也可以直接求解u、v、w、T等原始变量，这种形式的方程被称为非守恒形式，因为这些变量并不守恒。
也可以根据具体的流动状况进行简化。
(计算流体力学概述)CFD仿真 3月20日309计算流体力学概述流体力学，是研究流体（液体和气体）的力学运动规律及其应用的学科。
主要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支。
流体力学是力学的一个重要分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。
在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。
计算流体力学的发展计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics）简写为CFD，是20世纪60年代起伴随计算科学与工程（Computational Science and Engineering, 简称CSE）迅速崛起的一门学科分支，经过半个世纪的迅猛发展，这门学科已经是相当的成熟了，一个重要的标志就是近几十年来，各种CFD通用软件的陆续出现，成为商品化软件，服务于传统的流体力学和流体工程领域，如航空、航天、船舶、水利等。
随着CFD通用软件的性能日益完善，应用的范围也不断的扩大，在化工、冶金、建筑、环境等相关领域中也被广泛应用。
现代流体力学研究方法包括理论分析，数值计算和实验研究三个方面。
这些方法针对不同的角度进行研究，相互补充。
理论分析研究能够表述参数影响形式，为数值计算和实验研究提供了有效的指导；试验是认识客观现实的有效手段，验证理论分析和数值计算的正确性；计算流体力学通过提供模拟真实流动的经济手段补充理论及试验的空缺。
更重要的是，计算流体力学提供了廉价的模拟、设计和优化的工具，以及提供了分析三维复杂流动的工具。
在复杂的情况下，测量往往是很困难的，甚至是不可能的，而计算流体力学则能方便的提供全部流场范围的详细信息。
与试验相比，计算流体力学具有对于参数没有什么限制，费用少，流场无干扰的特点。
出于计算流体力学如此的优点，我们选择它来进行模拟计算。
简单来说，计算流体力学所扮演的角色是：通过直观地显示计算结果，对流动结构进行仔细的研究。
计算流体力学在数值研究大体上沿两个方向发展，一个是在简单的几何外形下，通过数值方法来发现一些基本的物理规律和现象，或者发展更好的计算方法；另一个则为解决工程实际需要，直接通过数值模拟进行预测，为工程设计提供依据。
理论的预测出自于数学模型的结果，而不是出自于一个实际的物理模型的结果。
计算流体力学是多领域较差的学科，涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析等，这些学科的交叉融合，相互促进和支持，推动了学科的深入发展。
CFD方法是对流场的控制方程用计算数学的方法将其离散到一系列网格节点上求其离散的数值解的一种方法。
控制所有流体流动的基本定律是：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。
由它们分别导出连续性方程、动量方程（N-S方程）和能量方程。
应用CFD方法进行平台内部空气流场模拟计算时，首先需要选择或者建立过程的基本方程和理论模型，依据的基本原理是流体力学、热力学、传热传质等平衡或守恒定律。
由基本原理出发可以建立质量、动量、能量、湍流特性等守恒方程组，如连续性方程、扩散方程等。
这些方程构成连理的非线性偏微分方程组，不能用经典的解析法，只能用数值方法求解。
求解上述方程必须首先给定模型的几何形状和尺寸，确定计算区域并给出恰当的进出口，壁面以及自由面的边界条件。
而且还需要适宜的数学模型及包括相应的初值在内的过程方程的完整数学描述。
求解的数值方法主要有有限差分法（FDM）和有限元（FEM）以及有限分析法（FAM），应用这些方法可以将计算域离散为一系列的网格并建立离散方程组，离散方程的求解是由一组给定的猜测值出发迭代推进，直至满足收敛标准。
常用的迭代方法有Gauss-Seidel迭代法、TDMA方法、SIP法及LSORC法等。
利用上述差分方程及求解方法既可以编写计算程序或选用现有的软件实施过程的CFD模拟。
CFD分析过程进行CFD分析的一般过程如下所示：1、将流动问题表示为表达式分析的第一步是通过寻求以下问题的答案进将流动问题表示为表达式。
——分析的目的是？——达到这些目的最简单的途径是？——包含怎样的几何？——来流和工作状态是怎样的？——该使用何种空间模型（一维、准一维、二维，轴对称还是三维？）——流域是怎样的？——该使用何种时间模型？（定常或非定常）——流动的粘性情况（无粘、层流还是湍流）——该使用何种气体模型？2、建立几何与流域的模型进行流动分析的对象需进行建模。
一般涉及CAD软件几何造型。
付出合理的努力进行分析需要进行几何模型近似与简化。
于此同时，应该对实施仿真的流域范围做一个确定。
流域的部分边界应与几何模型曲面保持一致。
其他曲面是自由边界，在自由边界上，流体流入或者流出。
几何模型和流域以这样的方式建模，然后用于网格生成。
这样，建模过程通常需要考虑网格生成的结构和拓扑。
3、设置边界条件与初始条件当流域确定了的时候，需要给流域边界指定物理条件。
仿真一般开始于初始条件，然后通过迭代的方式得到流场的最终解。
4、网格生成流域离散成为网格。
网格生成包括结构和拓扑确定，然后在该拓扑上生成网格。
目前所有的案例都涉及多块网格和结构网格。
然而，这些网格块可能是对接的，连续的，非连续的或者重叠的。
网格必须满足最低的网格质量要求，如正交性（尤其是在边界上），相对网格间距（最大值不能超过15%到20%），网格扭曲率等等。
最大的网格间距应该与流场重要特征的分辨率一致。
边界层分辨率要求沿着物面法向的第一层网格点应恰好落在边界层的层流层内。
对于湍流流动，沿着物面法向的第一层网格点必须满足y+<1的要求。
5、设置求解策略执行仿真的策略包括以下内容：使用什么空间推进和时间推进方式，湍流或者化学模型的选择，算法的选择等。
6、设置输入参数和文件CFD程序通常需要给定输入文件，输入文件的内容是与既定策略一致的输入参数值的列表。
此外，还需要包含边界条件信息的网格文件。
7、执行仿真仿真可以通过图形界面、批处理或者分布式的方式进行。
8、监视仿真直至完成当仿真进行的时候，监测求解过程以确定是否得到了收敛的解，该解是一个迭代收敛解。
9、后处理得到结果后处理的过程是从流场中提取出想获得的流场特性（如推力、升力、阻力等）的过程。
10、对结果进行比较将求解得到的流场特性与理论分析、计算或者试验研究得到的结果进行比较，验证计算结果的可靠性。
11、重复上述过程，评价敏感性为了了解计算结果精度可能的差异和与以下因素相关的计算表现，必须评价计算结果的敏感性。
如：维度、流场条件、初始条件、推进策略、算法、网格拓扑和密度、湍流模型、化学模型、通量模型、人工粘性、边界条件和计算机系统等。
12、归档将以上的分析整理成文档。
数值模拟方法和分类在运动CFD方法对一些实际问题进行模拟时，常常需要设置工作环境，设置边界条件和选择算法等，特别是算法的选择，对模拟的效率及其正确性有很大的影响，需要特别的重视。
要正确设置数值模拟的条件，有必要了解数值模拟的过程。
随着计算机技术和计算方法的发展，许多复杂的工程问题都可以采用区域离散化的数值计算并借助计算机得到满足工程要求的数值解。
数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要动力之一。
区域离散化就是用一组有限个离散的点来代替原来连续的空间。
实施过程是把所计算的区域划分成许多许多互不重叠的子区域，确定每个子区域的节点位置和该节点所代表的控制体积。
节点是指需要求解的未知物理量的几何位置、控制体积、应用控制方程或守恒定律的最小几何单位。
一般把节点看成控制体积的代表。
控制体积和子区域并不总是重合的。
在区域离散化过程开始时，由一系列与坐标轴相应的直线或曲线簇所划分出来的小区域成为子区域。
网格是离散的基础，网格节点是离散化物理量的存储位置。
常用的离散化方法有有限差分法、有限元法和有限体积法。
对这三种方法分别介绍如下。
•有限差分法有限差分法是数值解法中最经典的方法。
它是将求解区域划分为差分网格，用于有限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分方程（控制方程）的导数用差商代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。
该方法的产生和发展比较早，也比较成熟，较多用于求解双曲线和抛物线型问题。
用它求解边界条件复杂，尤其是椭圆型问题不如有限元法或有限体积法方便。
构造差分的方法有多种形式，目前主要采用的是泰勒级数展开方法。
其基本的差分表达式主要有四种形式：一阶向前差分、一阶向后差分、一阶中心差分和二阶中心差分等，其中前两种格式为一阶计算精度，后两种格式为二阶计算精度。
通过对时间和空间这几种不同差分格式的组合，可以组合成不同的差分计算格式。
•有限单元法有限单元法是将一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微小单元，并于各小单元分片构造插值函数，然后根据极值原理（变分或加权余量法），将问题的控制方程转化为所有单元上的有限元方程，把总体的极值作为各单元极值之和，即将局部单元总体合成，形成嵌入了指定边界条件的代数方程组，求解该方程组就得到各节点上待求的函数值。
对椭圆型问题有更好的适应性。
有限元求解的速度比有线差分法和有线体积法慢，在商用C FD软件中应用并不广泛。
目前常用的商用CFD软件中，只有FIDAP采用的是有线单元法。
•有线体积法有线体积法又称为控制体积法，是将计算区域划分为网格，并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积，将待解的微分方程对每个控制体积积分，从而得到一组离散方程。
其中的未知数是网格节点上的因变量。
子域法加离散，就是有限体积法的基本思想。
有限体积法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解释。
离散方程的物理意义，就是因变量在有限大小的控制体积中的守恒原理，如同微分方程表示因变量在无限小的控制体积中的守恒原理一样。
有限体积法得出的离散方程，要求因变量的积分守恒对任意一组控制集体都得到满足，对整个计算区域，自然也得到满足，这是有限体积法吸引人的优点。
有一些离散方法，例如有限差分法，仅当网格极其细密时，离散方程才满足积分守恒；而有限体积法即使在粗网格情况下，也显示出准确的积分守恒。
就离散方法而言，有限体积法可视作有线单元法和有限差分法的中间产物。
三者各有所长。
•有限差分法：直观，理论成熟，精度可选，但是不规则区域处理繁琐，虽然网格生成可以使有限差分法应用于不规则区域，但是对于区域的连续性等要求较严。
使用有限差分法的好处在于易于编程，易于并行。
•有限单元法：适合于处理复杂区域，精度可选。
缺点是内存和计算量巨大，并行不如有限差分法和有限体积法直观。
•有限体积法：适用于流体计算，可以应用于不规则网格，适用于并行。
但是精度基本上只能是二阶。
有线单元法在应力应变，高频电磁场方面的特殊优点正在被人重视。
计算流体力学应用领域近十多年来，CFD有了很大的发展，替代了经典流体力学中的一些近似计算法和图解法，过去的一些典型教学实验，如Reynolds实验，现在完全可以借助CFD手段在计算机上实现。
