計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)是質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒的物理定律--"納維-斯托克斯方程"。此外，還使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來描述表面上的湍流或熱傳播。

納維-斯托克斯方程 "早在 19 世紀(jì)上半葉就描述了水或空氣等摩擦流體的行為，是一個(gè)二階非線性偏微分方程系統(tǒng)，由 CFD 程序迭代求解。解方程需要成千上萬的體積或計(jì)算箱，稱為箱體模型。建模可以是二維或三維的，靜態(tài)或非靜態(tài)的。直接數(shù)值建模是在氣流的任意點(diǎn)、所有方向和所有時(shí)間直接同步求解 "納維-斯托克斯方程"。這種程序很快就能達(dá)到幾十億個(gè)計(jì)算單元，超過了當(dāng)今計(jì)算機(jī)的承受能力，而且僅限于少數(shù)例外情況。

目前，最常見的程序是使用 RANS(雷諾平均納維-斯托克斯)方法建立湍流模型，該方法用兩個(gè)方程描述動(dòng)能和各向同性耗散率，并提供相當(dāng)精確的結(jié)果。數(shù)值模擬不僅包括氣流，還包括熱相互作用和其他物理相互作用。

一、模擬的4個(gè)步驟

為了求解偏微分方程，通常使用 "有限體積法"(FVM)。研究部分被轉(zhuǎn)換成一系列單元或控制體積。每個(gè)單元都受質(zhì)量、動(dòng)量和能量方程控制。

1.幾何準(zhǔn)備

研究氣流的空間情況由 "3D-CAD "程序表示，該程序與計(jì)算 CFD 方程的軟件具有接口或交換格式。CAD 模型的所有相鄰表面都有字母數(shù)字標(biāo)識符，并作為邊界條件接地。

2.幾何關(guān)聯(lián)--選擇控制體積

觀察到的內(nèi)部體積由四面體、六面體或其他參考實(shí)體填充。要?jiǎng)?chuàng)建這些控制體積，必須遵守某些規(guī)則：長寬比不得超過 1:5，否則會(huì)導(dǎo)致模擬條件不穩(wěn)定。此外，所有邊界條件都要在這一步中定義。其中包括灌注體積的表面紋理、入口和出口孔或被測流體(通常為空氣)的溫度。

3.數(shù)值求解

成功計(jì)算的前提是選擇合適的流動(dòng)模型。必須區(qū)分流動(dòng)的類型和形狀(靜止/非靜止/層流/湍流)、導(dǎo)體類型(管道、通道等)和流體類型(摩擦/粘性)。偏微分方程的數(shù)值逼近過程是迭代求解。當(dāng)達(dá)到一定的近似誤差時(shí)，過程結(jié)束。為了驗(yàn)證求解結(jié)果，通常會(huì)調(diào)用物理模型的參數(shù)。

4.結(jié)果評估

模擬結(jié)果的輸出通常是質(zhì)量流量圖或函數(shù)圖，以坐標(biāo)軸顯示結(jié)果參數(shù)(如流量或壓力)，以橫座標(biāo)顯示位置或時(shí)間。特別是二維或三維彩色圖，它是一種生動(dòng)的彩色圖，顯示研究區(qū)域內(nèi)流體的壓力或流速的各種顏色。當(dāng)然，您還可以將結(jié)果制作成動(dòng)畫，編輯成視頻短片，盡可能生動(dòng)地展示三維流動(dòng)過程。

二、CFD 的優(yōu)缺點(diǎn)

數(shù)值模擬不能也不應(yīng)取代真實(shí)條件下的實(shí)驗(yàn)。兩者都有助于盡可能準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地預(yù)測規(guī)劃設(shè)施或建筑中的預(yù)期流動(dòng)過程，或優(yōu)化現(xiàn)有過程。在某些情況下，模擬可以作為物理實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，但在目前，模擬可以取代許多其他實(shí)驗(yàn)。

1.虛擬 CFD 實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢

a.可單獨(dú)考慮特定的物理邊界條件或影響。

b.模擬可提供每個(gè)(模型)點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)，而實(shí)驗(yàn)只能提供選定的幾個(gè)點(diǎn)。

c.可收集到許多實(shí)驗(yàn)中無法獲得的流動(dòng)參數(shù)。

d.在規(guī)劃過程的早期階段模擬不同的原型，可以為后續(xù)規(guī)劃快速收集信息。

e.與實(shí)驗(yàn)相比，模擬有助于更好地理解問題。

f.成本通常比實(shí)驗(yàn)低得多。

2.虛擬 CFD 實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)

a.由于簡化了流動(dòng)模型或邊界條件，可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

b.由于每個(gè)單元的計(jì)算值過少以及由此產(chǎn)生的插值誤差，可能會(huì)帶來不確定性。

c.對于大型模型，計(jì)算時(shí)間可能會(huì)延長。

d.與實(shí)驗(yàn)相比，由于建議不正確，成本可能會(huì)高得多。

在考慮和分析了這些缺點(diǎn)后，可以看出模擬程序的好壞在很大程度上取決于用戶。要獲得有用、有效的模擬結(jié)果，需要大量的經(jīng)驗(yàn)和知識。關(guān)于 CFD 還是物理實(shí)驗(yàn)更可取的建議應(yīng)該是中立的，只受結(jié)果責(zé)任的影響。

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