CFD 简介及国内外发展状况.doc

1.1 计算流体力学的起源
计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）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做的分析。他作为流体力学的一个分支产生于第二次世界大战前后，在20 世纪60年代左右逐渐形成了一门独立的学科【1】。总的来说随着计算机技术及数值计算方法的发展，我们可以将其划分为三个阶段：
第一，初始阶段（1965～1974），这期间的主要研究内容是解决计算流体力学中的一些基本的理论问题，如模型方程（湍流、流变、传热、辐射、气体－颗粒作用、化学反应、燃烧等）、数值方法（差分格式、代数方程求解等）、网格划分、程序编写与实现等，并就数值结果与大量传统的流体力学实验结果及精确解进行比较，以确定数值预测方法的可靠性、精确性及影响规律。同时为了解决工程上具有复杂几何区域内的流动问题，人们开始研究网格的变换问题，如Thompson, Thams和Mastin提出了采用微分方程来根据流动区域的形状生成适体坐标体系，从而使计算流体力学对不规则的几何流动区域有了较强的适应性，逐渐在CFD中形成了专门的研究领域：“网格形成技术”。
第二，工业应用阶段(1975～1984年)，随着数值预测、原理、方法的不断完善，关键的问题是如何得到工业界的认可，如何在工业设计中得到应用，因此，该阶段的主要研究内容是探讨CFD在解决实际工程问题中的可行性、可靠性及工业化推广应用。同时，CFD技术开始向各种以流动为基础的工程问题方向发展，如气固、液固多相流、非牛顿流、化学反应流、煤粉燃烧等。但是，这些研究都需要建立在具有非常专业的研究队伍的基础上，软件没有互换性，自己开发，自己使用，新使用的人通常需要花相当大的精力去阅读前人开发的程序，理解程序设计意图，改进和使用。1977年，Spalding等开发的用于预测二维边界层内的迁移现象的GENMIX程序公开，其后，他们首先意识到公开计算源程序很难保护自己的知识产权，因此，在1981年，组建的CHAM公司将包装后的计算软件（PHONNICS－凤凰）正式投放市场，开创了CFD商业软件的先河，但是，在当时，该软件使用起来比较困难，软件的推广并没有达到预期的效果。我国80年代初期，随着与国外交流的发展，科学院、部分高校开始兴起CFD的研究热潮。
第三，快速发展阶段（1984至今），CFD在工程设计的应用以及应用效果的研究取得了丰硕的成果，在学术界得到了充分的认可。同时Spalding领导的CHAM公司在发达国家的工业界进行了大量的推广工作， Patankar也在美国工程师协会的协助下，举行了大范围的培训，皆在推广应用CFD，然而，工业界并没有表现出太多的热情。1985年的第四界国际计算流体力学会议上，Spalding作了CFD在工程设计中的应用前景的专题报告，在该报告中他将工程中常见的流动、传热、化学反应等过程分为十大类问题，并指出CFD都有能力加以解决，分析了工业界不感兴趣，是因为软件的通用性能不好，使用困难。如何在CFD的基础研究与工程开发设计研究之间建立一个桥梁?如何将研究结果为高级工程设计技术人员所掌握，并最大限度地应用于工程咨询、工程开发与设计研究?这正是本时期应用基础研究所追求的目标。此后，随着计算机图形学、计算机微机技术的快速进步，CFD的前后处理软件得到了迅速发展，如GRAPHER，GRAPHER TOOL，ICEM－CFD等等。
1.2 计算流体力学的基本原理
任何流体运动的规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律为基础的。这些基本定律可由数学方程组来描述，计算流体力学可以看做是在流动基本方程，控制下对流体的数值仿真模拟。通过这些数值模拟，我们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，以及这些量随时间变化的情况，确定是否产生涡流，涡流分布特性及脱流区域等。
计算流体力学以理论流体力学和计算数学为基础，是这两门学科的交叉学科。主要研究把描述流体运动的连续介质数学模型离散成大型代数方程，建立可在计算机上求解的算法。广义而言，可从流体现象出发，直接建立满足流动规律的、适当的离散数值模型，而不必经由已有的流体力学偏微分方程组。通过时空离散化，把连续的时间离散成间断的有限的时间。把连续的介质离散成间断有限的空间模型，从而把偏微分方程转变成有限的代数方程。因此，数值方法的实质就是离散化和代数化。离散化—把无限信息系统变成有限信息系统；代数化—把偏微分方程变成代数方程。而离散的数值解一般可用两种形式给出：网格点上的近似值，如差分法；单元中易于计算的近似表达式，如有限元、边界元法。
CFD包括对各种类型的流体（气体、液体及特殊情况下的固体），在各种速度范围内的复杂流动在计算机上基进行数值模拟的计算。它涉及用计算机寻求流动问题的解和流体动力学研究中计算机的应用两方面问题。计算机科学及超级计算机的发展为CFD技术的发展提供了舞台。
1.3 计算流体力学在国内外的应用
目前，计算流体力学主要应用于热能动力、航空航天、机械、土木水力、环境化工等工程领域，近些年，暖通空调行业也日益成为CFD技术应用的重要领域。
1.3.1 计算流体力学在国外的应用
在欧美等发达国家，自二十世纪六十年代以来CFD技术已得到飞速发展。其发展的原动力是不断增长的工业需求，而航空航天工业自始至终是最强大的推动力。传统飞行器设计方法试验昂贵、费时，所获信息有限，迫使人们需要用先进的计算机仿真手段指导设计，大量减少原型机试验，缩短研发周期，节约研究经费。四十年来，CFD在湍流模型、网格技术、数值算法、可视化、并行计算等方面取得飞速发展，并给工业界带来了革命性的变化。如在汽车工业中，CFD和其它计算机辅助工程（CAE）工具一起，使原来新车研发需要上百辆样车减少为目前的十几辆车；国外飞机厂商用CFD取代大量实物试验，如美国战斗机YF-23采用CFD进行气动设计后比前一代YF-17减少了60％的风洞试验量。目前在国外，在航空、航天、汽车等诸多工业领域，利用CFD进行的反复设计、分析、优化已成为标准的必经步骤和手段。

1.3.2 计算流体力学在国内的应用
计算流体力学进入我国时间较短，但其已在我国众多领域获得了广泛的应用。其中航天、航空、船舶、汽车、核电是资深的CFD应用领域【7】，例如在航天方面，载人航天工程、新一代运载火箭的研制等都大大的依赖于CFD技术，我国第一架喷气涡扇式支线飞机的研制就是CFD在我国应用的典范；在船舶方面，据有关材料说上海到2015年总造船能力要达到120万吨，这样巨大的任务必须依托CFD才能完成；汽车方面，随着全球汽车制造向中国的转移，汽车研发能力开始提上日程，处于综合成本的考虑，这些企业都在寻求外部高性能计算，最终必须依赖CFD。
目前，采用通用成熟的商业CFD软件进行日常设计分析工作已成为众多企业不可或缺的一部分。以我国的上海为例，在电子工业、市政建设工程、环保、建筑、机电成套设备工业和其他工业领域都相继引入CFD作为基本设计分析手段。如在电子工业中采用CFD进行散热分析，在市政工程中采用CFD进行通风、火灾泥沙淤积模拟，在机电成套设备工业中应用CFD进行水轮机、汽轮机等旋转机械设计和锅炉等燃烧器燃烧流动分析，在环保中应用CFD进行水系污染模拟，在注塑、模具、炼钢中应用CFD进行非牛顿流体过程分析等等。
随着CFD应用的不断深入，我国高校和科研院所也开始对其加大研究，比如目前西北工业大学与中航商用飞机有限公司联合进行的机翼颤振分析软件的并行化开发，上海交通大学开发的气动优化设计分析软件和具有自主知识产权的CFD平台。
1.4 计算流体力学在暖通空调方面的应用
1.4.1 计算流体力学在暖通空调方面的应用概况
计算流体力学在暖通空调领域的应用最早可以追溯到1974年，当时丹麦的 Nielsen 首次将CFD用于暖通空调 (HVAC) 工程领域【6】，对通风房间内的空气流动进行模拟。简单地说，CFD相当于"虚拟"地在计算机上做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况，故CFD是现代模拟仿真技术的一种。它在暖通空调(HVAC)工程中的应用，主要在于模拟预测室内外或设备内的空气或其他工质流体的流动情况。相比传统的模型实验和经验公式预测液体的流动和传热而言，CFD技术具有成本低、速度快、资料完备等优点。故其逐渐受到人们的青睐，尤其是随着计算机技术和数值模拟技术的发展，CFD已被广泛应用于解决工程中的实际问题。CFD方法可应用于对室内空气分布情况进行模拟和预测，从而得到房间内速度、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细分布情况。
CFD 用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术，这其中将涉及流体力学（尤其是湍流力学）、计算方法乃至计算机图形处理等技术。对于暖通空调领域内的流动问题，多为低速流动，流速在10m/s以下；流体温度或密度变化不大，可看作不可压缩流动。从此角度而言，此应用范围内的 CFD 和数值传热学等同。另外，暖通空调领域内的流体流动多为湍流流动，这又给解决实际问题带来很大的困难。由于湍流现象至今没有完全得到解决，目前暖通空调中的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解决。
HVAC领域的流动问题满足连续性方程，动量方程和能量方程，通常用不可压流体的粘性流体流动的控制微分方程。又因为HVAC领域的流体流动基本为湍流流动，所以从工程应用的角度而言，需要采用适当的湍流模型模拟湍流流动才能实现对所研究问题的完整描述，以便于数值求解。目前在房间空气流动中最普遍采用的是 k − e 模型，它属于两方程模型．对于一般工程，也可采用新的零方程模型。
CFD在HVAC工程中的具体应用主要有：
第一，通风空调空间气流组织设计。通风空调空间的气流组织设计是通风空调系统的关键，合理的气流组织可以达到满意的空调效果，并且节省能源。借助CFD可以预测仿真空调房间内的空气分布详细情况，可以指导气流组织的设计。
第二，建筑外环境对建筑内部居住者的生活有着重要的影响，所谓的建筑小区二次风、小区热环境等问题日益受到人们的关注。采用CFD方法对建筑外来流风绕流作用下的风环境进行模拟，可以了解建筑室外环境的优劣，指导自然通风设计，从而设计出合理的建筑风环境。而且，通过模拟建筑外环境的风流动情况，还可进一步指导建筑内的自然通风设计等。
第三，建筑设备性能的研究改进。暖通空调工程的许多设备内的流动和传热也是 HVAC 领域中常见的问题。借助 CFD 可以对风机、蓄冰槽、空调器、冷藏柜等建筑设备内的流体流动和传热问题进行数值分析，模拟计算设备内部的流体流动情况，可以研究设备性能，从而改进其更好地工作，降低建筑能耗，节省运行费用。
1.4.2 我国应用CFD研究暖通空调的现状
目前我国在暖通空调方面的研究主要可分为两方面：基础研究和应用研究。
第一，基础研究方面，现状如下，(1)室内空气流动的简化模拟：从描述空调风口入流边界条件的方法、湍流模型等方面进行研究，以对室内空气流动进行简化模拟；清华大学，研究空调风口入流边界条件的新方法、湍流模型以及数值算法，建立室内空气流动数值模拟的简捷体系；(2)室内外空气流动的大涡模拟：研究大涡模拟这一高级湍流数值模拟技术在室内外空气流动模拟中的应用，目前已经开始尝试用于建筑小区和自然通风模拟等；(3)室内空气流动模拟和建筑能耗的耦合模拟：通过将简化的 CFD 模拟方法和建筑能耗计算耦合对建筑环境进行设计。
第二，应用研究方面，(1)自然通风的数值模拟：香港大学等，主要借助大涡模拟工具研究自然通风问题；(2)置换通风的数值模拟：清华大学等，如地板置换通风、座椅送风等；(3)高大空间的数值模拟：清华大学等，以体育场馆为主的高大空间的气流组织设计及其与空调负荷计算的关系研究；(4) VOC散发的数值模拟：借助CFD 研究室内有机散发污染物在室内的分布，研究室内IAQ问题；(5)洁净室的数值模拟：清华大学等；对型式比较固定的洁净室空调气流组织形式进行数值模拟，指导工程设计。