本节书摘来异步社区《精通CFD工程仿真与案例实战---FLUENT GAMBIT ICEM CFD Tecplot》一书中的第1章，第1.1节，作者：*飞,徐敏义,王飞飞，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

1.1 计算流体力学概述

精通CFD工程仿真与案例实战---FLUENT GAMBIT ICEM CFD Tecplot

1.1.1 计算流体力学的基本思想和本质

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是通过计算机进行数值模拟，分析流体流动和传热等物理现象的技术。通过CFD技术，我们可利用计算机分析并显示流场中的现象，从而能在较短的时间内预测流场。CFD模拟能帮助理解流体力学问题，为实验提供指导，为设计提供参考，从而节省人力、物力和时间。

根据流体力学知识，自然界所有的流动现象都可以用两个方程来描述：连续性方程（即质量守恒方程）和Navier-Stokes方程（即动量守恒方程）。理论上，如果已知某一时刻流场的参数（如速度分布），将之设为初值，然后代入这两个方程中直接求解，即可求得任一时刻任一地点流场的参数。然而，基于Navier-Stokes方程本质的非线性以及边界条件处理的困难，除少数简单的问题外，解析和数值求解Navier-Stokes方程都是极具挑战性的任务。证明Navier-Stokes方程解的存在性与光滑性仍是美国克雷数学研究所（Clay Mathematics Institute）悬赏100万美元征解的世纪难题。

实际上对于湍流，如果直接求解三维非稳态的控制方程，将对计算机的内存和CPU要求非常高，目前还无法应用于工程计算。工程中，为降低计算过程对内存和CPU的要求，将非稳态的Navier-Stokes方程对时间做平均处理，期望得到对时间做平均化的流场。但Navier-Stokes方程对时间做平均处理后，控制方程组并不封闭（即方程组的未知数大于方程数），因此需要人为构造额外的方程，使方程组封闭，这个构造额外方程的过程就是建立湍流封闭模式，即建立湍流模型的过程。这样处理后的时均化的控制方程采用目前的计算机求解速度已可以接受，可应用于工程问题的计算。这就是当前商业软件（如FLUENT、CFX和STAR-CD等）广为采用的CFD处理方法。

因此，从根本上来讲，CFD求解的本质就是解方程。比如，如果只求解流场（不考虑温度场），则将连续性方程和Navier-Stokes方程联立求解即可。但是这里的方程数虽是两个，但未知数的数目大于2，因此无法求解，必须加入新的方程，使方程式的数目等于未知数的数目。这样加入的新的方程就是人为进行的假设处理，也就是对物理现象建立了模型，即建模。所以，CFD的本质就是解方程，针对具体的物理流动现象选用合适的模型，然后求解方程并得出速度场等 结果。

1.1.2 计算流体力学的优势

计算流体力学是流体力学的一个分支。当前，研究流体力学问题有3类方法，即实验分析、理论分析和CFD模拟。

实验测量的结果较为真实可信，它是研究流体力学问题的基础。CFD新算法的提出和理论分析的结果都需要具体实验的验证。目前，实验测量仍是研究流体力学问题的重要方法。然而，实验测量耗时长、成本高，而且往往由于测量方法的限制，测量设备难免会对真实流场造成干扰，从而使从实验设备（如风洞）中获得某些细部数据也较为困难。

理论分析的结果一般具有普遍性，从而为实验设计和新CFD算法提供了理论基础。目前，流体力学问题，尤其是湍流问题，机理方面的进展十分缓慢，但每一次湍流新理论的提出都伴随着湍流研究的新进展，例如，普朗特的边界层理论，克罗格洛夫的3/5理论等。但是，要对湍流这个复杂的随机流动过程提出新的机理方面的解释，也十分困难。

CFD克服了实验测量和理论分析的某些缺点，如CFD方法成本低，耗时短，获得流场中的数据比较容易。在计算机上进行一次CFD分析，就好比在计算机上进行了一次虚拟的流体力学实验。如果采用的CFD方法合理可信，CFD分析就可在省时又省力的情况下对流动过程进行准确的预测。然而，目前CFD方法还没有标准。对某种流动现象采用什么模型、什么网格、什么方法处理，还没有形成标准化的处理方法（只有推荐方法）。因此，一方面应该把CFD看成一种研究手段、一个工具，将CFD技术与实验测量、理论分析结合起来，发挥分析人员的主观能动性，才可能比较顺利地解决问题；另一方面，CFD分析人员应该加强CFD基本理论的学习和应用经验的积累，提高职业水平，合理充分地使用好这个强大的工具。

总而言之，流体力学的3类分析方法（理论分析、实验测量和CFD模拟）各有优势，不能武断地认为CFD未来的发展会取代实验和理论分析，CFD虽然克服了实验和理论分析方面的某些劣势，但其也只是研究流动问题的手段之一，三者应该相辅相成、相互补充，同为研究流动问题服务。

1.1.3 CFD学科诞生与工程化背景

计算流体力学近20年来得到了飞跃的发展，其与计算物理、计算化学、计算力学一样，都是计算科学领域的学科。随着近几十年计算机技术的进步，计算速度有了飞速的提高，从而使用计算机对工程现象进行数值模拟分析逐渐成为可能。流体力学工程者也注意到了计算条件的飞速发展，从而开发和发展了适合当前计算机处理速度的湍流模型和计算方法。目前，学术界、工业界都已公认CFD是解决流动和传热相关问题强有力的工具。因此，CFD学科的发展与计算速度的进步是密不可分的。正是计算速度的大幅提升，刺激了CFD技术的快速发展，也由于CFD技术的进步，使利用超级计算机、工作站等精确求解实际工程问题成为了可能。

1.1.4 计算流体力学的应用领域

流体动力学应用如今已遍及航空航天、船舶、能源、石油、化工、机械、制造、汽车、生物、水处理、火灾安全、冶金、环境等众多领域。从高层建筑结构通风到微电机散热，从发动机、风扇、涡轮、燃烧室等旋转机械到整机外流气动分析，可以认为只要有流动存在的场合，都可以利用计算流体力学进行分析。具体的工程应用场合包括但不限于以下行业。

汽车与交通行业：分析行驶中的汽车外流场、两车相撞过程、地铁进站过程、车用空调效果等。
航空航天：飞机外流场、机翼设计、导弹发射过程等。
土木与建筑：建筑群风场、计算风工程、风荷载对建筑的影响、室内气流组织、排烟、隧道通风等。
热科学与热技术：电子仪器的散热分析、传热与流动过程、工业换热器、导热过程、辐射换热过程等。
热能工程、化工及冶金行业：燃烧过程的分析、加热炉与锅炉的模拟、工业窑炉的工作过程、钢水铸造过程模拟等。
流体机械：水轮机、风机与泵等流体机械内部流动分析。
环境工程：河流中污染物的扩散、工厂排放污染物在气体中的扩散、污水处理工厂设计等。
舰船领域：舰船推进器非稳态流动分析等。
生物技术行业：血管血液流动过程模拟、旋转生物反应器内多相流的模拟等。
这些问题过去主要靠经验与实验获得设计参考，而今可采用CFD技术提供更快捷、全面的解决方案，而且这些领域还在迅速扩展，可以认为只要有流动、传热、化学反应、相变存在的过程，都可以尝试利用CFD进行模拟分析。