什么是CFD

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什么是CFD

作者: 来源: 发布日期歌剧的魔咒:2005-4-10 点击次数: 1665

什么是CFD？简单地说，CFD就是利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。因问题的不同，CFD技术也会有所差别，如可压缩气体的亚音速流动、不可压缩气体的低速流动等。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，故可将其看作不可压缩流动，不必考虑可压缩流体高速流动下的激波等复杂现象。从此角度而言，此应用范围内的CFD和数值传热学NHT（Numerical Heat Transfer）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HVAC内的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解决。
总体而言，CFD通常包含如下几个主要环节：建立数学物理模型、数值算法求解、结果可视化。可表述为图1所示的过程：

图一面五星红旗教学设计1 CFD的过程示意

3.1 建立数学物理模型

建立数学物理模型是对所研究的流动问题进行数学描述，对于暖通空调工程领域的流动问题而言，通常是不可压流体的粘性流体流动的控制微分方程。另外，由于暖通空调领域的流体流动基本为湍流流动，所以要结合湍流模型才能构成对所关心问题的完整描述，便于数值求解。如下式为粘性流体流动的通用控制微分方程，随着其中的变量f 的不同，如f 代表速度、焓以及湍流参数等物理量时，上式代表流体流动的动量守恒方程、能量守恒方程以及湍流动能和湍流动能耗散率方程。基于该方程，即可求解工程中关心的流场速度、温度、浓度等物理量分布。
　(1)

3.2 数值算法求解

上述的各微分方程相互耦合，具有很强的非线性特征，目前只能利用数值方法进行求解。这就需要对实际问题的求解区域进行离散。数值方法中常用的离散形式有：有限容积，有限差分，有限元。目前这三种方法在暖通空调工程领域的CFD技术中均有应用。总体而言，对于暖通空调领域中的低速，不可压流动和传热问题，采用有限容积法进行离散的情形较多。它具有物理意义清楚，总能满足物理量的守恒规律的特点。离散后的微分方程组就变成了代数方程组，表现为如下形式：
　(2a)
或者：
　(2b)
田中实其中，a为离散方程的系数，f 为各网格节点的变量值，b为离散方程的源项。下标P、E、W、N、S、T和B分别表示本网格、东边网格、西边网格、北边网格、南边网格、上面网格和下面网格处的值，或者以nb表示P的相邻6个节点。
可见，通过离散之后使得难以求解的微分方程变成了容易求解的代数方程，采用一定的数值计算方法求解 (2) 式表示的代数方程，即可获得流场的离散分布。从而模拟关心的流动情况。

3.3 结果可视化

上述代数方程求解后的结果是离散后的各网格节点上的数值，这样的结果不直观，难以为一般工程人员或其他相关人员理解。因此将求解结果的速度场、温度场或浓度场等表示出来就成了CFD里德海司技术应用的必要组成部分。通过计算机图形学等技术，就可以将我们所求解的速度场和温度场等形象、直观地表示出来。如下图2所示即为某会议室侧送风时的速度场和温度场。其中颜的暖冷表示温度高低，矢量箭头的大小表示速度大小。
可见，通过可视化的后处理，可以将单调繁杂的数值求解结果形象直观地表示出来，甚至便于非专业人士理解。如今，CFD的后处理不仅能显示静态的速度、温度场图片，而且能显示流场的流线或迹线动画，非常形象生动。（可在此加一链接至动画演示）

图2a 某会议室侧送风形成的速度分布

图2b 某会议室侧送风形成的温度分布

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