计算流体力学的发展及应用实践

计算流体力学的发展及应用实践

张敏文

新疆屯富热电有限责任公司　新疆　北屯　 836000

摘要：计算流体力学是在数学、流体力学和计算机的交叉基础上产生的一个新型学科，该学科虽然起步比较晚，但是其发展比较快，而且在目前的社会实践中发挥着巨大的作用。对计算流体力学进行分析会发现其自上世界50年代产生以来获得了显著的发展，而且在不同的发展阶段呈现出了不同的特点。对计算流体力学的具体发展进行分析，并对其在目前实践中的具体应用进行分析，这对于计算流体力学的全面认知和生化应用有突出现实价值。文章对计算流体力学的发展和应用实践进行分析，旨在指导当前的计算流体力学应用工作开展。

关键词：计算流体力学；发展；应用

计算流体力学的产生与发展与其实际应用有显著的关系。从具体的分析来看，在上世纪三十年代的时候，为了满足飞机工业发展的需要，在飞机设计实践中使用了流体力学理论。因为当时飞机的飞行速度比较低，所以粘性以及漩涡都可以忽略。在这种情况下，流动的模型是拉普拉斯方程，研究的工作重点也是椭圆形方程的数值解，在时代发展的大环境下，单纯的利用流体力学进行计算已经不能满足实际需要，因此在计算机、数学和流体力学的基础上出现了一个交叉性学科，其便是计算流体力学。计算流体力学的产生与发展对工业设计等产生了显著作用，所以在实践中要积极的研究计算流体力学的发展以及应用。

1. 计算流体力学的发展

对计算流体力学的具体发展进行分析可知其主要经历了两个非常显著的发展阶段，以下是对计算流体力学发展的总结。

第一阶段是20世纪50年代。从20世纪30年代开始，流体力学的理论便在工业生产实践中得到了应用。在发展到50年代的时候，仅仅使用流体力学的方法对复杂的非线性流动现象进行研究比较是无法达到相应目标的，特别是在宇航飞行器绕流流场特性的研究中，流体力学的理论应用已经不能满足实际需要^[1]。在这样的情况下，有学者立足于双曲型方程数学理论基础的时间相关方法进行宇航飞行器气体的定常绕流场问题求解。对这种方法的应用进行分析发现其虽然要花费更多的计算时间，但是因为数学提法适定，由有比较好的理论基础，而且能够模拟流体运动的非定常过程，所以在 60年代的时候，其成为了一种比较广泛的使用方法。在不断的研究和利用中，有学者给出了非定常偏微分方程差分逼近的稳定性理论，这进一步的促进了时间相关方法的发展和应用，同时还出现了针对具体问题而发展的特殊算法。

第二阶段是20世纪80年代之后，计算机硬件技术获得了显著发展，此时的计算机开始在人们的实践活动中发挥作用^[2]。在计算方法不断改进和数值分析理论的发展高精度模拟成为可能，同时结合人类社会实践活动的不断发展，一大批的高新技术产业对计算流体力学提出的新的要求，此时的计算流体力学发展有了新机遇。在这个时期，实践与理论实现了不断的互动，这成为了计算流体力学的一个新热点、新动力，所以计算流体力学获得了显著的发展。其发展主要表现在如下方面：1）在计算模型方面，计算流体力学产生了一些新的模型，比如新的大涡模拟模型等，这些模型对具体的流体力学计算提供了更加有效的参考。2）在计算流体力学的具体应用实践中，流动机制的考虑更加的多元，在多元流动机制的考虑实践中，向异性的非线性湍流研究成为了重点。

对现阶段的计算机流体力学研究进行分析，其热点呈现多样化，具体表现为：1）计算方法的研究；2）涡流运动和湍流；3）网格生成计划以及计算机优化设计；4）计算流体力学的实际问题解决研究。

二、计算流体力学的现实应用

对目前的计算流体力学应用进行分析会发现其已经从最初的航空航天领域实现了不断的扩展，目前，船舶工程、海洋工程、化学、工业设计、城市规划设计等社会实践中均可以看到计算流体力学的身影^[3]。近几年来，计算流体力学在全机流场计算、旋翼计算、航空发动机内流计算等方面获得了广泛的应用。不断扩展的计算流体力学应用范围说明计算流体力学在解决工程实践问题方面具有突出的现实价值。以下是对汽车领域的计算流体力学应用分析。

在20世纪80年代初期，计算流体力学应用与汽车领域的论文才开始出现。在四十年的发展过程中，计算流体力学在汽车领域的应用已经涉及了汽车的车身设计、汽车内部空变矩器、汽车涡轮增压器的压气机等流动现象的研究和计算当中。不仅如此，汽车与发动机中的传热、燃烧以及预测噪声强度等相关问题的解决中，计算流体力学也有显著的应用。

对计算流体力学的具体应用进行分析，要具体研究某一项计算流体力学课题的时候，首先需要强调的便是模型的建立，即基于相关专业知识将问题用数学的方式进行表达，之后在利用计算流体力学的软件等对具体的问题进行求解和分析。对计算流体力学的处理过程进行分析，其主要包括3个重要的阶段：1）前处理。前处理具体包括的内容是几何模型的选取和网格的科学划分。2）求解器

^[4]。求解器具体包括的内容比较多，有计算流体力学方法的控制方程选择，离散方法的选择、数值计算方法的选用等。在确定具体的内容之后进行相关的参数输入。3）后处理。后处理的具体内容包括了速度场、压力场、温度场以及其他参数的计算机可视化以及动画处理等等。对目前计算流体力学在工程实践中的具体利用进行分析，其表现出了几个方面的突出优势，具体为：1）能够更加细致的进行流体的流动、物质的能量转换与船体过程的分析与研究；2）能够更加容易的进行实验条件、参数等的改变，而且可以获取更多的大量传统实验中难以获取的信息数据资料^[5]。3）在整个研究和设计实践中，所花的时间会明显的减少，这实现了汽车设计开发周期的缩短。4）计算流体力学能够在一些无法具体测量的场合情况获取中发挥突出的作用，实现相应数据的预测与分析，从而使整体工作开展的有效性显著提升。

结束语：

综上所述，计算流体力学在目前的社会实践中有着广泛的利用，且对工程设计等产生了显著的效果，因此在实践中，为了深化计算流体力学的应用，必须要对其发展以及应用进行分析。文章对相应的内容进行了分析，总结了计算流体力学的具体发展以及其在实践中的应用，明确了计算流体力学的应用步骤，这为当前实践提供了指导与参考。

参考文献：

1. 吴思佳，董丽，贾培义，等.基于计算流体力学数值模拟的城市绿地温湿效应及室外热舒适评价研究进展[J].风景园林，2019,026(012):79-84.

2. 乔红艳，张龙江.基于影像的计算流体力学在冠状动脉疾病中的研究进展[J]. 国际医学放射学杂志，2019,42(06):49-54.

3. 李天赠，黄丹.基于计算流体力学的游泳动态数值模拟研究进展[J].中国体育科技，2019,55(02):19-28.

4. 王桂芹，郑伯红，余翰武.基于计算流体力学数值模拟的绿地空间布局热环境效应研究[J].铁道科学与工程学报，2019,v.16;No.111(06):165-172.

5. 钟阳，王良明，吴映锋.基于计算流体力学与刚体动力学耦合的高速旋转弹丸弹道计算方法[J].兵工学报，2020(6):1085-1095.