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CFD分析

作者:管理员    发布于:2013-03-15 10:22:56    文字:【】【】【
    目前,流体力学的研究和分析手段分为理论分析、实验研究及数值计算三种。理论分析的方法是在研究流体运动规律的基础上,建立各种简化的流动模型,形成描述流动的各类型控制方程;在一定假设和条件下,经过解析推导及
运算,得到问题的解析解或简单解。
    长期以来,实验研究一直是流体动力学的主要研究手段,其原理是利用相对运动原理,建立地面实验设备,如水洞、水槽、风洞、激波管等获得相关数据。但是,实验研究一般是在模拟条件下完成的,几乎所有的地面实验设备都
不能完全满足所有相似参数、相似定律要求,而且实验除了存在洞壁效应、支架干扰、测量误差等外,还存在高超声速流动中真实气体的非平衡效应等很难模拟的因素,所以实验研究也受到不少限制。一般来说,实验研究周期长、费
用高.
    计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics),简称CFD.它是利用计算机和数值方法求解满足定解的流体动力学方程,以获得流动规律和解决流动问题的专门学问。计算流体动力学作为一门专门学科,大约是20世纪60年代形
成的。现在CFD已深入到与流动有关的技术领域。
    计算流体动力学主要研究五个方面的内容:
    1)计算机:这是进行流体计算研究必须具备的工具。当今并行计算机已大量出现,它的设计和运行与计算流体动力学的内容有密切关系;
    2)网格:在进行流体计算时,把流场划分成网格是必经的步骤,在此基础上,流动方程才可能被离散。现在网格生成已成为一个专门学问,贴体网格生成技术、重叠网格技术、搭接网格技术、结构和非结构混合网格技术等;
    3)方法:狭义理解,是指流体动力学方程的求解方法以及定解条件的处理方法.广义说法还包含建立流动方程和定解条件,及形成被计算的数学问题的方法。例如在气体动力学中已发展了有限差分法、有限元法、谱方法和样条
函数法;
    4)机理:利用CFD解决流动问题,特别是复杂流动问题,给出大量数据,从这大量数据中找出流动机理和规律:
    5)做图:把计算结果按需要做出静态的或动态的图形或图像.
    2.发展现状
    CFD的起源于2。世纪初,英国气象学家L. F. Richard son使用离散中心格式模拟流体运动,1928年R.Courant等开创了稳定性研究。
    一般可以将求解Eule访程和N-S方程的计算方法分为两个大类:上风格式和中心格式。上风格式及其变种,是今天CFD中应用最广、最受欢迎的方法.1952年,Couran塔首先开展了Eule仿程的数值计算研究,提出了一阶显式上
风格式。1954年,Lax和Friedrichs也发展了线性对流方程的一阶精度计算方法。1959年Godunov发表了以其名字命名的Godunov-阶上风格式,并由此开辟了通过Riemann间断分解的计算来构造CFD格式,这个直到今天仍是CFD的
研究重点。
    时间推进法的Eule仿程的数值计算是CFD的主要内容,这方面里程碑式的工作是Lax等开创的,Richtmye湘Morton等丰富了其内涵.二阶精度、中心差分的显式Lax-Wendroff格式的提出形成了现在CFD的雏形,该格式后来的
一系列发展和变种成为现在CFD发展的基石。MacCormack格式成为20实际70年代二维定常流动计算的主角。
    20世纪70年代后期至90年代初期,是CFD发展的黄金期。1976年Beam提出的二阶精度隐式中心差分,通过局部线性化方法构造的AF隐式方法。1979年,Van Lee创造性地提出了MUSCL方法,将Godunov等一阶格式通过单调
插值推广到二阶精度,这种“限制器’的差值方法几乎是目前高分辨率格式的通用方法.Stege湘Warming及van Leer分别提出了FVS格式,Steger-Warming格式是将无粘通量矢量按其特征值的符号进行分裂,而van Leer!」按当地马赫
数进行分裂.Roe和Oshe汾别提出了不同近似Riemann问题解法的FDS格式,同需要精确求解Riemann问题的原始Godunov方法相比,FDS格式的计算量大大减少了。FDS和FVS格式今天已经成为CFD的主要计算方法。1983
年,Harten等提出了保单调格式的概念,是CFD的又一个里程碑.提出了总变差减小的差分格式一TVD格式.20世纪90年代,Liu构造的格式是一种FVS与FDS的复合格式.AUSM格式兼有Roe格式的间断高分辨率和van Leer格式计算
效率.此外, Jameson等人提出的CUSP格式以及Chang等人提出的时空守恒格式,也受到大家的关注和好评.正是这些著名格式的出现和广泛应用.促使了计算流体力学的发展。
    3. CFD的优势
    同目前流体力学研究最常用的实验方法比较,CFD的特点是:
    1) CFD只使用计算W口CFD软件,所以花费低、周期短、耗散小,这是CFD的突出优势;
    2)可以在计算机上方便地改变几何数据和流动条件,因此容易实现各种条件下的流动计算,也不存在洞壁干扰、支架干扰等的限制和影响。
    3)可以给出流体运动区域内的离散解,定量给出名个物理量的流动参数,细致描述局部或总体的流场,定量刻
画流动的时间变化,任意进行流场重构和诊断分析等。

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