计算流体力学基础解析

“The base of Computational Fluid Dynamics 中文基础讲解” 计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）是利用数值方法求解流体动力学方程的科学，它涵盖了流体的运动、传热、化学反应等多种复杂现象。在工程设计、气象预报、生物医学等领域有着广泛应用。 流体力学的基础理论源于牛顿第二定律和连续统假设。流体的特性在于其分子结构在受到外部剪切应力时，即使是很小的力，也会导致流体微团的形变。流体所受的外力主要分为两类：表面力，如压力、剪切力和表面张力；体积力，如重力和向心力。 流体流动的状态通常由雷诺数（Reynolds number）来描述，它是流体惯性力与粘性力的比值。当Re小于30时，流体表现为蠕变流，这种流动常见于微小颗粒的绕流、多孔介质中的流动和狭窄通道的流动。随着速度增加，当30<Re<105～106，流体进入层流状态，流动轨迹平滑。而当速度进一步增大，Re大于105～106，流体会形成湍流，流动轨迹具有高度随机性。 流速与音速的比值即马赫数（Mach number, Ma），是判断流体是否可压缩的关键参数。Ma<0.3时，流体被视为不可压缩，适用于大部分液体流动问题。0.3<Ma<1是亚音速流，Ma=1是音速流，Ma>1则是超音速流，这时会出现激波现象。Ma>5的高超音速流中，流体压缩产生的高温可能改变其化学性质。 流体力学的基本方程包括质量守恒、动量守恒和能量守恒，这些守恒原理可以通过控制质量或控制体积的方法来研究。对于流体流动，采用控制体积分析更方便。内在的守恒量φ与外在特性Φ的关系通过体积积分表达，结合迁移定理，可以推导出描述流体流动的连续性方程、纳维-斯托克斯方程和能量方程等基本方程组。 在实际的CFD计算中，这些方程通常通过离散化处理，转化为数值形式，然后用计算机求解。常见的求解方法有有限差分法、有限元法和有限体积法等。此外，边界条件的设定、湍流模型的选择、网格生成和后处理等也是CFD计算的重要环节。 计算流体力学是通过数学和计算机技术来理解和预测流体流动行为的工具，其理论基础和数值方法对于理解和解决各类流体问题至关重要。学习和掌握CFD，不仅需要理解流体力学的基本概念，还需要熟悉数值计算方法，并具备一定的编程能力。