CFD基础课程系列（1）：第1章 热流体仿真是什么？

CAE大拿

前言

       随着计算机硬件和软件的发展，产品的设计开发环境发生了日新月异的变化。 就像2维制图进化为3维制图那样，CAE（Computer Aided Engineering）的利用机会越来越多了。以前只有仿真专职工程师使用的热流体（CFD, Computational Fluid Dynamics）计算软件，现在设计人员进行热流体仿真的需求也在不断增加。热流体仿真已经逐渐成为技术人员必须具备的技能。但是，对于日常工作繁忙的设计人员来说学习和理解热流体力学以及CFD涉及的理论/概念有很多困难。在这个《CFD基础课程系列》里，针对刚刚开始，或者将要开始进行热流体仿真的工程师，介绍有关的基础知识和基本概念。

       教程内容尽量回避不容易理解的公式和专用名词，尽力通过通俗易懂的语言和直观的现象来阐诉CFD的概念。每次以3到4页的篇幅逐步发布。衷心希望本系列能够对大家的日常业务有所帮助。

       同时，由于编者水平有限，错误和纰漏之处在所难免，敬请广大读者批评指正。

第1章 热流体仿真是什么？

       在第一章里，我们介绍流体和热的传递有关的现象，以及流体仿真的优点和注意点。

1.1 热流体相关的现象
       常温下空气能够自由流动，从而没有明确的形状，具有这种流动性质的物体统称为流体。

图1.1　三种物质状态

       地球上存在各种各样的流体，空气和水最具有代表性。我们身边很多现象都与流体的流动和热的传递有关。

       比如，汽车车体和飞机机体周围的空气流动对汽车和飞机的性能影响很大。电子器械和电子回路的设计中，为了避免部件超过容许温度，散热设计就非常重要。另外，空调设备的设计和研究高层建筑周围产生的建筑风，热岛现象时，准确掌握空气和热的传递对于营造舒适的环境非常关键。

       这些流体和热的传递现象与我们的生活息息相关，对于这些现象的理解和掌握是一个极其重要的课题。

图1.2　流体和热的传递有关的现象

1.2 热流体仿真的优点和缺点

       上一节列举的各种现象可以通过实验得到实际现象的数据和信息。这些信息和数据的可信度很高。但是，实验的实施往往需要很高的费用，很长的时间以及和很大的人力。

       解决这些问题的有效方法和工具是热流体仿真软件。热流体仿真涉及的学科叫计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics），取英文名的第一个字母，简称为CFD。

       利用热流体仿真软件，将流体和热的传递在计算机上再现成为可能。近年来，随着仿真技术和计算机性能的飞跃发展，仿真结果在实际的产品设计中得到了广泛的应用。以下例举了热流体仿真的优点。

• 对于不同的设计，不用一一制作样品并进行实验来验证设计的合理性。各种设计方案可以在计算机里进行验证，大大缩短了开发周期和设计修改的费用。
• 不具备实验条件，或者实验测定困难的情况下，可以通过仿真得到详细的数据。
• 可以直观地显示和说明肉眼看不清的流场状态，如速度分布、密度分布、温度分布、流线等等。
  
  
  

      以下是几个热流体仿真的案例。

图1.3　热流体仿真的案例

       热流体仿真具备以上很有魅力优点的同时，也存在一些缺点。比如，在计算复杂的物理现象时往往需要使用简化物理模型，或者对仿真对象的形状作了简化时计算模型会伴随误差。另外，数值计算本身也必然包含了一定的计算误差。

       因此，在理解了热流体仿真的优缺点的基础上，谨慎判断仿真得到的计算结果是不是合理是非常重要的。

       下一章里，我们将介绍热流体仿真时常用的流体特性以及它们的物理意义。