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一文带你快速了解CFD！

BB学长

1年前浏览2506

导读：本文将从另一个角度带你快速了解究竟什么是CFD，因为篇幅限制，这里对方法的细节不作展开。

CFD组成

CFD的本质是由各类不同的数学方法组成的“生态系统”。

常见的做法是将其分为五个类别。包括数学方法(Mathematics)、维度(Dimension)、时域(Time Domain)、湍流和运动。

这五部分组成组成了CFD计算，如何将他们叠加在一起决定了CFD计算的复杂程度。

Mathematics

CFD的数学方法，一般有两类方法：边界元法和有限体积法。

边界元法(Boundary Element Method，BEM)的计算速度非常快，但是基于势流理论，完全不考虑粘性，作了许多近似和简化，因此适用范围有限，求解精度较差，一般可以用于初步研究和优化。

有限体积法(Finite Volume Mehtod，FVM)，最常见就是RANS算法，有限体积法的计算速度虽然较慢，但是计算精度较高，有限体积法不仅需要对边界进行网格划分，同样也需要对中间区域进行网格划分，是目前CFD中最常用的方法。通常人们谈论的CFD指的是就是基于FVM的CFD计算方法。

Dimension

二维或三维？几乎所有的现实情景都是3D的。那么什么时候我们需要2D模拟？比如说当我们作机翼优化时，我们可以只选取2D特征截面，这样就可以大大较少计算量，同时也能够起到优化机翼的目的。换句话说，在你需要获取单个组件或元素的详细性能特征时，2D模拟是一个很好的选择。

真正全面的模拟是2D和3D的结合。

Time Domain

时域包括稳态模拟或者非稳态模拟，取决于研究对象的特性。

稳态模拟，目的是获得稳定的流动特性，计算成本低。比如说管道内流体以恒定的速度流动。

非稳态模拟，计算成本更高，目的是获取目标物理量随时间的变化规律。在计算前，通常需要先运行一个稳态模拟来获得初始条件。

Turbulence

CFD计算最令人“头疼”的一个问题就是湍流。与湍流对应的流动就是层流，层流是较为简单，是为数不多可以得到解析解的物理现象。

而在CFD中，对湍流的计算存在许多模型，包括RANS，LES，DNS等。

（1）RANS

RANS（Reynolds Navier-Stokes Equation），湍流运动充满随机性，因此对湍流进行描述的数学方程必然也是相当复杂，因此我们需要作相应的简化，RANS指的是平均化的纳维尔斯托克斯方程，本质上就是将湍流的随机效应作统计平均，在计算过程中，我们不需要追踪湍流运动的每一毫秒，我们只需要计算得到这些单位时间的平均影响。

你可以想象为房间里的灯光，电在电线里是以非常快的速度进行循环，但你只需要关心房间灯光的亮度。

（2）LES

LES(Large Eddy Simulaiton)。RANS方法并不适用所有场景，RANS无法对涡进行捕捉。在湍流运动中涡的尺度有大有小，在LES方法中，忽略掉小尺度的涡流。而对于大尺度的、对流动会带来影响的涡，LES对其进行了模拟。但LES方法的计算成本要比RANS大得多。

（3）DNS

DNS(Direct Numerical Simulation)直接对纳维斯托克斯方程进行求解，不作简化，但计算成本过高，还未实际应用过。

Motion

给你的研究对象设置运动方式(motion)，这需要改变研究对象的网格。

选择一:不运动。这是传统的方法，即固定网格，这也是计算成本较低的一个选择。

选择二：运动。就是定义运动对象，定义CFD模拟中一些机械的运动，但会带来额外的计算成本。

选择三：DFBI(Dynamic Fluid Body Interaction)动态流固耦合，这种方法可以得到运动的固体组件与运动中流体之间的相互作用。稳定差，计算成本高。

最后我们比较这五个部分的计算成本。以图中蓝框作为基准，有限体积法+3维+RANS+无网格运动，一般这也是计算流体力学的基线。有一点需要注意如果是多个部分的改变，计算成本不一定只是线性叠加。

来源：BB学长

湍流理论化机

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首次发布时间：2023-06-24