SolidWorks190柴油机进气系统的流场建模及仿真(3)

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CFD的应用研究主要有两个方面，一个是基础研究，另一个是计算机辅助设计研究。为了探索新的概念以及新的规律，可以运用CFD研究流体力学的原理和现象。与此同时，还可以应用CFD研究流体的热力学行为和动力学行为及其周围环境影响效应。为了实现对流体有效的控制，也可运用CFD研究怎样减小成本，如何减阻增升。将CFD和CAD/CAE有效结合，可大大提高在概念、初始结构以及结构优化等方面的设计质量。运用CFD还有其他优点，比如能够快速有效的进行设计的可操作性分析以及方案的优化选择等。所以，在设计一个方案时，CFD是十分理想且可行性较强的工具，对研究对象的综合优化设计起到了十分重要的作用。

1.2 CFD的基本原理

从物理的角度来分析，任何流体的流动均遵守三大守恒定律，分别是质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。CFD是在通过控制这些用数学方程组形式表达出的守恒定律，然后对流体进行数值仿真模拟。通过准确的数值模拟，将得到流场每个位置上的物理分布情况，比如温度场分布、速度场分布、压力场分布等等。然后通过不同时间段的对比分析，得出这些物理分布的改变情况，以此来确认是否有诸如涡流、脱流区域和涡流分布特性等的产生。

计算流体力学其实是一门交叉学科，它是以两门学科为基础的，一门是理论流体力学，另一门是计算数学。在研究中，为了可以在计算机上进行算法的求解，必须把流体运动的数学模型通过离散的方法转换成大型代数方程。简单来说，就是通过流体的现象，建立恰当并且符合流动规律的离散数值模型，而不再是通过关于流体力学的偏微分方程组来计算。通过把一段整体的时间和介质离散成多段有限的时间和空间模型，来使偏微分方程成为有限代数方程。所以，数值方法的实质也就两个基本要点，一点是把无限信息系统改变成有限信息系统的离散化，另一点是把偏微分方程改变为代数方程的代数化。而网格点上的近似值和单元中易于计算的近似表达式则是离散的数值解的两种普通表达形式。

一般来说，流体可分为气体、液体、以及特殊状态下的固体。流体的运动复杂多变，而通过CFD，可以在计算机上对流体在不同速度范围内的流动进行精确的数值模拟计算。它所涉及的问题主要有两个方面，一是通过计算机来对流动问题求解，二是在流体动力学中，计算机的如何应用。所以，CFD技术的全面推广与发展是跟计算机技术以及超级计算机的发展紧密相关的。

1.3 CFD的应用发展

简称为CFD的计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）是通过计算机数值的计算以及图像的显示，来对流体的流动和热传导等相关的物理现象做出系统的准确的分析。在第二次世界大战前后，计算流体力学以流体力学的一个分支问世，而在上世纪60年代前后则慢慢变成为了一门单独研究的重要学科。总体而言，随着计算机技术的不断进步，以及数值计算方法的不断发展，在此，可以将CFD的应用发展划分为以下三个重要阶段：

第一个阶段为初始阶段，时间为1965年到1974年。在这期间，许多基本的理论研究问题是这阶段的主要研究内容，主要涉及模型方程、数值方法、网格划分以及程序的编写与实现等等方面。通过将研究得到的数值，与大量已有的流体力学实验精确计算解进行分析比较，来证明数值预测这种方法的准确性、可操作性以及其影响规律。与此同时，在网格变换的问题上，也进行了很深入的研究，以此来解决许多复杂不规则几何的流动区域的问题。在这些研究中间，Thompson, Thams和Mastin等人的研究相对比较突出，成为了在后来单独专门成立的“网格成形技术”领域里的先驱者。他们提出依据几何流动区域的形状，并采用微分方程来生成适体坐标体系，由此使得计算流体力学对那些复杂不规则的几何流动区域具有了十分明显的适应性。