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1．3 计算流体动力学(CFD)简介
计算流体动力学（CFD）是一门建立在经典流体动力学和数值计算方法基础之上的新型独立学科，它通过计算机的数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统进行相关特性分析。CFD进行流动和传热现象分析的基本思想是用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替将空间域上连续的物理量的场，然后按照一定的方式建立这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，通过求解代数方程组获得场变量的近似值[21]。
1.3.1 CFD的应用领域
CFD所应用的领域十分宽广，所有涉及流体流动、热交换、分子运输等现象的问题，几乎都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟。典型的应用场合及相关工程问题主要有：水轮机、风机等流体机械内部的流体流动、飞机等飞行器的设计、汽车流线外形对性能的影响、温室及室内的空气流动及环境分析、电子元器件的冷却、河中污染物的扩散、换热器性能分析及换热器片形状的选取及河流污染物的扩散等。
对于这些问题的处理，过去主要借助于基本的理论分析和大量的物理模型实验，而现在大多采用CFD的方式加以分析和解决，CFD技术已发展到完全可以分析三文粘性湍流及漩涡运动等复杂问题的程度。
1.3.2 CFD的特点
理论分析方法的优点在于所得到的结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，为实验研究提供指导。实验测量方法所得到的实验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础，其重要性不容低估，但实验研究往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过实验研究得到结果，此外，实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费以及周期长等许多困难。而CFD方法恰好克服了理论分析以及实验两种方法的缺点，它可以不受物理模型和实验模型的限制，有较多的灵活性，能够模拟出实际运行过程中各种所测数据状态并可给出详细完整的资料，具有计算速度快、周期短、成本低等优点。
CFD也存在一定的局限性，主要是因为数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、数学上使用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学模型，且最终结果不提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的数值解，并有一定的计算误差。此外，利用CFD进行数值模拟过程中可能会导致计算结果不真实，产生数值粘性和频散等伪物理效应。因此，对于具体的问题，可选择数值计算与理论分析、实验观测等手段相互结合，相互验证的方式来予以解决。
1.3.3 CFD的求解过程
采用CFD的方法对流体流动进行数值模拟，其总体计算流程如图1.1所示：
图1.1 CFD工作流程图
在运用CFD进行数值求解的过程中，网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要影响。网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体。网格有结构化和非结构化两大类。结构化网格是网格中节点排列有序，邻点间的关系明确，对于复杂的几何区域，需要分块构造结构网格。非结构网格是节点的位置无法用一个固定的法则予以有序地命名，这种网格虽然生成过程比较复杂，但却有很好的适应性，尤其对具有复杂边界的流场计算问题能起到很好的作用。
1.3.4 CFD软件结构
CFD软件均包括了三个基本环节：前处理、求解和后处理，与之相对应的程序模块常简称为前处理器、求解器、后处理器。
前处理器用于完成前期工作，主要有定义所求问题的几何计算域，并形成单元组合的网格，对所要研究的物理和化学现象进行抽象，为计算域边界处的单元指定边界条件等。
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