流體力學，是研究流體（液體和氣體）的力學運動規律及其應用的學科。主要研究在各種力的作用下，流體本身的狀態，以及流體和固體壁面、流體和流體間、流體與其他運動形態之間的相互作用的力學分支。流體力學是力學的一個重要分支，它主要研究流體本身的靜止狀態和運動狀態，以及流體和固體界壁間有相對運動時的相互作用和流動的規律。在生活、環保、全風風機、科學技術及工程中具有重要的應用價值。

CFD分析過程

進行CFD分析的一般過程如下所示：

1、將流動問題表示為表達式

分析的*步是通過尋求以下問題的答案進將流動問題表示為表達式。

分析的目的是？

達到這些目的zui簡單的途徑是？

包含怎樣的幾何？

來流和工作狀態是怎樣的？

該使用何種空間模型（一維、準一維、二維，軸對稱還是三維？）

流域是怎樣的？

該使用何種時間模型？（定常或非定常）

流動的粘度情況（無粘、層流還是湍流）

該使用何種氣體模型？

2、建立幾何與流域的模型

   進行流動分析的對象需進行建模。一般涉及CAD軟件幾何造型。付出合理的努力進行分析需要進行幾何模型近似與簡化。于此同時，應該對實施仿真的流域范圍做一個確定。流域的部分邊界應與幾何模型曲面保持一致。其他曲面是自由邊界，在自由邊界上，流體流入或者流出。幾何模型和流域以這樣的方式建模，然后用于網格生成。這樣，建模過程通常需要考慮網格生成的結構和拓撲。

3、設置邊界條件與初始條件

   當流域確定了的時候，需要給流域邊界物理條件。仿真一般開始于初始條件，然后通過迭代的方式得到流場的zui終解。

4、網格生成

   流域離散成為網格。網格生成包括結構和拓撲確定，然后在該拓撲上生成網格。目前所有的案例都涉及多塊網格和結構網格。然而，這些網格塊可能是對接的，連續的，非連續的或者重疊的。網格必須滿足zui低的網格質量要求，如正交（尤其是在邊界上），相對網格間距（zui大值不能超過15%到20%），網格扭曲率等等。zui大的網格間距應該與流場重要特征的分辨率一致。邊界層分辨率要求沿著物面法向的*層網格點應恰好落在邊界層的層流層內。對于湍流流動，沿著物面法向的*層網格點必須滿足y+<1的要求。

5、設置求解策略

   執行仿真的策略包括以下內容：使用什么空間推進和時間推進方式，湍流或者化學模型的選擇，算法的選擇等。

6、設置輸入參數和文件

   CFD程序通常需要給定輸入文件，輸入文件的內容是與既定策略一致的輸入參數值的列表。此外，還需要包含邊界條件信息的網格文件。

7、執行仿真

    仿真可以通過圖形界面、批處理或者分布式的方式進行。

8、監視仿真直至完成

    當仿真進行的時候，監測求解過程以確定是否得到了收斂的解，該解是一個迭代收斂解。

9、后處理得到結果

    后處理的過程是從流場中提取出想獲得的流場特點（如推力、升力、阻力等）的過程。

10、對結果進行比較

   將求解得到的流場特點與理論分析、計算或者試驗研究得到的結果進行比較，驗證計算結果的可靠。

11、重復上述過程，評價敏感性

   為了了解計算結果精度可能的差異和與以下因素相關的計算表現，必須評價計算結果的敏感度。如：維度、流場條件、初始條件、推進策略、算法、網格拓撲和密度、湍流模型、化學模型、通量模型、人工粘度、邊界條件和計算機系統等。

12、歸檔

    將以上的分析整理成文檔。

數值模擬方法和分類

   在運動CFD方法對一些實際問題進行模擬時，常常需要設置工作環境，設置邊界條件和選擇算法等，特別是算法的選擇，對模擬的效率及其正確性有很大的影響，需要特別的重視。要正確設置數值模擬的條件，有必要了解數值模擬的過程。

   隨著計算機技術和計算方法的發展，許多復雜的工程問題都可以采用區域離散化的數值計算并借助計算機得到滿足工程要求的數值解。數值模擬技術是現代工程學形成和發展的重要動力之一。

   區域離散化就是用一組有限個離散的點來代替原來連續的空間。實施過程是把所計算的區域劃分成許多許多互不重疊的子區域，確定每個子區域的節點位置和該節點所代表的控制體積。

   節點是指需要求解的未知物理量的幾何位置、控制體積、應用控制方程或守恒定律的zui小幾何單位。一般把節點看成控制體積的代表。控制體積和子區域并不總是重合的。在區域離散化過程開始時，由一系列與坐標軸相應的直線或曲線簇所劃分出來的小區域成為子區域。網格是離散的基礎，網格節點是離散化物理量的存儲位置。

   常用的離散化方法有有限差分法、有限元法和有限體積法。對這三種方法分別介紹如下。

有限差分法

   有限差分法是數值解法中zui經典的方法。它是將求解區域劃分為差分網格，用于有限個網格節點代替連續的求解域，然后將偏微分方程（控制方程）的導數用差商代替，推導出含有離散點上有限個未知數的差分方程組。

   該方法的產生和發展比較早，也比較成熟，較多用于求解雙曲線和拋物線型問題。用它求解邊界條件復雜，尤其是橢圓型問題不如有限元法或有限體積法方便。 

   構造差分的方法有多種形式，目前主要采用的是泰勒級數展開方法。其基本的差分表達式主要有四種形式：一階向前差分、一階向后差分、一階中心差分和二階中心差分等，其中前兩種格式為一階計算精度，后兩種格式為二階計算精度。通過對時間和空間這幾種不同差分格式的組合，可以組合成不同的差分計算格式。

有限單元法

   有限單元法是將一個連續的求解域任意分成適當形狀的許多微小單元，并于各小單元分片構造插值函數，然后根據極值原理（變分或加權余量法），將問題的控制方程轉化為所有單元上的有限元方程，把總體的極值作為各單元極值之和，即將局部單元總體合成，形成嵌入了邊界條件的代數方程組，求解該方程組就得到各節點上待求的函數值。 

   對橢圓型問題有更好的適應性。有限元求解的速度比有線差分法和有線體積法慢，在商用CFD軟件中應用并不廣泛。目前常用的商用CFD軟件中，只有FIDAP采用的是有線單元法。

有線體積法

   有線體積法又稱為控制體積法，是將計算區域劃分為網格，并使每個網格點周圍有一個互不重復的控制體積，將待解的微分方程對每個控制體積積分，從而得到一組離散方程。其中的未知數是網格節點上的因變量。子域法加離散，就是有限體積法的基本思想。有限體積法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解釋。離散方程的物理意義，就是因變量在有限大小的控制體積中的守恒原理，如同微分方程表示因變量在無限小的控制體積中的守恒原理一樣。

   有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對任意一組控制集體都得到滿足，對整個計算區域，自然也得到滿足，這是有限體積法吸引人的優點。有一些離散方法，例如有限差分法，僅當網格極其細密時，離散方程才滿足積分守恒；而有限體積法即使在粗網格情況下，也顯示出準確的積分守恒。就離散方法而言，有限體積法可視作有線單元法和有限差分法的中間產物。三者各有所長。

   有限差分法：直觀，理論成熟，精度可選，但是不規則區域處理繁瑣，雖然網格生成可以使有限差分法應用于不規則區域，但是對于區域的連續性等要求較嚴。使用有限差分法的好處在于易于編程，易于并行。

   有限單元法：適合于處理復雜區域，精度可選。缺點是內存和計算量巨大并行不如有限差分法和有限體積法直觀。

   有限體積法：適用于流體計算，可以應用于不規則網格，適用于并行。但精度基本上只能是二階。有線單元法在應力應變，高頻電磁場方面的特殊優點正在被人重視。