[推荐]流体力学的发展

renwoxing

流体力学是力学学科的重要分支。流体力学是研究液体和气态物质在各种力
作用下的动力学现象与规律，以达到定量测量的目的。连续介质假说是整个流体力
学学科大厦的基础。流体力学是质量守恒、动量守恒、能量守恒这自然界的三大规
律在流体运动现象中的反映。流体力学的研究对象大至天体星云，小至毛细血管中
的细微的血液流动，范围很广。
本世纪，流体力学得到了大发展，流体力学的发展大大推动了航空、环境等学科的
发展，与其他学科相结合也产生了一些新兴的边缘学科，如：生物流体力学是生物
学与流体力学结合的产物，推动了生物工程学的产生与发展。此外，流体力学还对
整个自然科学的一些根本性的东西产生了 重要的影响，例如：混沌理论的产生就
源自流体力学的一篇论文，而今天混沌理论已经成为了自然科学的重要的基础理
论，是本世纪科学研究的热点之一。
世纪的科学发展为流体力学的发展铺平了道路。此时，自然界的三大守恒定律已经为
科学界的共识。1687年牛顿（Isaac Newton 1642-1727）发表的《自然哲学的数学原理》
对几乎所有普通流体的粘性性状作了如下的简单描述："流体的两部分（若其他情形一
样）由于缺乏润滑性而引起的阻力，同流体两部分彼此分开的速度成正比"。今天，这种
符合线性粘度率的流体被称为"牛顿流体"。牛顿用这种关系推导出了旋转圆柱体周围的
速度分布。
18世纪，一大批有名望的数学家、力学家忽略了流体的粘性，把流体当作无粘的理想
流体来研究。他们利用牛顿的微积分作为流体力学研究的有利工具、以三大守恒定律为流
体力学研究的基础，使流体力学得到了长足的发展。1738年伯努利（Daniel Bernoulli
1700-1782）证明：在无粘流体中，压力梯度和加速度之间存在着比例关系。微积分大师
欧拉（Leonhard Euler 1707-1783）1755年推导出了伯努利方程。同时，达朗贝尔
（J.le R.d';Alembert 1717-1783）1752年发表了著名的"达朗贝尔佯缪"：浸在无粘流体
中的运动物体的阻力为零。在此之后，拉格朗日（J.-L. Lagrange 1736-1813）和拉普拉
斯（P.-S. Laplace 1749-1827）等著名的数学家、力学家将新兴的流体运动学推向了完美
的分析高度。2005-3-11 9:14:00举报帖子
使用道具
然而，对于从事实际工作的工程师来说，因为无粘的理想流体的许多结论与实际相去甚远，许多理论流体力学的结论，如"达朗贝尔佯缪"对他们是不可以容忍的。于是当时的流体力学不得不分成流体理论和水力学两个分支。在前一学科中，数学家继续做完美的理论推导；而后者则完全放弃了理论，完全建立在实际测量基础之上。直到本世纪初，这种状况一直持续了150年左右。
上一个世纪，一些科学家看到了理论流体与工程实际相差太远，试图给欧拉的理想流体运动方程加上摩擦力项。纳维（Navier 1827），柯西（Cauchy 1828），泊松（Poisson1829），圣维南（St.Venant 1843）和斯托克斯（Stokes 1845）分别以自己不同的方式对欧拉方程作了修正。Stokes首次采用动力粘性系数μ。现在，这些粘性流体的基本方程称为Navier-Stokes方程。但是由于N-S方程是数学中最为难解的非线性方程中的一类，寻求它的精确解是非常困难的事。直至今天，大约也只有70 多个精确解。 19世纪末叶，流体力学的一个重要发展就是雷诺（O.Reynolds 1842-1912）的研究工作。在19世纪前叶已经发现流体运动可以分为光滑流动的层流和不规则的湍流。1883年，雷诺用实验用无量纲数Re(=ρUL/μ)表明了影响流动是层流还是湍流的决定因素。 湍流问题是流体运动的主要形式，湍流问题已经成为流体力学的最重要的课题之一。但是由于问题的复杂性，到目前为止，湍流机制仍然不甚明了，有的流体力学家甚至认为现在仍然看不到能够解决的迹象。
1904年，近代流体力学的奠基人---德国著名的流体力学家普朗特(L.Prandtl)发表的
边界层理论改变了上述的流体力学两个分支互不联系的状况，将流体力学理论与工程实际
高度结合。他证明：小粘度流体流动中存在着薄的边界层，在边界层中粘性起重要的作用；
而在边界层以外的流场中粘性可以忽略，可以按照无粘流体来处理。边界层理论与机翼
理论和气体动力学一道成为了现代流体动力学的基石。
本世纪，卡门、泰勒等人也对流体力学的发展作出了重要的贡献。
40年代以后，由于计算机技术的发展，对流体问题进行数值模拟和计算成为了可能，
并开辟了一个新的分支---计算流体力学。
湍流无疑是流体力学中最困难的课题，从理论上来说，湍流是连续无限维非线性耗
散系统，较之离散的巨量分子系统的统计分析要困难得多。从传统的流体力学方法来说，
由于湍流具有极宽的频谱和波数带，无论是实验，还是数值计算都十分困难。我们现有
的仪器和计算机条件都还是不足以充分了解湍流的细节。另一方面,湍流是十分普遍的宏
观现象，工程流动和自然现象的预测和控制极需要湍流知识（包括理论及计算方法，实
用模型和有效的测试方法等〕湍流研究的进步无疑会带来巨大的经济和社会效益，从湍
流现象的复杂程度来说，我们不能奢望在短时期内能够彻底弄清它的全部细节，需要不
懈地努力来探索连续无限维耗散系统方面的新概念，新理论和复杂流场的精细测量技术，
总之，必须有观察，测量，直接数值模拟和理论分析的全面结合，才能有望最终充分了
解湍流相干结构.
计算流体力学（CFD）是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一 门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方 法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实 际问题。 计算流体力学和相关的计算传热学，计算燃烧学的原理是用数值方法求解非线性联 立的质量、能量、组分、动量和自定义的标量的微分方程组，求解结果能预报流动 、传热、传质、燃烧等过程的细节，并成为过程装置优化和放大定量设计的有力工 具。计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发， 在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中产 生巨大的影响。
目前比较好的CFD软件有：Fluent、CFX、Phoenics、Star-CD，除 了Fluent是美国公司的软件外，其它三个都是英国公司的产品。 FLUENT FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%。举凡 跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进 的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮 机设计等方面都有着广泛的应用。其在石油天然气工业上的应用包括：燃烧、井下 分析、喷射控制、环境分析、油气消散/聚积、多相流、管道流动等等。 Fluent的软件设计基于CFD软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流 动的物理现象，FLUENT软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内 使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复 杂流动计算问题。基于上述思想，Fluent开发了适用于各个领域的流动模拟软件， 这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之 间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅在于应用 的工业背景不同，因此大大方便了用户。其各软件模块包括： GAMBIT——专用的CFD前置处理器，FLUENT系列产品皆采用FLUENT公司自行研发的 Gambit前处理软件来建立几何形状及生成网格，是一具有超强组合建构模型能力之 前处理器，然后由Fluent进行求解。也可以用ICEM CFD进行前处理，由TecPlot进 行后处理。 Fluent5.4——基于非结构化网格的通用CFD求解器，针对非结构性网格模型设计， 是用有限元法求解不可压缩流及中度可压缩流流场问题的CFD软件。可应用的范围 有紊流、热传、化学反应、混合、旋转流（rotating flow）及震波（shocks）等 。在涡轮机及推进系统分析都有相当优秀的结果，并且对模型的快速建立及 shocks处的格点调适都有相当好的效果。 Fidap——基于有限元方法的通用CFD求解器，为一专门解决科学及工程上有关流体 力学传质及传热等问题的分析软件，是全球第一套使用有限元法于CFD领域的软件 ，其应用的范围有一般流体的流场、自由表面的问题、紊流、非牛顿流流场、热传 、化学反应等等。 FIDAP本身含有完整的前后处理系统及流场数值分析系统。 对 问题整个研究的程序，数据输入与输出的协调及应用均极有效率。 Polyflow——针对粘弹性流动的专用CFD求解器，用有限元法仿真聚合物加工的 CFD软件，主要应用于塑料射出成形机，挤型机和吹瓶机的模具设计。 Mixsim——针对搅拌混合问题的专用CFD软件，是一个专业化的前处理器，可建立 搅拌槽及混合槽的几何模型，不需要一般计算流力软件的冗长学习过程。它的图形 人机接口和组件数据库，让工程师直接设定或挑选搅拌槽大小、底部形状、折流板 之配置，叶轮的型式等等。MixSim随即自动产生3维网络，并启动FLUENT做后续的 模拟分析。 Icepak——专用的热控分析CFD软件，专门仿真电子电机系统内部气流，温度分布 的CFD分析软件，特别是针对系统的散热问题作仿真分析，藉由模块化的设计快速 建立模型。 CFX CFX是由英国AEA公司开发，是一种实用流体工程分析工具，用于模拟流体流动、传 热、多相流、化学反应、燃烧问题。其优势在于处理流动物理现象简单而几何形状 复杂的问题。适用于直角/柱面/旋转坐标系，稳态/非稳态流动，瞬态/滑移网格， 不可压缩/弱可压缩/可压缩流体，浮力流，多相流，非牛顿流体，化学反应，燃烧 ，NOx生成，辐射，多孔介质及混合传热过程。CFX采用有限元法，自动时间步长控 制，SIMPLE算法，代数多网格、ICCG、Line、Stone和Block Stone解法。能有效、 精确地表达复杂几何形状，任意连接模块即可构造所需的几何图形。在每一个模块 内，网格的生成可以确保迅速、可靠地进行，这种多块式网格允许扩展和变形，例 如计算气缸中活塞的运动和自由表面的运动。 滑动网格功能允许网格的各部分可 以相对滑动或旋转，这种功能可以用于计算牙轮钻头与井壁间流体的相互作用。 CFX引进了各种公认的湍流模型。例如：k-e模型，低雷诺数k-e模型，RNG k-e模型 ，代数雷诺应力模型，微分雷诺应力模型，微分雷诺通量模型等。CFX的多相流模 型可用于分析工业生产中出现的各种流动。包括单体颗粒运动模型，连续相及分散 相的多相流模型和自由表面的流动模型。 CFX-TASCflow在旋转机械CFD计算方面具有很强的功能。它可用于不可压缩流体， 亚/临/超音速流体的流动，采用具有壁面函数的k-e模型、2层模型和 Kato-Launder模型等湍流模型，传热包括对流传热、固体导热、表面对表面辐射， Gibb’s辐射模型，多孔介质传热等。化学反应模型包括旋涡破碎模型、具有动力 学控制复杂正/逆反应模型、Flamelet模型、NOx和碳黑生成模型、拉格朗日跟踪模 型、反应颗粒模型和多组分流体模型。CFX-TurboGrid是一个用于快速生成旋转机 械CFD网格的交互式生成工具，很容易用来生成有效的和高质量的网格。
PHOENICS Phoenics是英国CHAM公司开发的模拟传热、流动、反应、燃烧过程的通用CFD软件 ，有30多年的历史。网格系统包括：直角、圆柱、曲面（包括非正交和运动网格， 但在其VR环境不可以）、多重网格、精密网格。可以对三维稳态或非稳态的可压缩 流或不可压缩流进行模拟，包括非牛顿流、多孔介质中的流动，并且可以考虑粘度 、密度、温度变化的影响。在流体模型上面，Phoenics内置了22种适合于各种Re数 场合的湍流模型，包括雷诺应力模型、多流体湍流模型和通量模型及k-e模型的各 种变异，共计21个湍流模型，8个多相流模型，10多个差分格式。 Phoenics的VR（虚拟现实）彩色图形界面菜单系统是这几个CFD软件里前处理最方 便的一个，可以直接读入Pro/E建立的模型（需转换成STL格式），是复杂几何体的 生成更为方便，在边界条件的定义方面也极为简单，并且网格自动生成，但其缺点 则是网格比较单一粗糙，针对复杂曲面或曲率小的地方的网格不能细分，也即是说 不能在VR环境里采用贴体网格。另外VR的后处理也不是很好。要进行更高级的分析 则要采用命令格式进行，但这在易用性上比其它软件就要差了。 另外，Phoenics自带了1000多个例题与验证题，附有完整的可读可改的输入文件。 其中就有CHAM公司做的一个PDC钻头的流场分析。Phoenics的开放性很好，提供对 软件现有模型进行修改、增加新模型的功能和接口，可以用FORTRAN语言进行二次 开发。
另一个CFD软件STAR-CD的创始人与Phoenics的创始人Spalding都是英国伦敦大学同 一教研室的教授，他们的软件的核心算法大同小异，这里对STAR-CD就不做详述。