CFD是“計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)”的首字母縮寫，顧名思義，它是流體力學(xué)的一個(gè)分支，利用計(jì)算機(jī)分析流體和物理系統(tǒng)的行為。CFD分析成為一種流行的解決方案，因?yàn)樵趯⑽锢矶芍苯討?yīng)用于現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景以便進(jìn)行分析預(yù)測(cè)時(shí)，難度越來越大。這一事實(shí)對(duì)于流體流動(dòng)和傳熱工程問題尤其普遍。
CFD分析基礎(chǔ)知識(shí)
流體力學(xué)和傳熱介紹
   流體力學(xué)是研究流體物理行為的科學(xué)：液體，氣體和等離子體。因此，它涉及作用在流體上的力以及隨之而來的內(nèi)部場(chǎng)變化，例如速度，壓力，密度和溫度。
   另一方面，傳熱是研究熱能如何產(chǎn)生，儲(chǔ)存，運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化。它分析的主要機(jī)制是：
   熱傳導(dǎo) :(擴(kuò)散）熱量在固體或流體等材料中的傳播，從高溫區(qū)域到較低溫度區(qū)域。
   熱對(duì)流：隨著流體的流動(dòng)傳遞熱量。流體流動(dòng)可以通過外部工作（強(qiáng)制對(duì)流）或浮力來驅(qū)動(dòng)，浮力是在重力（自然對(duì)流）存在下具有不同密度的流體的運(yùn)動(dòng)。
   熱輻射：通過電磁波產(chǎn)生和吸收熱量。
   相變：通過沸騰，熔化，冷凝等過渡釋放或吸收熱量。
   用于流體流動(dòng)和傳熱的物理定律用微分方程表示，大多數(shù)時(shí)候用許多相關(guān)變量表示。碰巧是兩個(gè)場(chǎng)的一些方程是相似的; 例如，標(biāo)量通過流場(chǎng)的擴(kuò)散和溫度的擴(kuò)散。    這些流體流動(dòng)定律中最常見的是Navier-Stokes方程組。然而，由于它們的復(fù)雜性，只能在最簡(jiǎn)單的情況下才能解決這些方程式以獲得精確解。
計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)如何工作？
   這是數(shù)值分析和計(jì)算機(jī)的用武之地。通過使用數(shù)值近似，CFD將全微分方程轉(zhuǎn)化為線性方程組，然后求解這些方程以獲得諸如速度，壓力和溫度等現(xiàn)場(chǎng)值，在有限（但通常很大）的問題域中的點(diǎn)數(shù)上。
   盡管獲得微分方程近似解的數(shù)值方法已經(jīng)存在了許多世紀(jì)，但計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)大量數(shù)值數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行快速操作的能力使得技術(shù)成為物理學(xué)家和工程師最實(shí)用的工具。同時(shí)，這意味著人們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)CFD在實(shí)際問題上的應(yīng)用受到可用計(jì)算能力的限制。
   CFD分析允許對(duì)流體進(jìn)行建模，因?yàn)樗哂袛?shù)值求解狀態(tài)和物理行為方程的多功能性，以差分或顯式形式表示。此外，由于傳熱問題具有至關(guān)重要的實(shí)際意義，任何稱職的模擬工具都包括計(jì)算溫度分布以及壓力和速度的模塊。此外，一些應(yīng)用還可以包括用于彈性變形或化學(xué)反應(yīng)的固體分析，以及其他非流體應(yīng)用。
流體動(dòng)力學(xué)模擬的一些典型用例包括：
   流過管道和附件??，如閥門，三通和減速器，以預(yù)測(cè)壓降，速度和渦流形成。
   車輛空氣動(dòng)力學(xué)，包括汽車和飛機(jī)，以預(yù)測(cè)阻力，升力和下壓力。
   建筑物的風(fēng)力工程，預(yù)測(cè)風(fēng)力，渦流形成和行人舒適度。
   HVAC系統(tǒng)，用于評(píng)估管道的性能或優(yōu)化人工或自然通風(fēng)和能量消耗的熱舒適性。
   換熱器，預(yù)測(cè)傳熱和壓降。
   電子冷卻，預(yù)測(cè)自然和強(qiáng)制冷卻策略的性能。
   風(fēng)車，用于預(yù)測(cè)在給定風(fēng)速下的葉片升力，速度和發(fā)電量。
   污染擴(kuò)散和空氣污染控制，潔凈室設(shè)計(jì)。
   船舶和海上結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力性能。
為了開始了解CFD分析的工作原理，下面列出了CFD問題的典型特征：
   該問題是在封閉的幾何體上定義的，稱為“邊界”所包圍的“域”。
   要模擬的現(xiàn)象是明確定義的，例如存在傳熱，湍流，化學(xué)反應(yīng)，多相，多體等，具有已知的材料特性和狀態(tài)方程的系數(shù)。
   已知初始值以及所考慮字段的邊界上的值。這可能包括壓力，流速，墻壁，溫度，熱源等。
   域的幾何形狀被分成稱為“單元”的小基本形狀。所有單元格的集合稱為“網(wǎng)格”。單元格的大小將決定解決方案的精度（越小越好），但使用的數(shù)量將定義對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存的需求（較小的單元格，計(jì)數(shù)越大，消耗的內(nèi)存越多，解決方案的時(shí)間越長(zhǎng)）過程將采取）。
使用CFD分析的主要行業(yè)
   以下是一些利用CFD分析能力的最具代表性的工業(yè)部門，以及他們?yōu)楹芜@樣做的簡(jiǎn)短說明：
汽車
   汽車行業(yè)將CFD用于許多應(yīng)用，其中最重要的是車輛空氣動(dòng)力學(xué)。CFD分析用于預(yù)測(cè)阻力，下壓力和對(duì)轉(zhuǎn)彎/側(cè)風(fēng)流動(dòng)的穩(wěn)定性。其他汽車應(yīng)用包括發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和熱性能，通風(fēng)，廢氣等。這是一個(gè)模擬F1賽車空氣動(dòng)力學(xué)示例項(xiàng)目的鏈接。
航空
   在航空工業(yè)中，CFD的主要應(yīng)用也是空氣動(dòng)力學(xué)，目的是優(yōu)化升力/阻力比并研究不穩(wěn)定性。這是一個(gè)關(guān)于飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的示例項(xiàng)目，該項(xiàng)目涉及模擬如何為氣流和飛機(jī)性能提供有價(jià)值的見解。航空工業(yè)中用于模擬的其他重要領(lǐng)域包括通風(fēng)和空氣過濾。
制造業(yè)
   在制造業(yè)中，CFD用于研究冷卻系統(tǒng)在消費(fèi)產(chǎn)品中的性能，特別是那些使用電子產(chǎn)品的消費(fèi)產(chǎn)品。以下是Raspberry Pi的示例項(xiàng)目 - 機(jī)箱設(shè)計(jì)。
為什么重要？
   隨著產(chǎn)品開發(fā)周期越來越短，越來越多的產(chǎn)品依靠精確的性能來取得成功，數(shù)值模擬總是越來越重要。它能夠通過快速，可靠和簡(jiǎn)便的工作流程進(jìn)行精確的性能預(yù)測(cè)，即使在第一個(gè)原型制造之前，也可以直接從工程師的工作站進(jìn)行優(yōu)化。
   CFD仿真并不是這種趨勢(shì)的例外，而且SimScale等產(chǎn)品以合理的價(jià)格提供了大量的計(jì)算能力和最佳的工作流程，沒有復(fù)雜的軟件和硬件安裝的麻煩，這些優(yōu)勢(shì)可以被更多的公司所接受，即使是那些預(yù)算緊張的人。