为什么相对来说FEM很少应用于CFD计算?

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通常认为,FEM在计算固体力学中占优,而CFD计算中则大部分采用FVM和FDM,对流固耦合问题依然以FVM占优,目前大部分的CFD软件也都采用FVM。那么限制FEM进行流动问题以及输运方程计算的主要原因有哪些?未来FEM进行CFD计算的发展如何?

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迈向破灭的圆舞曲
有限元在cfd 圈应用相对差分和有限体积少,主要是软件和学术圈的路径依赖问题。流体力学家很容易理解fvm的质量守恒的原理,也很容易理解差分的原理,所以最早一批cfd软件是走的这条路。在计算界如Hughes等开始系统研究如SUPG等技术以应用于advection方程进而NS方程之前,一方面有限元的流体应用被稳定性问题困扰,一方面有限元开发的主攻方向还是固体。所以今天坐大的nastran和Ls-dyna成型是在SUPG等稳定性技巧发表之前。 有限元之于流体要解决的另一个问题,是流体力学家很在意的质量守恒的问题。尤其在不可压缩流领域,传统单元因为不满足Ladyzenskaja-Babuska-Brezzi条件而无法实现速度-压强混合有限元求解的稳定性。而学界充分意识到LBB的重要性也是在八十年代以后。这时候fvm 已经在Cfd扎根了。 在上面两个挑战解决之后,有限元在流体领域迅速发展。今天求解软件面临的问题,更多的是在用户认可和熟悉程度上,而不是在技术上。商业软件里面的acusolve,是完全基于有限元的,能力不输于fluent。lsdyna近些年发布的不可压缩流求解器ICFD,也是完全的有限元。
2017年9月27日
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