科技前沿 | 什么是计算流体动力学？

这是一种多物理场解决方案，因为其涉及多种现象的相互作用，包括流体动力学、热力学和动量守恒等。与有限元分析 (FEA) 一样，流体体积被分解成更小的元素，这些元素会组成一个矩阵。除了产品开发和空气动力学之外，CFD 还有许多用途，例如天气预报和视觉效果。

在产品开发中，CFD 使我们能够设计出满足流体流动和传热要求的产品和系统。让我们看看它是如何工作的。

功能

通过使用 CFD 软件，您可以计算和显示流体量，例如：

• 速度、模型内部或外部粒子的速度和方向。

• 温度。

• 压力。

• 漩涡，其代表流体在整个域的点处的旋转运动情况。

这些结果可以计算并显示 (1) 在模型中的特定位置；(2) 表面或部件上的最大值或最小值；或 (3) 在整个流体体积中。当显示在流体中时，结果可以以颜色轮廓、粒子、方向场或流线进行显示。为了进一步促进对运动的理解并加速计算，结果可以显示在特定的剖切面上。

可以通过执行以下步骤来执行 CFD：

1、从模型开始

在进入 CFD 仿真环境之前，创建要分析的 3D CAD 零件或装配体。几何图形可以是 CAD 软件原生的，也可以是导入的。

2、定义流体域

仿真中的液体或气体可以是内部的，例如流过管道系统的水，也可以是外部的，例如流过车辆外表面的空气。定义体积区域并将材料属性应用于流体，包括密度、粘度、热膨胀系数、比热容和热导率等。

3、建立边界条件

这些代表了分析模型入口和出口处流体的运动。流体运动可以通过流速、入口和出口压力以及质量流量来定义。对于内部流动，附加边界条件包括涡流入口（具有法向和径向分量的速度），从而模拟移动分量的旋转壁和重力。

模型中几何形状的规定温度也可以用作边界条件。系统中的热负荷可以定义为热流、热通量、对流和对流辐射。

4、执行分析

CFD 研究可以作为瞬态运行以查看随时间变化流量和温度的情况，也可以作为稳态运行以查看平衡时的状态。

5、评估结果

如上所述，可以在模型中以图形方式显示各种量，以方便理解系统的状况。

6、优化系统

CFD 分析会随着模型的更改实时更新，为改进模型的操作环境提供即时反馈。

CFD 曾经是一个需要有多年培训和经验的专家才行涉足的领域。然而，近年来的进步使设计师和工程师能够在没有专家帮助的情况下执行自己的 CFD 仿真。

此外，过去需要数小时才能计算的仿真现在可以在几分钟或几秒钟内完成。实时仿真结果可以充当设计助手，帮助工程师在构建产品时做出正确的选择，而不是等待专门的专家出现。

如果您设计的是车辆或设计的产品有外壳，而且空气或流体流动对产品的影响很大，您应该考虑将 CFD 添加到工具套件中，以帮助您的设计师和工程师让产品达到卓越性能。