了解计算流体动力学 (CFD)

计算流体动力学（通常缩写为 CFD）用于各种行业和应用。

从设计有效的方法来保持 SoC（片上系统）足够凉爽以正常运行，到帮助赛车将时间缩短几秒钟，计算流体动力学仍然是用于仿真和优化的强大工具。

图 1。 CFD 通常与航空航天和汽车设计相关，但它适用于各种行业，包括电动机、机器人、电池和热管理。图片由西门子提供

什么是计算流体动力学 (CFD)？

CFD 是一种基于流体动力学原理的数值模拟和建模工具。它利用数值方法和算法来解决涉及流体流动的问题。

作为此解释的一部分，重要的是要考虑流体不限于液体。流体还包括气体，如空气。 CFD 可以模拟流体流动、化学反应、相变、传热和传质以及液体、气体和固体流经系统。

计算流体动力学 (CFD) 的工作原理：基础

涉及的主要控制方程是连续性方程（质量守恒）、牛顿第二定律（动量守恒）和热力学第一定律（能量守恒）。关键变量是速度、压力和绝对温度，以及密度、热导率、焓和粘度。

图 2。 流动模拟说明了流体粒子在系统中与固体、其他液体和热量相互作用时的流动。图片由 Autodesk 提供

CFD仿真旨在了解流态内每个点的速度、压力和温度。

CFD 建模的结果

CFD 建模结果可以进行后处理以提供信息可视化，其中可以包括表示流体流动速度（速度和方向）的流线、显示温度分布的地图以及显示单个流体粒子运动的粒子追踪（仅举几例） ）。

随着计算能力和图形能力的不断提高，可以在 3D 中操作可视化并生成引人入胜的图像、视频和动画，以帮助用户解释数据并与非技术受众共享。

最广泛使用的计算流体动力学模型是什么？

CFD 中使用最广泛的模型是 FVM，它代表有限体积模型。严格来说，它是一种将流体体积划分为有限控制体积的离散化方法。这些单独的控制体积以位于体积质心的节点为中心。

对模型控制方程的微分形式进行积分，并使用插值剖面获得质心之间的感兴趣变量。由此产生的方程，称为离散化或离散化方程 ，然后表达控制体积内变量的守恒原理。

FVM 非常受欢迎，因为它具有多功能性，并且解决方案将满足能量、物种、动量或质量等量的守恒。单个控制体和整个计算域都完全满足守恒。

图 3。 CFD 在电子设备的热管理中得到了广泛的应用，例如用于关键任务应用的模块化机箱示例。图片由 ANSYS 提供

其他也可用于 CFD 的方法包括有限元方法 (FEM)，通常与固体力学相关联，以及有限元分析 (FEA)。

还有 FDM 或有限差分法；这种特殊的方法不像 FVM 和 FEM 那样广泛用于 CFD，但在天气计算、地震学和电影和电视的特效方面得到了广泛的应用。

计算流体动力学的用途是什么？

一般而言，CFD 在制造昂贵的原型之前优化、分析和验证涉及流体流动的设计。对这些原型进行昂贵的物理测试。

通常，差价合约可用于：

• 电池模拟
• 电机冷却
• 流变学
• 能源效率
• 热管理
• 流固耦合
• 形状优化
• 湍流建模
• 暖通空调
• 涡轮叶片优化
• 飞机/航空航天设计
• 汽车设计

更具体地说，差价合约被用于：

• 优化 SoC 的有效热管理
• 为仿生水下机器人开发运动
• 软体机器人机械手的设计
• 水冷电动机工程
• 原油结垢传热面研究
• 用于军用通信电子设备的坚固模块化机箱的热管理
• 赛车性能优化

此外，CFD 可与 FEA 结合使用，以捕捉流体、热力学、热、电、磁和结构分析之间的复杂相互作用。

图 4。 CFD 可以优化数据中心的能源效率，提供有关关键特性的信息，例如控制温度所需的冷却气流。图片由 Autodesk 提供

计算流体动力学软件

市场上有各种各样的 CFD 软件包。例如，ANSYS Fluent 和 CFX 是两个著名的 CFD 软件包。还有 PTC Creo Simulation、Siemens Simcenter STAR-CCM+、Flotherm 和 Autodesk CFD。

然而，并不是所有的 CFD 包都是商业化的：OpenFOAM 是一个免费的开源 CFD 包，可以在 Linux、macOS 和 Windows 10 上运行。 此外，还有基于浏览器的 CFD 系统，例如 SimScale，它恰好基于开放泡沫。还有强大的后处理工具，例如 Ceetron Desktop Components，可为 CFD 解决方案数据带来生命力。

如果执行得当，它可以揭示流体的行为以及它们如何与固体、热量、相变和化学反应相互作用。 CFD 用于许多不同的行业，有助于优化设计并节省原型制作和物理测试的时间和金钱。从喷气发动机和赛车车身中的燃料喷嘴到软机器人和数据中心空气冷却系统，CFD 在工程过程中一次又一次地被证明是无价的。