计算流体力学的新方向动力学和其在工业中的应用

计算流体力学的新方向动力学和其在工业

中的应用

1引言

由于现代计算机的能力，特别是迅猛发展大规模计算，人们已经开始认识到使用计算机模拟方法解决科学问题的可用性和必要性行业。流体力学作为一个经典的主题，使用电脑已经获得了新的突破。该应用程序在流体力学领域涉及的各个方面，如航空航天、气象预报、石油、天然气钻井、优化航空动力汽车，分析和减少球迷噪音，源模块上的热传导和转移等一些新行业。流体力学的应用面积已经扩展到微流，多相流，非牛顿流体的流量和其他复杂流体。随着计算机能力的快速发展，利用计算流体动力学（CFD）的方法，在世界高新技术的科研开发已成为重要的大规模科学和工业项目，。现实世界中的应用CFD帮助人们了解许多物理机制流体的程度远远超出了经典方法可以达到。

现实世界中的应用CFD帮助人们了解许多物理机制

流体的程度远远超出了经典方法可以达到。这不仅具有重要影响的新技术研发上，以减少能源消耗，提高了效率，同时也为了更好的理解，这是至关重要的帮助和优化

工业设计。例如，当飞机大攻角飞行，或使回旋运动，这是很难获得的详细信息的复杂的流体的影响，采用传统的风洞实验方法。其实在很多情况下这样的关键信息几乎不能得到使用的实验装置。另一方面，根据了解我们知道，基础物理，流体，流体的特性，可以有质的变化，由于环境的一些细微的变化。此外，风洞实验通常需要很长一段过程和昂贵的预算。所有这些方面都将严重空气动力学设计的风洞实验的效果的限制。因此，准确，快速的CFD方法可以使我们从“知道它是什么”到“知道为什么它是”上流体力学问题，并给出时间和准确的信息反馈给设计师。因此，它优化产品和新技术的发展起着至关重要的作用。传统基于流体力学的理论描述的Navier-Stokes方程（N-S方程）。流体力学的基础，它已经存在了一个多世纪。人们没有异议的物理中的公式的可靠性和准确性正常尺度。在各种学术组织，研究主要是基于流体力学的纳维斯托克斯方程。但由于处理边界非线性性质和难度方程件，这是一项具有挑战性的任务分析或数值求解NS方程除了一些简单的问题。要显示存在和平滑的解决方案NS方程仍然是一个千年问题发表由粘土数学研究所。除了在求解方程的难度，为的流体的物理特性的说明从牛顿动力学方程为古典的机械运动或不同薛定谔方程，NS方程的量子力学运动开始从一个更基本配方，而忽略了合理的物理机制，取得本身统计平均。在自然界中的NS方程肯定无法用语言形容的宏观在流体中诱导的被忽略的物理机制，如相变的现象系统中，非牛顿流体的应变 - 应力关系，和规模的物理现象颗粒运动的平均自由程。现代科技的高速发展延长人的意见，更普遍的物理现象比经典流体力学岩石力学，如微流和复杂流体。 N-S方程显然展出其在这些领域的限制。在同一时间，由于现代的能力有限计算机外，某些液体，如湍流的物理现象，不能被使用，实现了直接数值模拟（DNS）的方法。必须被添加的各种物理近似。最常见的和可用的一种是所谓的涡黏性模型[1]。由于上述种种原

因，CFD造成的困难，不确定性和错误不能够完全取代的作用的实验在科学和技术领域，特别是在现实世界的工程应用。然而，CFD已经成为最快的国家之一在世界不断增长的领域。它不仅产生实质性影响的科学和技术创新工程和工业应用，但它代表了在世界上的新兴产业发展方向：高科技的软件行业。八十年代结束以来，在过去的世纪，新的理论描述和有效的COM计算流体力学方法已经出现。这是时下人们称之为格子玻尔兹曼方法（LBM）。在过去的二十年中，人们的理解方法经历了一个曲折的路径，并取得具体进展。特别是最近几年中，已经获得了该方法的理解质的进展。在同一它已演变从学术理论模型的计算软件工具现实世界的工程应用价值，因此已被用于研究和开发在一些主要行业的新产品[2]。例如，几乎所有的汽车制造公司在世界上使用的是基于LBM-CFD软件优化其新车型的空气动力学属性。由于方法得到进一步扩展和完善，我们相信，它可以在更广泛的领域得到进一步。

2 LBM和新发展

作为一门学科的流体力学形成的数理分析基础上连续媒体流体模型的建立。电子计算机的出现伪造形成的计算数学，计算流体力学（CFD）的形成。在早期阶段，由于计算技术的能力有限，CFD的终极目标是解决直接Navier-Stokes方程。玻耳兹曼方程模型方程是更根本的比Navier-Stokes方程尽可能的流体力学的描述。由于计算技术的快速发展和成功的晶格方法，格子玻尔兹曼方法已开发的面积计算流体动力学。通过使用这种方法，CFD现在可以分析不同的流体现象不能Navier-Stokes方程来描述。LBM发展的早期，已经有不少文件，提供一个完整的描述在其中。在这里，我们只举一个简单的介绍。从历史的角度来看，LBM的演变从所谓的晶格气体模型首先，而后者则是一个抽象的简化的数学模型粒子的运动。至于每个格子气模型中，粒子的只能住在一个独立的世界。其颗粒分布，速度和空间位置只存在整数。晶格气体模型之间的关系和实际的流体的物理所在在下面的物理假设：物理系统可以与不同的微观细节对应于相同的宏观行为。例如水和空气，它们具有不同的

物理学在微观层面，但它们都满足Navier-Stokes方程约低马赫数和普通秤体。因此，人们可能是要构建最简单的模型，如格子气模型来描述复杂的宏观现象。在此期间，它是很容易的一个格子气模型进行数值模拟。它还提供了一个简单和流体力学中解决问题的有效途径。引进格玻尔兹曼方法起源于两种动机，一种是减少数字噪声引起的，另一种是克服存在于非物理的缺点格子气模型。事实上，当选择适当的粒子平衡分布，的格子Boltzmann系统的宏观行为可以被证明满足的Navier-斯托克斯方程。因此，人们可以通过模拟间接解决Navier-Stokes方程格子Boltzmann系统。然而，大多数人所熟悉的格子玻尔兹曼方法的理论框架，有一些重要的缺点。由于它采用的逆查普曼Enskog展开确定平衡分函数中的关键参数，以重建宏观物理系统，它变得无力超越的纳维流体物理Stokes方程，通常缺乏一个可靠的明确的宏观描述。除了这样的约束，最知名的格子Boltzmann模型有其他一些明显的局限性。例如，他们的离散速度集只能达到四阶各向同性的要求。其平衡分配也可以只被应用在低马赫数接近零的温度变化情况。这已经寄予了很大的限制晶格的应用玻尔兹曼方法模拟可压缩流体。在这里，我们想提一些相关的误解在学术界关于LBM。它混淆了格子玻尔兹曼方法与现有的一些具体的格子Boltzmann模型。这导致了一些错误的结论，这种方法只能治疗几乎不可不变温度的Navier-Stokes流体问题。近年来，通过深入的宏观表现