非定常流场的数值模拟及应用研究

非定常流场的数值模拟及应用研究

非定常流场是流体力学中一个重要的研究方向，通常指流场在时间和空间上可

能都会发生变化的情况。在现实中，非定常流场出现的场合非常广泛，例如涡旋的产生、飞机的起飞和降落等，研究非定常流场对于促进工程技术、提高飞行安全等方面存在显著的意义。

数值模拟是非定常流场研究的重要手段。它以计算机为工具，通过建立数值模

型来模拟实际流体流动的过程，从而对流场运动和传输进行分析和研究。由于其高效、经济、可控等优势，数值模拟已逐渐成为流体力学领域最主要的研究方法之一。

1. 数值模拟方法

为了研究非定常流场，需要用到数值模拟方法。目前常用的数值模拟方法主要

有两类：有限差分法和有限元法。

有限差分法，是指将问题的微分方程转化为差分方程后进行求解的方法。由于

它的求解过程是由节点之间的联系组成，因此在求解过程中需要对流体所处的空间进行离散化处理，最终会得到一组差分方程组并利用迭代的方法求解。

有限元法，则是利用一定的基函数对区域进行划分，将微分方程转化为一个集

合线性方程组，通过求解方程组得到解的方法。它在求解非定常流动问题时具有较好的收敛性和稳定性。

2. 常见的非定常流场

非定常流场有很多种类型，其中比较常见的有下面几类：

（1）自由表面流动：指流体在一定区域内自由涌动而形成的流动，例如水下

炸弹爆炸后的水波和阻尼振荡等。

（2）湍流流动：指流体在一定的区域内发生与时间、空间相关的涡旋和湍流

现象，例如喷射流体的不稳定性、浪花的产生等。

（3）脉动流动：指流体在某些时刻具有较强的脉动性质的流动，例如破波时

的泡沫、发动机的工作过程等。

3. 应用研究

对非定常流场的数值模拟及其应用研究，一方面可以为基础理论研究提供支持，另一方面也可以为工程应用提供优化和改进的技术保障。下面举几个例子：（1）飞机起飞和降落：在飞机起降过程中，由于气流的非定常涡旋影响，可

能导致飞机失控或者其他安全隐患。利用数值模拟研究不同气流条件下的飞机起止路段流场，可以为飞行安全提供一定的技术支持。

（2）液压机床：液压机床的液压系统中存在着非定常流动现象。通过数值模

拟分析，可以优化液压系统的布局、设计和控制方式，实现更加稳定、高效的液压机床运行。

（3）海洋工程：海洋中的波浪、潮汐等非定常流动现象对于海洋工程的设计

和建设都有着重要的影响。利用数值模拟研究海洋中的流场变化及其作用规律，可以为海洋自然灾害防范、船舶操纵等方面提供技术参考。

总之，非定常流场的数值模拟及应用研究是近年来流体力学领域的热点之一。

我们必须深入研究、不断探索，把握其中所蕴含的机遇，推动流体力学研究的发展，为工业和科技的进步贡献力量。