CFD（计算流体力学）在各行业中的应用

CFD（计算流体力学）技术的发展源于核武器、航空航天等一些高科技领域。过去由于CFD技术涉及复杂的流体力学理论让人望而却步。如今，随着计算机以及相关技术的迅速发展，特别是一些 CFD商业软件的出现，CFD技术已不再是停留在“象牙塔”中的高深学问，它已在各个工业领域中发挥出越来越大的作用。知网的数据显示，CFD相关文献在各行业内的分布较均衡且数量较多，说明目前CFD在国内的影响非常广泛。
 

CFD相关文献在各行业中的分布情况
 

1. 航空航天

就航空航天工程应用而言，CFD的贡献与成就是举世瞩目的，从低速、高速、跨声速、超声速到高超声速，CFD数值技术在不断地拓展其应用范围。在工程应用方面，CFD经历了从平板/翼型到机翼/全机的复杂构型数值模拟，从简单的简谐运动到六自由度多体分离、投放，螺旋桨、直升机滑流，这些无不凝聚着CFD研究人员与工程师们的智慧与付出。从单一 流场的数值模拟到气动噪声、考虑结构变形、电磁计算、等离子控制和飞行力学等学科的耦合，CFD技术在气动设计、气动弹性、等离子主动控制、多物理场耦合、数字化飞行、控制律验证等领域发挥着越来越重要的作用。CFD不再仅仅是一个计算平台，而且开始成为飞行器设计过程中不可缺少的工具。
 

2. 化工

化工工程是CFD重要的应用与发展领域，著名的CFD商业软件Fluent就诞生于化工领域，CFD能够准确地描述化工过程中的流体流动、混合、传热规律，近年来逐渐开始耦合到化学反应中应用于化学工程领域，并表现出巨大潜力。采用CFD与化学反应动力学相结合的方法可以将反应器内流动、混合、传热、反应等过程同时考虑，从而实现对非理想反应器的准确数值模拟。
 

3. 车辆与船舶

在汽车行业里，CFD的应用是非常广泛的。从发动机、电池、电机，到冷却系统、润滑系统、空调系统，再到整车流场、空气动力学开发、整车热管理分析、水管理分析、 气动噪声分析等领域，目前CFD都在发挥越来越重要的作用。
 

在船舶工程领域，CFD模拟计算可以研究诸如波浪破碎、砰击等强非线性现象。目前基于CFD构建的数值水池模型已经可以对船舶的兴波阻力、运动响应、甲板上浪等现象进行初步的模拟与研究。采用CFD对高速航行的船舶阻力性能进行综合型研究，计入兴波非线性、流体黏性、船体自身运动等诸多因素的影响，已经具备的初步可行性与实际价值。船舶CFD技术的长远目标，是代替船模试验，为船舶水动力性能设计提供一个较大范围雷诺数的数值模拟工具。它不仅可以预报各类船舶在静水中航行时的阻力，以及与推进装置结合起来的推进性能，它还可以根据风、浪、流等环境载荷，预报实尺度船舶在海浪上的航行性能，包括快速性与波浪失速。
 

4. 能源

以风电中风能资源评估为例，随着计算机技术的迅速发展，数值模拟方法已成为风能资源分析和评估最有效的技术手段。该方法基于大气空气动力以及热力学的基本原理给出计算域内连续分布的风资源分布状况。理论上讲数值模拟可模拟地形表面任意高度、水平分辨率几米至几公里不等、不同地貌特征的风能资源分布，可以使用气象资料作为初场进行模拟。
 

5. 矿业与冶金

以湿法冶金应用为例，CFD技术利用流体力学、传热学、冶金反应工程学等多学科交叉模拟实际反应过程中难以检测和控制的环节，避免了传统的基于半经验、半理论方法对搅拌釜内多相流的预测缺陷，可节约成本、时间，以较小的代价达到优化反应设备、控制最佳反应过程的目。
 

6. 水利水电

以水利水电工程中灌浆工程为例，CFD模拟分析比理论分析更为直观和细致，其不仅可以了解灌浆结果，而且可连续动态地展示整体和局部的浆液扩散发展过程。CFD模拟分析比传统试验研究具有更大的灵活性和经济性，能综合考虑更多的影响因素。CFD模拟分析可以揭示浆液在岩体裂隙和孔隙中的流动规律，并可以为灌浆工程的有效性分析提供理论基础。由于灌浆工程面临地质条件的不确定性和复杂性，施工过程工艺流程复杂，传统的理论分析和经验判断对于指导灌浆工程存在很大困难，结果导致很多灌浆工程的质量管控存在偏差。随着计算机技术和启发式算法等新技术的发展，灌浆预测研究日渐成为解决坝基灌浆质量控制问题的重要理论与技术手段。
 

7. 农业

自20世纪90年代来，CFD技术开始应用于农业领域，目前CFD技术已被证明是一种有效和成熟的工具，可用于分析受控环境农业（设施农业）中的流体动力学、热力学和复杂的流体现象。目前CFD技术多应用于温室、畜牧舍、植物工厂内部气流场、温度场等环境模拟研究。
 

8. 生物医学

以颅内动脉瘤分析为例，借助计算流体力学（CFD）的手段，结合CT与MRI医学影像可对真实病人颅内动脉瘤进行血流动力学分析，能够分析出破裂的动脉瘤有高壁面摩擦力（’WSS）、高切应力震荡指数（OSI）及明确的正负剪切力散度（’WSSD）分布。
 

以呼吸系统研究为例，由于呼吸系统几何结构的复杂性和真实人体呼吸系统疾病的难以检测，使用CFD对呼吸系统进行模拟计算，可以对呼吸系统的几何结构进行计算机上的三维构建，对颗粒物和气流的流动沉积现象进行计算机上的数值计算和图像显示，节省人力物力。因此，应用CFD对呼吸系统中颗粒物和空气的流动情况进行模拟成为了一种重要的研究手段。
 

9. 环保

以污水环保领域为例，采用CFD方法模拟全尺寸污水处理箱的流场分布特性，分析搅拌浆在不同组合下的混合传质能力，可以有效控制流动状态，避免池中的死水区和改善污泥沉淀等现象，从而提高系统整体的污水处理能力、降低系统能量消耗。
 

10. 建筑

以建筑物进行风环境分析为例，通过CFD可在较短周期内即可对城市街区风环境这样大型、复杂问题完成数值模拟。模拟结果也可通过计算机图形学技术直观地导出，以便专业人员理解。相比风洞实验而言，复杂的周边环境和建筑布局也不再构成难题，计算机数值模拟可以不受客观条件的限制，对各种不同空间布局的城市街区进行风环境模拟，并获得详尽数据。在计算机数值模拟风环境的过程中，可以通过调整边界条件的设定方便地模拟出接近真实的自然风环境。
 

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