读书报告-西南交大

读书报告

11月29日上午，在犀浦校区听了栗怀广老师关于《高性能计算流体力学的进展与现状》的讲座，听后感觉受益匪浅。下面就将计算流体力学作一总结。

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）简称CFD，是利用高速计算机求解主管流体流动的偏微分方程组，目的是为了更好地从定性上和定量上了解流体流动的物理现象，改进飞行器设计的一门新兴的学科。

与许多新兴学科相比计算流体力学诞生比较早。CFD基本概念的提出可以追溯到本世纪初，但它的发展是在航空航天工业的推动下，在偏微分方程理论、数值计算方法、计算机科学等相关学科的影啊下，伴随着计算机的发展而友展的一门新兴学科。

本世纪三十年代，由于飞机工业的需要，要求用流体力学理论来了解和指导飞机设计，当时，由于飞行速度很低，可以忽略粘性和旋涡，因此流动的模型为Laplace方程，可以利用复变函数理论和解的迭加方法来求解析解。随着飞机外形设计的越来越复杂，出现了求解奇异边界积分方程或面元法方法。粘性效应采用Prandil理论的边界层方程用有限差分方法求解，之后出现了外部势流与边界层方程的干扰计算。

在Hadamard，Courand和Friedrichs建立的双曲型方程理论以及对偏微分方程定解问题的适定性、波的传插、解的光滑性和唯一性的基础上，Courand和Friedrichs建立了著名的解的稳定性条件。本世纪四十年代，在喷气飞机，超音速导弹以及强冲击波的推动下，对线性双曲型方程以及非线性双曲型方程的理论和计算方法道行了大量的研究工作。

在气动力学问题中，很多跨音速和超音速问题是定常的，因此，在早期的研究中，人们集中力量去求解一些特殊的非线性问题的解，典型的例子是绕钝物体的超音速流。当钝物体以定常超音速运动时，在钝物体前会出现弓形激流，而且除钝物体附近有一个小的亚音速区外，整个流动是超音速流。由于存在这个亚音速区，使得问题复杂化，求解的方程为混合型方程，没有一般的理论来处理这类混合型方程，但在本世纪五十年代，出现了很多数值求解这类问题的方法，例如由VamDyke提出的逆方法。这个方法是首先假设弓形激波形状，之后完成一个不稳定但可以控制误差的由激波向物面的积分，根据物面条件修正激波形状直到

满足物面条件为止。另一个混合型例子是绕奚型的亚音速超临界流动，在这个流动中在亚音速区内嵌入了一个小的超音速区，跨音速翼型问题的解首先由Murman和Cole用松弛方法求解小扰动速势方程并且首先使用了上风差分。

对于时间相关的问题，从本世纪六十年代开始，采用时间相关的双曲型方法来求解定常气动力问题，基本思想是：求解非定常的全速势或Eut时方程而采用定常边界条件直到解收效到定常解为止。这个方法虽然需要较多的计算工作量，但它避免了混合型问题所带来的困难，实践证明是一种更有效、应用更广泛的方法。时间相关法之所以得到广泛应用的另一个重要原因是计算机效率的迅速提高。

本世纪七十年代，主要集中在对激波的处理，由于以CRAY机为代表的超级计算机的出现，求解时间相关的守恒型双曲型方法已用于数值模拟大量时非光滑流动现象，如激波、旋涡、尾涡以及复杂的干扰现象。计算流体力学大量地应用于实践，必将进一步推动CFD的更大发展。

计算流体力学的最终目的是完全用数值的方法来进行飞行器设计，这种计算机设计软件应该由两部分组成：

(1) 模拟真实流场的计算机程序；

(2) 最佳化程序包。

从CFD发展情况来看，我们已接近于完成求解雷诺平均或完全的N-S方程的数值计算，但要实现完全用数值模拟方法设计飞行器，还要作大量的工作，正如Chapman指出，主要要做以下工作：

A．发展先进的计算机;

B．湍流模型的研究;

C．算法研究;

D．三维网格生成技术;

E．流场计算的前后置处理等。