CFD — CAE术语解释

CFD（Computational Fluid Dynamics）是通过数值求解Navier-Stokes方程来获得流体的速度、压力和温度分布的技术。汽车空气阻力、建筑物风荷载、飞机升力、化学工厂混合——几乎所有涉及流体的问题都可以用CFD分析。在商用工具中，Ansys Fluent、STAR-CCM+和OpenFOAM是三大主流，各自的优势领域略有不同。

在数学上，这是"千禧年大奖难题"之一，不存在通用的解析解。所以需要用网格离散化空间，然后采用有限体积法、有限元法、有限差分法等方法进行数值求解。此外还有个难缠的问题叫湍流——当雷诺数很大时，会产生各种尺度的涡旋。要完全求解这些涡旋需要DNS（直接数值模拟），计算量非常庞大。实际工程中通常采用湍流模型（如k-ε或k-ω）进行平均和近似求解。

下面介绍主要的几种。k-ε标准模型应用最广泛，收敛速度也快，但在分离流和逆压力梯度处精度下降。k-ωSST是k-ε和k-ω的混合模型，既能处理壁面附近，也能处理自由流，是当前工程实践的标准。LES（大涡模拟）直接求解大尺度涡，精度高但计算成本是10~100倍。在汽车空气动力学和建筑风工程中，LES的应用正在增加。

可以说CFD的精度7成靠网格决定。特别是壁面附近的y+（无量纲壁距）管理很关键。使用壁面函数时，y+ = 30~300；采用低雷诺数壁处理时，y+ < 1。基于六面体的网格精度和收敛性都好，但生成耗时。复杂形状多用多面体网格作为折衷方案。论文和报告必须要做网格无关性验证（确认进一步细化网格时解不再变化）。

• 相关术语