流體力學(xué)是力學(xué)體系中的一大分支，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamic，簡(jiǎn)稱CFD）是用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算流體力學(xué)相關(guān)內(nèi)容，屬于仿真計(jì)算的范疇，也是多物理場(chǎng)仿真中的一個(gè)大塊頭。

CFD內(nèi)容較多，一個(gè)很小的分支就能寫(xiě)成一部專(zhuān)著。本文主要針對(duì)CFD軟件研發(fā)和測(cè)試人員，盡可能覆蓋CFD商業(yè)軟件里的術(shù)語(yǔ)設(shè)置，也可以作為CFD工程師參考，后續(xù)還會(huì)根據(jù)反饋調(diào)整，因?yàn)槠颍譃樯舷聝刹糠帧?/p>

關(guān)于OpenFOAM

OpenFOAM是一款開(kāi)源的CFD軟件包，是目前使用最廣的開(kāi)源CFD工具。OpenFOAM在CFD的地位就像是Unix/Linux在操作系統(tǒng)的地位一樣。所以如果想要深入學(xué)習(xí)CFD，了解CFD原理以及CFD軟件底層細(xì)節(jié)，OpenFOAM是個(gè)不二選擇。當(dāng)然，OpenFOAM比較龐大，windows支持不太友好，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較大的挑戰(zhàn)。

1. 理論基礎(chǔ)--控制方程

CFD的需要求解的偏微分方程（Partial Differential Equation）為 Navier-Strokers（納維斯托克）方程，簡(jiǎn)稱N-S方程。其它方程比如歐拉方程，雷諾方程是N-S方程的簡(jiǎn)化。N-S方程由連續(xù)性方程，動(dòng)量方程，能量方程推導(dǎo)而來(lái)，其理論基礎(chǔ)是基于質(zhì)量守恒，牛頓第二定律以及能量守恒，推導(dǎo)過(guò)程比較復(fù)雜范疇，從略。所以N-S是從宏觀范疇研究流體，近年來(lái)流行的無(wú)網(wǎng)格方法比如格子玻爾茲曼則是從分子運(yùn)動(dòng)層面解決N-S不容易解決的問(wèn)題。

完整的N-S方程包括了傳導(dǎo)，擴(kuò)散，對(duì)流，壓縮（不可壓縮），時(shí)間等各個(gè)要素，但在實(shí)際問(wèn)題中，有些要素是可以不考慮的，所以可以對(duì)方程進(jìn)行各種簡(jiǎn)化。這也是開(kāi)源軟件OpenFOAM將求解器設(shè)計(jì)成多個(gè)可執(zhí)行程序的原因之一，一種求解器對(duì)應(yīng)某種特定問(wèn)題，起到了解耦的作用。

FasFluid中有工具對(duì)所有求解器進(jìn)行過(guò)濾功能，根據(jù)求解特點(diǎn)找到合適的求解器。

2. 數(shù)值求解方法

CFD的求解方法還是傳統(tǒng)的有限差分，有限元以及有限體積。在商業(yè)和開(kāi)源CFD軟件中，采用的都是有限體積方法，主要原因是有限體積方法是在實(shí)現(xiàn)難易程度，精度，穩(wěn)定性，資源消耗等各個(gè)方面比較好的折中。

3. 邊界條件

PDE邊界條件常分為三大類(lèi)，詳細(xì)介紹可參考附錄文章。所有其它類(lèi)型的邊界只不過(guò)是這三種邊界條件的細(xì)化和衍生。CFD使用的邊界條件同樣也是常用的三大類(lèi)。

以下是CFD中常用的幾類(lèi)邊界條件：

inlet  入口邊界條件

outlet 出口邊界條件

wall 墻

prescribed pressure 

symmetry 對(duì)稱邊界

periodicity 周期性邊界

OpenFOAM針對(duì)流體，對(duì)邊界條件做了進(jìn)一步細(xì)化：

1. 基本類(lèi)型

常用的幾何類(lèi)型為 patch 和 wall。通常情況下patch為多個(gè)面的組合。

2. 主要類(lèi)型：

3. 衍生類(lèi)型：

4. 雷諾數(shù)/邊界層

Re是雷諾數(shù)（Reynolds number）的數(shù)學(xué)符號(hào)，一種可用來(lái)表征流體流動(dòng)情況的無(wú)量綱數(shù)。公式為：Re=ρvd/η，其中v、ρ、η分別為流體的流速、密度與動(dòng)力黏性系數(shù)，d為一特征長(zhǎng)度。雷諾數(shù)小，流體呈層流流動(dòng)狀態(tài)；雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流（也稱湍流，Turbulence）流動(dòng)狀態(tài)。一般管道雷諾數(shù)Re<2000為層流狀態(tài)，Re>4000為紊流狀態(tài)，Re=2000～4000為過(guò)渡狀態(tài)。在不同的流動(dòng)狀態(tài)下，流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律．流速的分布等都是不同的，因此雷諾數(shù)的大小決定了粘性流體的流動(dòng)特性。

邊界層是流體中由于粘性特性而出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。如果粘性很小的流體(如水，空氣等)在大雷諾數(shù)時(shí)與物體接觸并有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則靠近物面的薄流體層因受粘性剪應(yīng)力而使速度減??；緊貼物面的流體粘附在物面上，與物面的相對(duì)速度為0。邊界層通常非常“薄”，網(wǎng)格劃分中需要對(duì)邊界層進(jìn)行非常細(xì)致的加密才能達(dá)到求解精度要求。好的網(wǎng)格引擎有專(zhuān)門(mén)的邊界層網(wǎng)格加密功能。因?yàn)橛绊懙角蠼饩?，邊界層的網(wǎng)格也是用戶關(guān)心的重點(diǎn)。

5. 湍流（紊流，Turbulence）

湍流是流體力學(xué)的經(jīng)典難題之一，由于湍流的非線性和湍流解的不規(guī)則性，湍流理論成為流體力學(xué)中最困難而又引人入勝的領(lǐng)域。雖然湍流已經(jīng)研究了一百多年，但是迄今還沒(méi)有成熟的精確理論，許多基本技術(shù)問(wèn)題得不到理論解釋。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者海森堡曾經(jīng)說(shuō)到：“我要帶著兩個(gè)問(wèn)題去見(jiàn)上帝：量子力學(xué)和湍流大渦模擬?！?/p>

目前湍流的幾種主要求解方法，其它也都是在這幾種方法上進(jìn)行改進(jìn)：

DNS  （Direct numerical simulation）直接數(shù)值仿真

LES（Large eddy simulation） 大渦模擬

RANS 模型（Reynolds-Averaged N-S 方程）

DES （Detached Eddy Simulation ）分離渦模擬

以上幾種方法在OpenFOAM都有對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)。

實(shí)際當(dāng)中每種模型還有更具體的實(shí)現(xiàn)模型，比如常見(jiàn)的汽車(chē)風(fēng)阻，k-epsilon模型可以較好的結(jié)果。