2.1　计算流体力学的发展

计算流体动力学是20世纪60年代伴随计算科学与工程（Computational Science and Engineering，CSE）迅速崛起的一门学科分支，经过半个多世纪的迅猛发展，这门学科已经相当成熟，一个重要的标志就是近几十年来，各种CFD通用软件的陆续出现，成为商业化软件，服务于传统的流体力学和流体工程领域，如航空航天、船舶、水利等领域。

由于CFD通用软件的性能日益完善，应用的范围也不断扩大，在化工、冶金、建筑、环境等相关领域中也有广泛应用，现在我们利用它来模拟计算平台内部的空气流动状况，也算是在较新的领域中的应用。

现代流体力学的研究方法包括理论分析、数值计算和实验研究三个方面。这些方法针对不同的角度进行研究，相互补充。理论分析研究能够表述参数影响形式，为数值计算和实验研究提供了有效的指导；试验是认识客观现实的有效手段，验证理论分析和数值计算的正确性；计算流体力学通过提供模拟真实流动的经济手段补充理论及试验的不足。

更重要的是，计算流体力学提供了廉价的模拟、设计和优化的工具，以及提供了分析三维复杂流动的工具。在复杂的情况下，测量往往是很困难的，甚至是不可能的，而计算流体力学则能方便地提供全部流场范围的详细信息。

与试验相比，计算流体力学具有对参数没有什么限制、费用少、流场无干扰的特点，因此选择它来进行模拟计算。简单来说，计算流体力学所扮演的角色，是通过直观地显示计算结果，来对流动结构进行仔细的研究。

计算流体力学在数值研究上大体沿两个方向发展，一个是在简单的几何外形下，通过数值方法来发现一些基本的物理规律和现象，或者发展更好的计算方法；另一个则为解决工程实际需要，直接通过数值模拟进行预测，为工程设计提供依据。理论的预测来自于数学模型的结果，而不是来自于一个实际的物理模型的结果。

计算流体力学是多领域交叉的学科，涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析等，这些学科的交叉融合，相互促进和支持，推动了学科的深入发展。

CFD方法是对流场的控制方程用计算数学的方法将其离散到一系列网格节点上来求其离散数值解的一种方法。控制所有流体流动的基本定律是：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。由它们分别导出连续性方程、动量方程（N-S方程）和能量方程。

在应用CFD方法进行平台内部空气流场模拟计算时，首先需要选择或者建立过程的基本方程和理论模型，依据的基本原理是流体力学、热力学、传热传质等平衡或守恒定律。

从基本原理出发可以建立质量、动量、能量、湍流特性等守恒方程组，如连续性方程、扩散方程等。这些方程构成非线性偏微分方程组，不能用经典的解析法，只能用数值方法求解。求解上述方程必须首先给定模型的几何形状和尺寸，确定计算区域，并给出恰当的进出口、壁面及自由面的边界条件。而且还需要适宜的数学模型及包括相应的初值在内的过程方程的完整数学描述。

求解的数值方法主要有有限差分法（FDM）和有限元法（FEM）以及有限分析法（FAM），应用这些方法可以将计算域离散为一系列的网格并建立离散方程组，离散方程的求解是由一组给定的猜测值出发迭代推进，直至满足收敛标准。

常用的迭代方法有Gauss-Seidel迭代法、TDMA方法、SIP法和LSORC法等。利用上述差分方程及求解方法即可编写计算程序或选用现有软件实施过程的CFD模拟。