1.2.3 Вычислительная гидродинамика

Основная идея вычислительной гидродинамики (CFD)

Основная идея CFD состоит в поиске приближенных численных решений уравнений, описывающих динамику жидкостей и газов.

Ключевые задачи, решаемые методами CFD:

1. Численное решение полной системы гидродинамических уравнений (включающей уравнения Навье-Стокса, уравнение энергии и уравнение состояний). Это позволяет моделировать сжимаемые и несжимаемые течения жидкостей и газов, как ламинарные, так и турбулентные. Для турбулентных течений дополнительно требуется численное решение систем уравнений подходящих RANS-моделей турбулентности.
2. Численное моделирование течений газов и жидкостей через проницаемые пористые среды.
3. Поиск численного решения кинетического уравнения Больцмана для описания динамики разреженных газов.
4. Моделирование сопутствующих физико-химических процессов:
   • Учет взаимного влияния течения проводящей среды и сильного электромагнитного поля (требует решения уравнений Максвелла).
   • Моделирование химических реакций, протекающих в потоке (включая процессы газофазного или гетерогенного горения).
   • Описание многофазных потоков, включая фазовые превращения, а также силовое и тепловое взаимодействие фаз.

Важно отметить, что большинство определяющих уравнений, используемых в CFD, были разработаны и обоснованы в рамках теоретической гидродинамики, что подчеркивает ее огромную заслугу.

 

Преимущества вычислительной гидродинамики

Методы CFD позволяют успешно преодолевать ограничения теоретического и экспериментального подходов:

1. Преимущество над теоретической гидродинамикой: CFD позволяет находить высокоточные численные решения системы гидродинамических уравнений для любой произвольной конфигурации течения, что остается нерешенной проблемой в теоретической гидродинамике.
2. Преимущества над лабораторным и натурным экспериментом:
   • Возможность моделировать опасные/невозможные условия: CFD позволяет имитировать сильные взрывы или недоступные для наблюдения процессы (например, внутри звезд или глубоко в недрах планеты).
   • "Чистота" вычислительного эксперимента: В CFD отсутствуют датчики, которые могут менять и искажать картину течения.
   • Наглядность и высокое разрешение результатов: CFD дает почти непрерывные распределения интересующих параметров, тогда как экспериментальные методы ограничены точками установки датчиков и разрешающей способностью средств наблюдения.
   • Доступность: Для проведения исследований не нужно строить дорогие трубы или запускать самолеты; достаточно мощного персонального компьютера или доступа к вычислительному кластеру.

Заключение

Вычислительная гидродинамика — это прогрессивный метод, который вобрал в себя преимущества теоретической гидродинамики (основан на решении базовых уравнений) и лишен существенных недостатков экспериментальной гидродинамики. Поскольку CFD не требует больших затрат материальных ресурсов, она позволяет инженеру быстро и эффективно решать многие задачи проектирования.

Дальнейшее обучение будет сосредоточено на умелом использовании CFD, но перед этим необходимо познакомиться с границами применимости метода.