计算流体力学(CFD)是一门使用计算机根据质量、动量和能量守恒的控制方程来预测液体和气体流动的科学。流体遍布我们周围,与我们的生活密切相关。声带的振动会在空气中产生压力波,使人们能够讲话,也能听到所说的话。如果没有流体,网球的上旋就毫无意义,飞机也不会产生任何升力。 通过CFD,我们可以分析、理解和预测构成世界几乎每个部分的流体。
计算流体力学示例
当需要预测流体流动和传热,或了解流体流动对产品或系统的影响时,就可以使用CFD。CFD可分析流体流动的不同属性,例如温度、压力、速度和密度,并可应用于各行业的广泛工程问题,包括:
航空航天与国防:CFD可以对飞机周围的气流进行分析,预测升力和阻力,这被称为外流场空气动力学。这一点非常重要,因为公司希望优化飞机设计,以提高性能并减少燃料消耗。此外,CFD还可以对飞机内部的复杂系统进行仿真(如机舱空气循环),以预测空气质量。主要应用包括航空电子冷却、气动光学、外流场、机舱HVAC和推进系统。
汽车:在电动汽车中,电机和电池电化学在机械、化学和电气工程领域形成了复杂的耦合,而CFD使我们能够在整个多物理场系统中进行详细的传热过程研究。这可以帮助工程师预测电机的冷却效率,并减少可能引发火灾的电池热失控。主要应用包括变速箱润滑、自动驾驶传感器、空气声学、外部空气动力学、电池建模和电机冷却。
新能源:作为脱碳的有力支持因素,氢是创造更清洁地球的宝贵燃料。CFD使我们能够对从生产到储存、运输和消耗的整个氢价值链进行建模。CFD可以开展探索性研究,了解氢燃料和其他替代燃料如何用于传统发动机,并确定替代燃料方案的有效性。主要应用包括PEM电解、氢的生产、运输、储存和消耗,以及燃料电池利用。
医疗:在生物医学领域,CFD可以分析人体中的流体流动,例如,流经循环系统的血流和流经呼吸系统的气流。它还可用于加速医疗设备的开发,以及评估新药的潜在疗效。主要应用包括心血管、呼吸系统、生物制药。