計算流體動力學的基礎是質量、動量和能量守恒的物理定律--"納維-斯托克斯方程"。此外，還使用經驗數據來描述表面上的湍流或熱傳播。

納維-斯托克斯方程 "早在 19 世紀上半葉就描述了水或空氣等摩擦流體的行為，是一個二階非線性偏微分方程系統，由 CFD 程序迭代求解。解方程需要成千上萬的體積或計算箱，稱為箱體模型。建模可以是二維或三維的，靜態或非靜態的。直接數值建模是在氣流的任意點、所有方向和所有時間直接同步求解 "納維-斯托克斯方程"。這種程序很快就能達到幾十億個計算單元，超過了當今計算機的承受能力，而且僅限于少數例外情況。

目前，最常見的程序是使用 RANS(雷諾平均納維-斯托克斯)方法建立湍流模型，該方法用兩個方程描述動能和各向同性耗散率，并提供相當精確的結果。數值模擬不僅包括氣流，還包括熱相互作用和其他物理相互作用。

一、模擬的4個步驟

為了求解偏微分方程，通常使用 "有限體積法"(FVM)。研究部分被轉換成一系列單元或控制體積。每個單元都受質量、動量和能量方程控制。

1.幾何準備

研究氣流的空間情況由 "3D-CAD "程序表示，該程序與計算 CFD 方程的軟件具有接口或交換格式。CAD 模型的所有相鄰表面都有字母數字標識符，并作為邊界條件接地。

2.幾何關聯--選擇控制體積

觀察到的內部體積由四面體、六面體或其他參考實體填充。要創建這些控制體積，必須遵守某些規則：長寬比不得超過 1:5，否則會導致模擬條件不穩定。此外，所有邊界條件都要在這一步中定義。其中包括灌注體積的表面紋理、入口和出口孔或被測流體(通常為空氣)的溫度。

3.數值求解

成功計算的前提是選擇合適的流動模型。必須區分流動的類型和形狀(靜止/非靜止/層流/湍流)、導體類型(管道、通道等)和流體類型(摩擦/粘性)。偏微分方程的數值逼近過程是迭代求解。當達到一定的近似誤差時，過程結束。為了驗證求解結果，通常會調用物理模型的參數。

4.結果評估

模擬結果的輸出通常是質量流量圖或函數圖，以坐標軸顯示結果參數(如流量或壓力)，以橫座標顯示位置或時間。特別是二維或三維彩色圖，它是一種生動的彩色圖，顯示研究區域內流體的壓力或流速的各種顏色。當然，您還可以將結果制作成動畫，編輯成視頻短片，盡可能生動地展示三維流動過程。

二、CFD 的優缺點

數值模擬不能也不應取代真實條件下的實驗。兩者都有助于盡可能準確、經濟地預測規劃設施或建筑中的預期流動過程，或優化現有過程。在某些情況下，模擬可以作為物理實驗的補充，但在目前，模擬可以取代許多其他實驗。

1.虛擬 CFD 實驗的優勢

a.可單獨考慮特定的物理邊界條件或影響。

b.模擬可提供每個(模型)點的測量數據，而實驗只能提供選定的幾個點。

c.可收集到許多實驗中無法獲得的流動參數。

d.在規劃過程的早期階段模擬不同的原型，可以為后續規劃快速收集信息。

e.與實驗相比，模擬有助于更好地理解問題。

f.成本通常比實驗低得多。

2.虛擬 CFD 實驗的缺點

a.由于簡化了流動模型或邊界條件，可能會出現錯誤。

b.由于每個單元的計算值過少以及由此產生的插值誤差，可能會帶來不確定性。

c.對于大型模型，計算時間可能會延長。

d.與實驗相比，由于建議不正確，成本可能會高得多。

在考慮和分析了這些缺點后，可以看出模擬程序的好壞在很大程度上取決于用戶。要獲得有用、有效的模擬結果，需要大量的經驗和知識。關于 CFD 還是物理實驗更可取的建議應該是中立的，只受結果責任的影響。

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