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计算流体力学的应用与前景
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摘要：计算流体力学利用计算机来进行模拟，主要应用到对固定几何形状空间当中流体动量、热量以及质量方程和有关的方程求解方面，进而得到某种流体在特定条件当中的相关信息。计算流体力学为流体力学重要的一个分支，对问题进行分析以及解决强有力的工具。本文对计算流体力学发展和应用进行探讨。
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一、计算流体力学发展分析
自从进入二十世纪八十年代以来，计算机硬件得到了迅速发展，其逐渐进入到人们时间的活动当中。随着计算方法不断的进行改进以及数值分析理论发展，高精度的数值模拟已经变为了现实。除此之外，随着人们生产实践活动越来越发展，科学技术不断得到进步，许多高新的技术产业对九三流体力学提出新要求。另外，这也给计算流体的力学带来新的发展机遇。理论和实践的不断互动，进而形成了计算流体力学新的热点以及动力，进而促进了计算流体力学持续健康的发展。
(一) 在计算模型方面，提出新的模型，例如：新大涡模拟的模型、新的湍流模式、新的多相流模式、新的飞行器气动分析与热结构的一体化模型等。这就让计算流体力学计算模型通过初期的Euler和N-S方程，进而扩大到两相流、化学非平衡、湍流、太阳风等问题研究当中的许多个模型。骑宠，对多流动的机制进行考虑，将各向异性非线性湍流研究作为重点内容。研究结果表明：全能湍流模型还灭有，其重要的为怎样在计算和模型精度方面进行折中。除此之外，也存在一些研究学家从比较高的层次当中对湍流模型问题进行研究，通过湍流流速内不可微，对N-S方程的有效性进行怀疑，继而提到通过积分过程作为基础的数学模型。
(二) 在计算方法方面，还提出了新的计算方法，例如：新遗传算法、新高精度紧致隔格式、新的遗传算法。当前，在计算方法研究方面，主要研究对象为高精度格式方法，也就是对三阶精度之上进行追求，其中能够更好的对实际问题进行解决。另外，计算方法方面的研究还包含谱方法、高阶插值、拉格朗日方法等等。这些方法引入传统计算流体力学是当前重要的一项成果。在这些成果当中，将基因算法和传统计算流体力学融合到一起，在最优化设计和域分裂等方面有着比较强的发展前景。在算法分析方面，除了传统稳定性、收敛性以及精确度等分析，还存在深层的数值动力学分析，其也将数值方法看为动力系统来分析，其揭示一些特殊的数值现象。
(三) 在研究成果方面，英国对于湍流模型、美国计算不确定性以及日本学玻耳兹曼方程解流动问题、德国关于利用并行计算机来模拟发动机气缸流场涡和激波等等。这些都是新学术思想，其存在较高学术水平。德国对于利用并行计算机来模型发动机气缸流场涡和激波的非定常流动模拟等等。当前，计算流体力学研究的热点为：对计算方法进行研究，含有各类新型算法以及并行算法。对涡运动和湍流进行研究含有直接模拟不可压和可压的湍流数值以及对大涡模拟和湍流工作机理进行研究。
二、计算流体力学的应用
计算流体力学的应用已经从最初的航空航天领域不断地扩展到船舶、海洋、化学、铸造、制冷、工业设计、城市规划设计、建筑消防设计、汽车等多个领域。近几年来计算流体力学在全机流场计算、旋翼计算、航空发动机内流计算、导弹投放、飞机外挂物、水下流体力学、汽车等方面获得广泛应用。这表明计算流体力学在解决工程实际问题方面具有重要的应用价值。下面仅以在汽车领域的应用为例，介绍计算流体力学应用于工程实际中的速度和深度。20世纪80年代初期才开始有计算流体力学应用于汽车领域的论文发表，经过短短的二十余年，其应用已涉及到汽车车身设计、汽车内部空间的空调与通风、发动机内部的气体流动以及冷却系、汽车液力变矩器、废气涡轮增压器中的压气机和涡轮的叶轮与蜗壳等中的流动现象的研究与计算，同时进一步发展到研究汽车与发动机中传热、燃烧以及预测噪声强度与模具设计等相关的问题。
当着手研究一项计算流体力学课题时，首先需要建立模型，即根据相关专业知识将问题用数学方法表达出来；然后就是如何利用计算流体力学软件，对问题进行求解、分析。整个计算流体力学处理过程大致包括三个部分：前处理，包括几何模型的选取和网格划分。求解器，包括确定计算流体力学方法的控制方程，选择离散方法进行离散，选用数值计算方法，输入相关参数。
随着计算流体力学在技术应用方面进行了不断的推广。计算流体力学也得到了不断的软件化。CFX、FLUENT、PHOENICS、CFD2000、CFD++等一大批计算流体力学软件已经商品化。这些商业的软件不仅含有一般功能，同时也存在特殊的用途专业软件。这些软件能够更好的对工程技术领域内的各类高难度复杂问题进行处理，所以，其存在比较大的吸引力。但是，计算流体力学软件在一些领域方面还不能得到成熟的应用，其需要不断的完善功能强化、计算精度以及计算效率，并且对操作进行简单化。计算流体力学在研究过程当中，关键问题含有：对应用在各类具体状况的数学模型以及复杂外形进行描述，并且深入的研究计算流体力学各个方面。计算流体力学应用的现状和超级计算机密切的结合到一起。它能够让计算流体力学有着创立新概念以及减小成本的作用。目前，计算流体力学工作人员主要的工作就是发展高效以及准确的计算方法，将计算流体力学应用推向新的应用阶段。
三、结论
经过上面分析我们可以看出，几岁安流体力学主要含有两方面发展，分别为：第一，对流动非定常的稳定性特性进行研究，并且分析分叉解及湍流流动的工作机理，其是复杂的非定常、多尺度流动的特征，其存在高精确度以及高分辨率的并行算法以及计算方法。除此之外，将计算流体的力学直接应用到模拟各类实际的流动，更好的对工业生产内提出的一些问题进行解决。日本以及美国在这些方面都表现的比较突出。在当今我国经济不断发展的时候，许多计算流体力学问题得到了一定的解决，其将会大大有助于我国经济建设不断发展。
参考文献：
[1]傅德薰.流体力学数值模拟[M].北京:国防工业出版社,2017:3-6.
[2]侯天相,周荣春.钝体绕流的非定常差分法[M].北京:宇航出版社,2016.
[3]张涵信.第四届亚洲计算流体力学会议学术交流情况[J].力学进展,2017(1):156-157.
黄春生.分析计算流体力学的发展及应用[J].中国战略新兴产业,2019,(30):206.
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量子不确定关系表明,即使我们知道了量子态的全部信息,我们也无法同时精确地预测任意两个互不对易的可观测量的测量结果.量子不确定关系是量子力学和经典力学的本质区别,因此对不确定关系的研究能够帮助我们更好的认知量子力学.此外,不确定关系被广泛的应用于量子信息科学的每一分支中,比如,量子非克隆理论,量子密码,纠缠探测,量子自旋压缩,量子度量学和量子同步.
2020-12-08
地震研究的终极目标是对地震事件的发生时间、位置和震级进行准确的预测.目前,地震短期预测仍是具有高复杂度的世界性科学难题,现有的预测方法仍存在很大的可创新空间(周硕愚等,2019).对于地壳内部的构造地震而言,地震事件的发生是整体断层系统长期演化的结果.因此,地震预测方法的发展离不开对发震断层内部的摩擦过程及触发机制的研究.
2020-09-05
创新不仅是民族进步的灵魂，也是国家蓬勃发展的不竭动力。有关数据表明，教育部正在制定本科专业的教学质量标准，重点纳入创新精神和能力的培养。同时，全国各高校都在结合自己学校专业的特点，组织修改培养方案，将创新精神和能力作为重要培养指标之一。 空气动力学是能源与动力工程专业的技术基础课，是研究作为流体的空气的力学运动规律及其应用的学科。
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风洞试验、数值计算和模型飞行试验是空气动力学研究的三大手段，通过三大手段的综合应用，形成闭环的气动试验研究体系。气动试验研究体系着眼设备发展大局和信息化发展趋势，以CPS技术为核心，实现“人”、“信息系统”和“物理系统”的综合集成，形成链路通畅、高度数字化的试验研究环境，形成气动数据从生产到应用生态链，用多维度融合赋能气动研究创新发展，为气动研究工作注入新的活力[3,4]。
2020-08-10
风洞是航空航天领域极为重要的地面试验设施，油源系统是风洞的动力系统，为风洞所有阀门和执行机构提供液压动力，用于实现试验模型各种高难度状态的自动驱动和控制，是十分重要的组成部分。文中风洞是国内主力生产型风洞，控制系统已非常老旧，故障频发，另外随着国内各新型装备吹风试验对风洞的运行性能及功能要求进一步提高，原控制系统已不能很好地满足试验需求。
2020-08-10
“材料力学”课程是全国高等院校机械工程、土木建筑、车辆工程等专业的必修科目，根据国家对本科教育和人才培养的整改优化，国内高校对“材料力学”课程的教学课时做出相应调整[1]。“材料力学”课程因内容较抽象、研究问题较繁琐，因此对于基础较薄弱、理解能力较差的学生学习该课程会更加困难[2]。
2020-08-10
平流层浮空器是指利用轻于空气的浮升气体产生的浮力在平流层底部进行持久驻空飞行的浮空类飞行器,主要包括平流层飞艇和高空气球,具有飞行时间长、搭载能力强、使用效费比高等优点.平流层浮空器在全天候、全天时的信息获取应用中具有显著优势,可为对地观测、通信保障、防灾减灾、环境监测等应用需求提供重要的技术解决方案,具有巨大的军民应用前景[1].
2020-08-10
间隙这一非光滑因素广泛存在于机械系统中,比如齿轮传动系统中的齿侧间隙、导杆滑块机构中的多运动副间隙、起落架系统中的扭转间隙、空间机械臂的关节间隙、共振筛内的弹簧间隙等[1,2,3,4,5]。系统结构内的间隙,是引起分段约束问题的主要因素,它会对机械系统的动力学特性产生重要的影响,因此吸引了许多学者对含间隙系统的动力学行为进行研究。
2020-08-10
当飞机、车、船及火车运行速度较高时,湍流边界层激励的结构振动噪声成为该类交通工具内噪声的重要组成部分,会大大降低乘坐舒适度。舰艇在10kn以上中高航速时,流激振动噪声是声呐自噪声的重要组成部分,对声呐正常工作有不利影响[1]。湍流边界层激励结构振动主要包括湍流壁面脉动压力功率谱和结构随机振动响应功率谱两大内容。
2020-08-10
当一个物体在流体中作刚体运动或模态振动时,会带动其周围的流体一起发生运动,其中运动流体的动能可以用相应的附加质量进行度量。若假定流体无黏无旋,则依据势流理论,完全浸没物体的附加质量取决于其形状及运动模式,而与位移大小、速度及加速度无关[1]。对于附加质量,除极个别简单情形存在解析解外,一般需由数值方法或实验进行计算。
2020-08-10
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期刊名称：力学学报
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主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院力学研究所
出版地方：北京
专业分类：科学
国际刊号：0459-1879
国内刊号：11-2062/O3
邮发代号： 2-814
创刊时间：1957年
发行周期：双月刊
期刊开本：大16开
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2020-01-08
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