前言

      隨著計算機硬件和軟件的發展，產品的設計開發環境發生了日新月異的變化。 就像2維制圖進化為3維制圖那樣，CAE（Computer Aided Engineering）的利用機會越來越多了。以前只有仿真專職工程師使用的熱流體（CFD, Computational Fluid Dynamics）計算軟件，現在設計人員進行熱流體仿真的需求也在不斷增加。熱流體仿真已經逐漸成為技術人員必須具備的技能。但是，對于日常工作繁忙的設計人員來說學習和理解熱流體力學以及CFD涉及的理論/概念有很多困難。在這個《CFD基礎課程系列》里，針對剛剛開始，或者將要開始進行熱流體仿真的工程師，介紹有關的基礎知識和基本概念。 

      教程內容盡量回避不容易理解的公式和專用名詞，盡力通過通俗易懂的語言和直觀的現象來闡訴CFD的概念。每次以3到4頁的篇幅逐步發布。衷心希望本系列能夠對大家的日常業務有所幫助。

      同時，由于編者水平有限，錯誤和紕漏之處在所難免，敬請廣大讀者批評指正。

第1章 熱流體仿真是什么？

      在第一章里，我們介紹流體和熱的傳遞有關的現象，以及流體仿真的優點和注意點。

1.1 熱流體相關的現象
      常溫下空氣能夠自由流動，從而沒有明確的形狀，具有這種流動性質的物體統稱為流體。

                                                                         圖1.1　三種物質狀態

      地球上存在各種各樣的流體，空氣和水最具有代表性。我們身邊很多現象都與流體的流動和熱的傳遞有關。

      比如，汽車車體和飛機機體周圍的空氣流動對汽車和飛機的性能影響很大。電子器械和電子回路的設計中，為了避免部件超過容許溫度，散熱設計就非常重要。另外，空調設備的設計和研究高層建筑周圍產生的建筑風，熱島現象時，準確掌握空氣和熱的傳遞對于營造舒適的環境非常關鍵。

      這些流體和熱的傳遞現象與我們的生活息息相關，對于這些現象的理解和掌握是一個極其重要的課題。

                                                          圖1.2　流體和熱的傳遞有關的現象

1.2 熱流體仿真的優點和缺點

      上一節列舉的各種現象可以通過實驗得到實際現象的數據和信息。這些信息和數據的可信度很高。但是，實驗的實施往往需要很高的費用，很長的時間以及和很大的人力。

      解決這些問題的有效方法和工具是熱流體仿真軟件。熱流體仿真涉及的學科叫計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics），取英文名的第一個字母，簡稱為CFD。

      利用熱流體仿真軟件，將流體和熱的傳遞在計算機上再現成為可能。近年來，隨著仿真技術和計算機性能的飛躍發展，仿真結果在實際的產品設計中得到了廣泛的應用。以下例舉了熱流體仿真的優點。

• 對于不同的設計，不用一一制作樣品并進行實驗來驗證設計的合理性。各種設計方案可以在計算機里進行驗證，大大縮短了開發周期和設計修改的費用。

• 不具備實驗條件，或者實驗測定困難的情況下，可以通過仿真得到詳細的數據。

• 可以直觀地顯示和說明肉眼看不清的流場狀態，如速度分布、密度分布、溫度分布、流線等等。
  

      以下是幾個熱流體仿真的案例。

                                                                 圖1.3　熱流體仿真的案例

      熱流體仿真具備以上很有魅力優點的同時，也存在一些缺點。比如，在計算復雜的物理現象時往往需要使用簡化物理模型，或者對仿真對象的形狀作了簡化時計算模型會伴隨誤差。另外，數值計算本身也必然包含了一定的計算誤差。

      因此，在理解了熱流體仿真的優缺點的基礎上，謹慎判斷仿真得到的計算結果是不是合理是非常重要的。

      下一章里，我們將介紹熱流體仿真時常用的流體特性以及它們的物理意義。

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