Вычислительная гидродинамика (англ. computational fluid dynamics, CFD) — подраздел механики сплошных сред, включающий совокупность физических, математических и численных методов, предназначенных для вычисления характеристик потоковых процессов.

Ироничный аналог «разноцветная гидродинамика» (англ. colorful fluid dynamics) присвоен технологии в связи с широчайшими возможностями представления расчётных данных.

Основные принципы

Основой любого исследования в области вычислительной гидродинамики является формулировка основных уравнений гидро- или газодинамики потоков, а именно:

1. уравнения неразрывности;
2. уравнения сохранения импульса;
3. уравнение сохранения энергии;
4. уравнение состояния (для газов).

Уравнение сохранения импульса может иметь различный вид в зависимости от наличия или отсутствия трения. Уравнение Навье — Стокса применяется для потоков при наличии трения, а уравнение Эйлера — для потоков без трения. В зависимости от условий задачи среда может рассматриваться как сжимаемая или несжимаемая. В последнем случае уравнения значительно упрощаются.

Вышеназванные уравнения описывают модель течения среды. В зависимости от особенностей решаемой задачи модель может быть дополнена уравнениями для учёта турбулентности, учёта переноса веществ, учёта химических реакций, учёта многофазности, учёта электромагнитных взаимодействий и т. д.

Из вышеназванных уравнений составляется система нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка. Система имеет аналитическое решение лишь в очень простых случаях, когда число Рейнольдса для задачи мало, а геометрия простая (например, течение Пуазейля). Для широкого спектра природных и технологических процессов задачу можно решить численно в том случае, если производные, стоящие в уравнениях, заменить на конечные разности, созданные на малых пространственных и временных интервалах. В случае моделирования реального процесса производится так называемая дискретизация пространства и времени, таким образом, что геометрия процесса разбивается на расчётные ячейки, выбранные особым образом, а время процесса — на расчётные временные интервалы. Существуют различные методы решения системы уравнений, например:

1. метод конечных разностей;
2. метод конечных объёмов;
3. метод конечных элементов;
4. метод сглаженных частиц ;
5. метод с использованием функции распределения вероятности.

Процесс решения

Для решения задач вычислительной гидродинамики специальное программное обеспечение последовательно выполняет действия, разделённые на следующие этапы:

1. подготовительный этап. На данном этапе формируется геометрия модели, формулируются необходимые физические условия, геометрия дискретизируется, задаются начальные и граничные условия дифференциальных уравнений;
2. расчёт. На данном этапе машина, подчиняясь заданному алгоритму, численно решает основные уравнения с точки зрения базовых физических параметров (скорость, давление, плотность, температура, энтальпия и т. д.), а также записывает результаты решения в память;
3. анализ. Результаты решения отображаются в виде графиков, таблиц, а также контурных и/или векторных схем, привязанных к исходной геометрии.

Программное обеспечение

Существует множество математических программ, предназначенных для выполнения расчётов движения жидкостей и газов, например:

• AcuSolve;
• ADINA;
• Advanced Simulation Library^[1] (бесплатное (AGPLv3) аппаратно ускоренное ПО; C++ API; внутренний движок на OpenCL);
• ANSYS CFX;
• ANSYS Fluent;
• Autodesk Simulation CFD (ранее называлось «CFdesign»);
• Comsol Multiphysics (англ.; ранее называлось «FEMlab»);
• FloEFD (продукт компании Mentor Graphics, однако он более известен как SolidWorks Flow Simulation)
• FlowVision^[2] (российский программный комплекс компании ТЕСИС, за пределами СНГ распространяется компанией Capvidia)
• OpenFOAM (бесплатное ПО);
• Phoenix;
• Star-CD (разработчиком является CD-adapco, принадлежит компании Siemens);
• Star-CCM+ (разработчиком является CD-adapco, принадлежит компании Siemens);
• Stallion 3D;
• XFlow;

Существуют также специализированные программные комплексы, предназначенные для решения определённого вида задач. Например, для моделирования процессов, происходящих в двигателе внутреннего сгорания, создано ПО Fire (AVL), KIVA (LANL), Vectis (Ricardo)).