Вычислительная гидродинамика (ВГД) – это раздел науки, решающий проблему моделирования тепломассопереноса в различных технических и природных объектах.
Основной задачей ВГД является численное решение уравнений Навье-Стокса, описывающих динамику жидкости. Дополнительно учитываются различные физико-химические эффекты: горение, турбулентность или потоки сквозь пористую среду. Эти уравнения составляют математическую модель тепломассопереноса.
ВГД как прикладная наука сформировалась в середине 20 века. Основным потребителем ее результатов была аэрокосмическая промышленность. С развитием высокопроизводительных компьютеров, которые стали доступны по цене большому числу пользователей, в 70-х годах началось бурное развитие коммерческих программ вычислительной гидродинамики. В 80-х и начале 90-х годов эти программы устанавливаются на компьютеры класса «рабочие станции». В конце 90-х годов дешевые персональные компьютеры догнали по мощности рабочие станции, а основная операционная система, которая устанавливается на них – MS Windows – стала превосходить по уровню пользовательского интерфейса графические оболочки операционных систем рабочих станций. В это время появились программы в области ВГД, предназначенные для персональных компьютеров.
Вычислительная гидродинамика первоначально развивалась для решения задач аэрокосмической промышленности – расчет камер сгорания ракетных двигателей, расчет физико-химических процессов при обтекании головных частей боеголовок и обтекания сверхзвуковых самолетов.
В настоящее время область применения ВГД значительно расширена гражданскими приложениями. Приведем ниже краткий список задач, решаемых методами ВГД с использованием коммерческих программ.
Автомобильная промышленность: определение коэффициентов сопротивления корпуса автомобиля набегающему воздушному потоку; вентиляция подкапотного пространства и салона; моделирование горения топлива в камере сгорания.
Аэрокосмическая промышленность: моделирование обтекания самолетов и ракет; вентиляция и пожаробезопасность салонов самолетов; моделирование физико-химических процессов в турбореактивных двигателях и в камерах сгорания ракет.
Технологические процессы производства материалов: моделирование литья металлов и пластмасс в форму; моделирование физико-химических процессов в химических и биологических реакторах.
Строительство: расчет ветровых нагрузок на здания и сооружения; вентиляция и пожаробезопасность зданий; определение сопротивлений воздуховодов и водо-раздаточных устройств;
Энергетика: расчет горелок для сжигания топлива в котлах ТЭЦ; расчет выбросов оксидов азота котлами ТЭЦ; определение сопротивлений газоходов;
Экология и чрезвычайные ситуации: моделирования распространения загрязнений в водо-воздушных бассейнах; моделирование распространения пожаров в лесах и городах.