03 基础知识 | 计算域设置

1 计算域是什么

在 CFD（计算流体力学）计算中，计算域指的是被研究的流体流动所占据的空间范围，是我们为了模拟流体行为而划定的求解区域。 

简单来说，它就是 CFD 仿真的 “边界框”，所有的流动控制方程（如连续性方程、动量方程、能量方程）都在这个区域内求解。

按照流场特性，可以将计算域分为内场计算域和外场计算域。

1.1 内场计算域

内流场指的是流体在受限空间内部的流动区域及对应的流动状态，一般可以认为流场是从封闭腔体内抽取而成，内场计算域就是用于内流场计算的计算域。

典型应用场景

• 管道内流动：自来水管道内的水流、空调风管内的气流。

• 机械腔体 / 部件内流动：发动机气缸内的燃气流动、涡轮机叶片通道内的气流流动；泵、风机内部的叶轮与蜗壳之间的流体运动。

• 设备内部的冷却 / 散热流动：电子设备机箱内的空气流动、电机外壳内部的冷却水流，房间暖通流场分析。

1.2 外场计算域

外流场指的是流体绕固体外部流动的区域及对应的流动状态，核心特征是固体浸没在无限或半无限的流体介质中，外场计算域就是用于外流场计算的计算域。

典型应用场景

• 航空航天：飞机、火箭、导弹的气动外形设计。
• 汽车工程：轿车、高铁等流场分析。
• 船舶工程：水面与水下舰艇的水动力特性分析。
• 建筑工程：高层建筑、桥梁的风荷载分析。

2 为什么要考虑计算域设置问题

和网格无关性和时间步长无关性类似，计算域的大小设置非常重要，它直接决定了 CFD 仿真结果的准确性和计算效率，不合理的计算域尺寸会导致结果失真或者计算资源的严重浪费。

• 计算域过小：会截断流动的自然发展过程，造成边界干扰计算域过小，会截断流动的自然发展过程，造成边界干扰

• 计算域过大：会产生大量冗余的网格，造成计算资源的浪费。

• 计算域合理：可以在保证精度的前提下，控制网格总量，实现 “精准计算”，平衡精度和效率，因此在仿真计算中，需要重点考虑计算域设置的问题。

3 如何选择合适的计算域尺寸

计算域大小的确定没有统一的固定公式，核心原则是保证流动充分发展、消除边界干扰，同时兼顾计算效率，具体取值需要结合内流场和外流场的不同特性来设定。

3.1 内流场计算域大小确定

内流场的空间受固体边界约束，计算域大小主要围绕进出口延伸段来确定，目的是避免进出口界的扰动直接影响目标区域的流动。

入口延伸段：入口延伸段长度通常取 5~10倍管道直径（D）。

出口延伸段：出口延伸段长度通常取 10~20倍管道直径（D）。

3.2 外流场计算域大小确定

外流场的固体对象浸没在开放流体中，计算域大小需要给来流、绕流和尾流留出足够空间，核心是消除计算域边界对绕流特性的干扰。通常以研究对象的特征尺寸为基准，以下给出一个大概参考（以圆柱绕流为例）          
1.  上游（来流方向）：计算域入口到物体前缘的距离，取 5~10倍特征尺寸。          
3.  两侧及上下侧：计算域侧边/上下边界到物体表面的距离，取 5~10倍特征尺寸。          
2.  下游（尾流方向）：计算域出口到物体后缘的距离，取 15~30倍特征尺寸。

具体计算域建议直接参考相关文献进行引用，以下为部分文献，主要为船舶领域文献：