据传，量子力学奠基人之一、德国著名物理学家、诺贝尔奖获得者海森堡临终前曾在病榻上说过一句话：“当我见到上帝后,我一定要问他两个问题——什么是相对论，什么是湍流。我相信他只对第一个问题应该有了答案。”湍流问题作为经典物理学中最后一个未解的百年难题，至今仍未完全解决。但是，湍流问题的核心机理（如奇点理论）已取得突破性进展[1]，并且作为解决湍流问题的重要工具之一的计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics, 简写CFD) 近年来得到了快速的发展，不仅为湍流问题的最终解决带来了曙光，更应用在多个领域，提高社会生产效率，提升人类生活质量。

图1 海森堡的博士论文

 

什么是CFD？

CFD（Computational Fluid Dynamics），即计算流体力学，是一门用数学方程和计算机技术模拟流体运动的科学。它通过将流体力学的基本方程（如纳维-斯托克斯方程）离散化，利用超级计算机求解，从而在虚拟世界中重现复杂的流动现象[2]。

简单来说，CFD就是给流体装上“数字眼睛”，让我们无需依赖昂贵的物理实验，就能在电脑上观察、分析和优化流体的行为。

 

 

CFD技术成熟可靠

经过60余年发展，CFD已从实验室走向工业一线，成为工程决策的“黄金标准”：

1、理论扎实：基础方程经无数实验验证，数值算法（如有限体积法、LES湍流模型）高度成熟。

2、软件生态完善：ANSYS Fluent、COMSOL、OpenFOAM等工具覆盖从科研到工业的全场景需求。

3、行业认证：

航空领域：CFD模拟结果可直接用于飞机适航认证；

汽车领域：全球车企用CFD优化车身风阻，降低油耗5%-15%；

医疗领域：美国食品药品监督管理局FDA已认可CFD作为医疗器械设计的辅助证据[3]。

图2 CFD模拟飞机空气流动的流线图和压力场分布

 

CFD技术应用广泛

1、航空航天：让飞行更高效、更安全

优化飞机机翼设计，降低空气阻力，减少燃油消耗；

模拟火箭发动机燃烧室内的复杂流动，提高推进效率。

 

2、能源与环境：为地球“把脉”

设计高效风力发电机叶片，最大化风能利用；

预测污染物在大气或水体中的扩散路径，助力环境治理。

 

3、生物医学：守护生命健康

模拟血液在血管中的流动，辅助冠心病诊疗，优化人工心脏瓣膜设计；

分析药物在人体内的输送过程，提高治疗效果。

图3 CFD模拟血液在狭窄血管中的流速分布图[4]

 

4、汽车工业：打造更智能的交通工具

优化车身空气动力学，降低风阻与噪音；

模拟电池组散热，提升电动汽车的安全性与续航能力。

 

5、日常生活：无处不在的CFD

优化空调系统气流，提升室内舒适度；

冬奥速滑服表面纹理设计，助力运动员减少风阻。

 

 

CFD+AI的创新应用

随着计算机技术的飞速发展，CFD正迎来新的突破：

 

 

举例来说，在医疗领域，睿心医疗凭借自研的AI+3D-CFD技术，打造出软硬件一体化心血管智能诊疗平台，实现了冠心病筛查、检测、诊断、治疗、随访全流程的智能化诊疗和管理。其中，睿心医疗推出的睿心分数RuiXin-FFR是全球首款基于人工智能AI+3D-CFD技术的CT-FFR产品，可对冠状动脉血管进行三维重建以及对心外膜冠状动脉狭窄功能性评价的“金标准”——血流储备分数(FFR,Fractional Flow Reserve)FFR值计算，是从形态学和功能学两方面综合评估冠状动脉病变的无创检测技术。

相比其他厂商使用的技术路线，睿心分数RuiXin-FFR的技术优势主要为对血流的还原程度高，因此FFR值计算精准度更高，基本与有创压力导丝测量结果一致。经全球最大规模前瞻性临床试验验证，睿心分数RuiXin-FFR的准确率92%、敏感度95%、特异度90%[5]，全面领先行业其他技术方案。

 

不仅如此，睿心分数RuiXin-FFR另一个显著优势，是适用于各种冠状动脉解剖结构和复杂病变。这背后的核心原因在于睿心医疗的创始团队具有美国约翰霍普金斯大学、斯坦福大学医学院、GE、西门子等顶尖教育背景和研发经验。众所周知，前两所高校在流体力学研究上全球领先。创始团队从美国深造归国后，将其3D-CFD与AI领域的科研成果进一步融合优化，赋能睿心医疗一体化解决方案，构筑了公司深厚的技术护城河。

睿心分数RuiXin-FFR为冠心病精准诊疗带来了众多获益，用领先科技守护患者心血管健康。对医院来说，睿心分数RuiXin-FFR可实现高、中、低危患者精准分层管理，避免不必要的漏诊，从而提高医院诊断冠心病的金标准——有创冠状动脉造影（ICA）的使用效率，提升血运重建手术质量，提升住院患者病种质量。目前，睿心分数RuiXin-FFR临床应用覆盖全国800+家三甲医院，已实现61000+例患者安全使用，完成100+医院准入。

不仅是睿心分数RuiXin-FFR，睿心医疗的一体化心血管智能诊疗生态已全部搭载AI+3D-CFD技术，包括一站式宏观与微观冠脉功能检测系统——睿心造影FFR RuiXin-Angio QFA100、冠脉CT造影图像血管狭窄辅助评估软件——智慧脉RuiXin-Coronary AI、心血管手术计划辅助决策平台RuiXin-Planner、介入手术机器人、钙化积分智能评估系统RuiXin-CaScore、三维可视化医学图像处理软件等。这些创新产品共同构建了一个覆盖冠心病诊疗全流程的智能化解决方案，不仅显著提升了诊断的精准性和治疗的高效性，为医生提供了更全面的决策支持，为患者带来了更精准、安全、个性化的诊疗体验，真正实现了从“精准诊断”到“智能治疗”的闭环管理。

睿心医疗一体化心血管智能诊疗解决方案

 

从达芬奇手稿中的漩涡草图，到今日每秒万亿次计算的CFD仿真，人类用智慧将流体的混沌之美，化作改变世界的精确力量。

图4 达芬奇手稿

 

 

CFD不仅是一门科学，更是一种思维方式——用数字化、智能化的手段，探索未知，预见未来。

 

参考文献

[1] Dou H S.Singularity of Navier-Stokes Equations Leading to Turbulence [J].2018.DOI:10.48550/arXiv.1805.12053.

[2] 陈江涛,肖维,赵炜,等.计算流体力学验证与确认研究进展[J].力学进展,2023,53(03):626-660.

[3] FDA. (2020). Computational Fluid Dynamics in Medical Device Design. Guidance for Industry.

[4] Taylor C A , Fonte T A , Min J K .Computational Fluid Dynamics Applied to Cardiac Computed Tomography for Noninvasive Quantification of Fractional Flow Reserve[J].Journal of the American College of Cardiology,2013,61(22):2233-2241.DOI:10.1016/j.jacc.2012.11.083.

[5] Diagnostic accuracy of CT-FFR with a new coarse-to-fine subpixel algorithm in detecting lesion-specific ischemia: a prospective multicenter study.Rev Esp Cardiol (Engl Ed). 2024 Feb;77(2):129-137.