研究生CFD課程講稿20041課件

計算流體力學

ComputationalFluidDynamics-------研究生課程講稿.2004-------計算流體力學課程簡介第一章CFD緒論第二章流體動力學基本方程第三章數(shù)值離散基礎(chǔ)第四章網(wǎng)格生成技術(shù)第五章時間推進的Euler/N-S方程組數(shù)值解法第六章

不可壓縮N-S方程數(shù)值解法第七章

其他常用計算流體力學方法介紹

教學大綱—南京航空航天大學—目錄本講§1.1計算流體力學概述什么是CFD（What）？為什么需要CFD（Why）？§1.2計算流體力學的發(fā)展CFD產(chǎn)生及發(fā)展歷程§1.3計算流體力學中的應(yīng)用CFD用在什么地方（Where）？§1.4計算流體力學的形象理解和關(guān)鍵問題

CFD計算的物理對象數(shù)學模型數(shù)值解法CFD主要工作流程第一章，CFD緒論—南京航空航天大學—1.1計算流體力學概述2.（Why）為什么需要CFD？理論分析（AFD）可解決的問題非常有限制描述流體運動的偏微分方程數(shù)學特性非常復雜，迄今為止只有很少數(shù)很簡單的流動用AFD獲得了結(jié)果CFD與實驗研究（EFD）相比有獨特的優(yōu)勢不需要實驗模型、風洞等，可節(jié)省大量的時間和經(jīng)費可以獲得遠比實驗數(shù)據(jù)豐富、直觀的三維流場結(jié)果可以模擬許多難以進行實驗的流動問題能實現(xiàn)計算機的“虛擬”設(shè)計/分析，一定程度代替制造和測試能認識和探索許多新的流動問題CFD技術(shù)已有較高的水平，并在發(fā)展；同時計算機運算能力每3年提高一倍，兩者結(jié)合使CFD的作用越來越強。目錄本講第一章，CFD緒論—南京航空航天大學—1.2計算流體力學的發(fā)展CFD技術(shù)產(chǎn)生晚，發(fā)展快，地位越來越重要20世紀初開始的理論基礎(chǔ)研究松弛迭代、CFL條件、Lax定理等60~70年代初步形成數(shù)值計算能力，無粘線性問題計算面元法，用于飛機和汽車工業(yè)70~80年代實現(xiàn)了無粘非線性問題的計算全速勢方程計算，激波裝配法，不可壓N-S方程計算80~90年代取得了Euler/N-S方程計算突破TVD、MUSCL等高分辨率格式，時間推進的有限體積法90年代至今，CFD技術(shù)繼續(xù)發(fā)展ENO格式、大渦模擬、直接數(shù)值模擬目錄本講第一章，CFD緒論—南京航空航天大學—1.3計算流體力學中的應(yīng)用（Where）？可用于非常廣泛的涉及流體運動的領(lǐng)域航空航天天氣預測艦船設(shè)計汽車工業(yè)能源工程化學工業(yè)生物工程體育競賽F-18戰(zhàn)斗機X-43高超音速飛機目錄本講第一章，CFD緒論—南京航空航天大學—1.3計算流體力學中的應(yīng)用（Where）？可用于非常廣泛的涉及流體運動的領(lǐng)域航空航天天氣預測艦船設(shè)計汽車工業(yè)能源工程化學工業(yè)生物工程體育競賽艦船繞流的CFD模擬目錄本講第一章，CFD緒論—南京航空航天大學—1.3計算流體力學中的應(yīng)用（Where）？可用于非常廣泛的涉及流體運動的領(lǐng)域航空航天天氣預測艦船設(shè)計汽車工業(yè)能源工程化學工業(yè)生物工程體育競賽CFD得到的汽車車身壓力分布和氣流流線目錄本講第一章，CFD緒論—南京航空航天大學—1.3計算流體力學中的應(yīng)用（Where）？可用于非常廣泛的涉及流體運動的領(lǐng)域航空航天天氣預測艦船設(shè)計汽車工業(yè)能源工程化學工業(yè)生物工程體育競賽水力發(fā)電和火電站的流動問題CFD模擬目錄本講第一章，CFD緒論—南京航空航天大學—1.3計算流體力學中的應(yīng)用（Where）？可用于非常廣泛的涉及流體運動的領(lǐng)域航空航天天氣預測艦船設(shè)計汽車工業(yè)能源工程其他工業(yè)生物工程體育競賽激光手術(shù)時眼球內(nèi)液體流動目錄本講游泳、自行車等競賽第一章，CFD緒論—南京航空航天大學—1.4計算流體力學的形象理解和關(guān)鍵問題

CFD計算的物理對象:目錄本講第一章，CFD緒論流動的分類框架圖Incompressible(water)Compressible(air,acoustic)External(airfoil,ship)TurbulenceContinuumFluidMechanicsLaminarInternal(pipe,valve)ViscousInviscid—南京航空航天大學—1.4計算流體力學的形象理解和關(guān)鍵問題數(shù)學模型1,數(shù)學模型本身部分流動的數(shù)學模型是準確的（如：無粘流、層流）部分流動的數(shù)學模型本身就是近似的（如：湍流RANS，LES）2,數(shù)學模型的求解計算只有少數(shù)非常簡單的問題有準確的理論分析解（如：平面勢流中的點源、點匯等）絕大多數(shù)問題需要采用近似的數(shù)值解法，即以離散的解來逼近原來的連續(xù)流動。目錄本講第一章，CFD緒論—南京航空航天大學—1.4計算流體力學的形象理解和關(guān)鍵問題CFD主要工作流程幾何描述說明流動條件選擇計算的數(shù)學模型說明初始條件、邊界條件網(wǎng)格生成選擇數(shù)值計算參數(shù)CFD程序計算流場結(jié)果的可視化分析處理準確度估計描述計算空間域的幾何形狀，重點是流體機械的造型：可以采用Ug、Catia、Pro-E、AutoCad等造型；也可以自行編程給出造型。目錄本講第一章，CFD緒論—南京航空航天大學—1.4計算流體力學的形象理解和關(guān)鍵問題CFD主要工作流程幾何描述說明流動條件選擇計算的數(shù)學模型說明初始條件、邊界條件網(wǎng)格生成選擇數(shù)值計算參數(shù)CFD程序計算流場結(jié)果的可視化分析處理準確度估計目錄本講說明流動條件：流動類型（如：層流或湍流）來流條件（如：速度、壓力）選擇計算的數(shù)學模型Euler方程、N-S方程、湍流模型等第一章，CFD緒論—南京航空航天大學—1.4計算流體力學的形象理解和關(guān)鍵問題CFD主要工作流程幾何描述說明流動條件選擇計算的數(shù)學模型說明初始條件、邊界條件網(wǎng)格生成選擇數(shù)值計算參數(shù)CFD程序計算流場結(jié)果的可視化分析處理準確度估計流場初始條件：1，不影響定常結(jié)果2，猜得好的初場可加快計算收斂流場邊界條件：1，決定流場結(jié)果（定常、非定常）2，包括固壁、入流、出流、遠場等目錄本講第一章，CFD緒論—南京航空航天大學—1.4計算流體力學的形象理解和關(guān)鍵問題CFD主要工作流程幾何描述說明流動條件選擇計算的數(shù)學模型說明初始條件、邊界條件網(wǎng)格生成選擇數(shù)值計算參數(shù)CFD程序計算流場結(jié)果的可視化分析處理準確度估計選擇設(shè)置計算的參數(shù)和選項：如：計算格式、CFL數(shù)、迭代步數(shù)等CFD程序計算（NAPA）：多層加密計算、判斷收斂目錄本講收斂第一章，CFD緒論—南京航空航天大學—1.4計算流體力學的形象理解和關(guān)鍵問題CFD主要工作流程幾何描述說明流動條件選擇計算的數(shù)學模型說明初始條件、邊界條件網(wǎng)格生成選擇數(shù)值計算參數(shù)CFD程序計算流場結(jié)果的可視化分析處理準確度估計流場結(jié)果后處理（Tecplot）：通過等值圖、流線圖、XY函數(shù)曲線圖等手段對流場密度、壓力、馬赫數(shù)等參數(shù)和流速、流向等進行分析目錄本講第一章，CFD緒論—南京航空航天大學—第一章，CFD緒論1.4計算流體力學的形象理解和關(guān)鍵問題CFD主要工作流