計(jì)算流體力學(xué)基本概念及詳細(xì)解析ppt課件

1、計(jì) 算 流 體 力 學(xué) Computational Fluid Dynamics,第一章 緒 論,授課人：錢 昆 船舶工程學(xué)院 2-18周 研教樓506,利用數(shù)值計(jì)算方法通過(guò)計(jì)算機(jī)求解描述流體運(yùn)動(dòng)的控制方程，研究流體運(yùn)動(dòng)及其同其它介質(zhì)相互作用的各種復(fù)雜問(wèn)題的學(xué)科。,第一章 緒 論,1 計(jì)算流體力學(xué)簡(jiǎn)介 什么是計(jì)算流體力學(xué)？,數(shù)值解而不是解析解,計(jì)算理論和計(jì)算技術(shù)起關(guān)鍵作用,與計(jì)算機(jī)的發(fā)展緊密相關(guān),第一章 緒 論, 解決眾多相關(guān)學(xué)科的的科研工作和工程實(shí)際提出的與流體力學(xué)問(wèn)題有關(guān)的各類復(fù)雜的問(wèn)題,機(jī)械、航天航空、氣象、海洋、船舶、汽車、石油、化工、環(huán)境、建筑、土木、水利、核能等等,第一章 緒 論,

2、在能源動(dòng)力工程中的應(yīng)用,第一章 緒 論,在化工中的應(yīng)用,第一章 緒 論,在航空航天工程中的應(yīng)用,第一章 緒 論,在汽車工程中的應(yīng)用,第一章 緒 論,在海洋工程中的應(yīng)用,第一章 緒 論,在傳熱學(xué)中的應(yīng)用,第一章 緒 論,在傳熱學(xué)中的應(yīng)用,第一章 緒 論,在水力學(xué)中的應(yīng)用,第一章 緒 論,在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用,第一章 緒 論,在體育中的應(yīng)用,第一章 緒 論,CFD用來(lái)解決的問(wèn)題,穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)流動(dòng) 層流/湍流流動(dòng) 單相/多相流動(dòng) (歐拉多相流，拉格朗日多相流) 不可壓流動(dòng)/可壓縮流動(dòng) 傳熱/流固共扼傳熱 表面張力驅(qū)動(dòng) 非牛頓流 多組分流動(dòng) 燃燒和輻射 化學(xué)反應(yīng),第一章 緒 論,解決流體力學(xué)問(wèn)題的方法 理論流

3、體力學(xué) 試驗(yàn)流體力學(xué) 計(jì)算流體力學(xué),理論方法主要包括： 解決理想流體問(wèn)題: 歐拉運(yùn)動(dòng)微分方程,包括定常條件下沿流線積分得到的伯努力方程,非定常無(wú)旋運(yùn)動(dòng)的拉格朗日方程。 解決實(shí)際流體問(wèn)題: 納維-斯托克方程。,第一章 緒 論,第一章 緒 論,流體力學(xué)理論方法,理想流體流動(dòng),粘性流體流動(dòng),不可壓,可壓,基本特性,應(yīng)用研究,伯努理定理,拉格朗日定理,一元流動(dòng),平面流動(dòng),空間流動(dòng),宏觀特性 積分特性,簡(jiǎn)單問(wèn)題 流函數(shù),一元流動(dòng),平面流動(dòng),小擾動(dòng)法 特征線法,解析解,近似解,勃拉修斯解,極慢滑動(dòng)軸承,圓球繞流,無(wú)界平板管內(nèi) 定常層流流動(dòng),邊界層流動(dòng),簡(jiǎn)單問(wèn)題，理想化條件,第一章 緒 論,理論研究的不足

4、(1)不論是流體力學(xué)，傳熱學(xué)，還是燃燒學(xué)都是以實(shí)際中并不存在的理想情況或簡(jiǎn)單問(wèn)題為研究對(duì)象。 (2)這些研究在理想條件和簡(jiǎn)單問(wèn)題基礎(chǔ)之上，應(yīng)用積分、保角變換、小擾動(dòng)線化理論和特征線理論等一些數(shù)學(xué)手段進(jìn)行演繹和推導(dǎo)，最終給出所能考慮的過(guò)程變量之間相互制約的一個(gè)解析的或近似的表達(dá)式。 (3)一方面它們的研究手段或成果難于或無(wú)法應(yīng)用于復(fù)雜的問(wèn)題，另一方面它們對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)意義比較宏觀和籠統(tǒng)，難以或無(wú)法微觀和具體。,試驗(yàn)方法 因問(wèn)題的不同可以采用不同的試驗(yàn)方法，主要分為實(shí)物試驗(yàn)和模型試驗(yàn)兩種方法。試驗(yàn)實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)在于：, 權(quán)衡相似準(zhǔn)則 保證邊界條件,第一章 緒 論,計(jì)算流體力學(xué) 是理論方法與試驗(yàn)方法的

5、結(jié)合，是以理論方法為基礎(chǔ)輔以試驗(yàn)方法的一種數(shù)值方法。,第一章 緒 論, 所謂以理論方法為基礎(chǔ)，是以數(shù)值差商代替微商，以數(shù)值方程代替微分方程，以代數(shù)運(yùn)算代替微分運(yùn)算，最終得到微分方程在離散點(diǎn)上的數(shù)值解。, 所謂輔以試驗(yàn)方法，是指以試驗(yàn)方法得到某些水動(dòng)力系數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)值方程組的封閉。,計(jì)算流體力學(xué)、理論流體力學(xué)、實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)是流體力學(xué)研究工作的三種主要手段既互相獨(dú)立又相輔相成,第一章 緒 論, 理論分析具有普遍性各種影響因素清晰可見、為實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究提供依據(jù),實(shí)驗(yàn)研究是研究工作的基石，數(shù)值研究的許多方面都密切依賴于實(shí)驗(yàn)研究：實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)；計(jì)算結(jié)果需由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以建立計(jì)算模型等

6、等,數(shù)值模擬是特殊意義下的實(shí)驗(yàn)，也稱數(shù)值實(shí)驗(yàn),第一章 緒 論,第一章 緒 論,計(jì)算流體力學(xué)研究工作的優(yōu)勢(shì)、存在的問(wèn)題和困難,1優(yōu)勢(shì)：,“數(shù)值實(shí)驗(yàn)”比“物理實(shí)驗(yàn)”具有更大的自由度和靈活性，例如“自由”地選取各種參數(shù)等,“數(shù)值實(shí)驗(yàn)”可以進(jìn)行“物理實(shí)驗(yàn)”不可能或很難進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)；例如：天體內(nèi)部地溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，可控?zé)岷朔磻?yīng)地?cái)?shù)值模擬,“數(shù)值實(shí)驗(yàn)”的經(jīng)濟(jì)效益極為顯著，而且將越來(lái)越顯著,第一章 緒 論,計(jì)算流體力學(xué)的問(wèn)題,流動(dòng)機(jī)理不明的問(wèn)題，數(shù)值工作無(wú)法進(jìn) 行,數(shù)值工作自身仍然有許多理論問(wèn)題有待 解決,離散化不僅引起定量的誤差，同時(shí)也會(huì)引起定性的誤差，所以數(shù)值工作仍然離不開實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,第一章 緒 論,早在

7、1933年，英國(guó)科學(xué)家THOM應(yīng)用手搖計(jì)算機(jī)完成了對(duì)一個(gè)外掠園流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算，但真正應(yīng)用計(jì)算機(jī)和數(shù)值計(jì)算方法求解流動(dòng)問(wèn)題，并在全世界范圍內(nèi)形成規(guī)模而且得到有益的結(jié)果，大致始于60年代,計(jì)算傳熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史,第一章 緒 論,第一階段-萌芽初創(chuàng)時(shí)期,1965年美國(guó)科學(xué)家Harlow/Welch提出了交錯(cuò)網(wǎng)格,1966年Gentry/Martin/Daly及Barakat/Clark確認(rèn)了迎風(fēng)格式的意義,1966年世界上第一本介紹CFD的刊物Journal of Computational Physics創(chuàng)刊,1967年P(guān)atankar和Spalding發(fā)表了求解拋物型流動(dòng) P-S方法。,第一章 緒

8、論,1972年SIMPLE算法問(wèn)世,1974年美國(guó)學(xué)者Thompson, Thames及Mastin提出采用 微分方程來(lái)生成適體坐標(biāo)的方法(TTM方法)，后來(lái)逐 漸形成為CFD/NTH領(lǐng)域的一個(gè)重要分支-網(wǎng)格生成 技術(shù),第一章 緒 論,第二階段-開始走向工業(yè)應(yīng)用階段,1979年Spalding及其合作者開發(fā)的流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的大 型通用軟件PHOENICS第一版問(wèn)世。 PHOENICS是英語(yǔ)Parabolic, Hyperbolic or Elliptic Numerical Intergration Code Series的縮寫。,1979年Leonard發(fā)表了具有良好穩(wěn)定性和高精度的 QUI

9、CK格式，使數(shù)值計(jì)算往精益求精的方向邁出了重 要的一步，其后來(lái)得到了廣泛的認(rèn)識(shí)。,隨著NHT不斷成功地應(yīng)用于各種問(wèn)題，工業(yè)界和熱科 學(xué)領(lǐng)域的研究方法也產(chǎn)生改變，由傳統(tǒng)的依靠實(shí)驗(yàn)， 轉(zhuǎn)而采用實(shí)驗(yàn)和計(jì)算并舉的方法。,第一章 緒 論,為了適應(yīng)這一變化，使NHT為工業(yè)界和科研人員所接受 和掌握，并成為他們改進(jìn)設(shè)計(jì)和研究問(wèn)題的一個(gè)有效手 段，1981年CHAM公司把原先局限于帝國(guó)理工CFD研究 組應(yīng)用的PHOENICS軟件正式投放市場(chǎng)。開創(chuàng)了CFD/ NHT商用軟件的先河。其后商用軟件業(yè)蓬勃發(fā)展，到目 前已有幾十種，其中著名的有FLUENT， STAR-CD CFX等。,隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)的不斷發(fā)展，NHT

10、逐步由二維向三維、 由規(guī)則區(qū)域向不規(guī)則區(qū)域、由正交坐標(biāo)系向非正交坐 標(biāo)系發(fā)展,第一章 緒 論,在SIMPLE算法基礎(chǔ)上，先后提出了SIMPLER和 SIMPLEC等改進(jìn)算法。,這一階段NHT已經(jīng)開始走向工業(yè)界，經(jīng)典著作、 商用軟件、網(wǎng)格生成技術(shù)、更好的算法等等這些為日后 歲計(jì)算機(jī)工業(yè)的快速發(fā)展而NHT興旺發(fā)達(dá)奠定了堅(jiān)實(shí)的 理論基礎(chǔ)、人員基礎(chǔ)和物質(zhì)基礎(chǔ)。,在交錯(cuò)網(wǎng)格基礎(chǔ)上，提出了同位網(wǎng)格方法，其吸取交錯(cuò) 網(wǎng)格的成功經(jīng)驗(yàn)，又將求解變量布置在同一套網(wǎng)格上， 在非正交曲線坐標(biāo)系中得到了廣泛的應(yīng)用。,第一章 緒 論,第三階段-進(jìn)一步興旺發(fā)展,1985年Singhal對(duì)NHT的現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并提出NHT

11、有 能力求解的十類問(wèn)題。這十類問(wèn)題涉及范圍十分廣泛， 從純導(dǎo)熱問(wèn)題到氣、固、液并存的流動(dòng)和換熱問(wèn)題。指 出NHT遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)揮它力所能及的程度，主要原因在于： 計(jì)算方法和模型有待完善以及軟件使用不夠方便和友好。 其中后者是主要原因，其為NHT軟件的發(fā)展起到了積極 的促進(jìn)作用。,為使用方便和友好，前后處理軟件迅速發(fā)展,巨型機(jī)的發(fā)展促使了并行算法以及人們用數(shù)值計(jì)算方法 認(rèn)識(shí)湍流現(xiàn)象的可能。如：DNS，LES等。,第一章 緒 論,第三階段-進(jìn)一步興旺發(fā)展,PC機(jī)逐漸成為NHT研究領(lǐng)域的一種重要工具，也使NHT更 進(jìn)一步走向普及。,一批CFD/NHT新教材、參考書和期刊出版或創(chuàng)刊。 Int J Numer

12、ical Methods in Heat and Fluids Flow,一批CFD/NHT的商用軟件陸續(xù)投放市場(chǎng)。PHONICS (1981)、FLUENT(1983)、FIDAP(1983)、FLOW-3D(1991) 、COMPACT等等,第一章 緒 論,計(jì)算流體力學(xué)研究的方向,高精度、多分辨、高效方法 湍流的直接數(shù)值模擬，大渦模擬 化學(xué)反應(yīng)流、多物理問(wèn)題 自由界面流、多相流、流固相互作用 高溫輻射流、磁流體力學(xué) 微尺度流 復(fù)雜流體,網(wǎng)格生成技術(shù) 并行計(jì)算 軟件需求大，求解問(wèn)題的復(fù)雜程度提高和應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大 工程分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化工具,第一章 緒 論,計(jì)算流體力學(xué)的要素,數(shù)學(xué)模型 離散方法 計(jì)算網(wǎng)格(也有無(wú)網(wǎng)格方法，但尚未成熟) 求解方法 計(jì)算結(jié)果的后處理 Verification & Validation,第一章 緒 論,第一章 緒 論,計(jì)算流體力學(xué)問(wèn)題的計(jì)算步驟,前處理 求解 計(jì)算結(jié)果的后處理,第一章 緒 論,計(jì)算流體力學(xué)的研究方程,N-S方程,橢圓型或 橢圓-雙曲型(定常) 雙曲-拋物型(非定常),對(duì)流項(xiàng),壓力項(xiàng),粘性項(xiàng),加速度,連續(xù)方程,狀態(tài)方程,Rayleigh 方程,第一章 緒 論,Euler 方程,無(wú)粘性、熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散 定常：橢圓型，橢圓-雙曲混合型，雙