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1、1,计算流体力学Computational Fluid Dynamics,- 研究生课程讲稿.2004 -,黄国平 南京航空航天大学.二院, 南京航空航天大学 ,2,计算流体力学课程简介,第一章 CFD绪论 第二章 流体动力学基本方程 第三章 数值离散基础 第四章 网格生成技术 第五章 时间推进的Euler/N-S方程组数值解法 第六章 不可压缩N-S方程数值解法 第七章 其他常用计算流体力学方法介绍,教学大纲, 南京航空航天大学 ,3,1.1计算流体力学概述 什么是CFD （What） ？ 为什么需要CFD （Why） ？ 1.2计算流体力学的发展 CFD产生及发展历程 1.3计算流体力学中
2、的应用 CFD用在什么地方（Where） ？ 1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 CFD计算的物理对象 数学模型 数值解法 CFD主要工作流程,第一章，CFD绪论, 南京航空航天大学 ,4,1.1 计算流体力学概述 1.（What）什么是CFD？ CFD即计算流体力学 流体力学分支， Computational Fluid Dynamics，CFD 理论分析流体力学（Analytical Fluid Dynamics ，AFD） 实验流体力学（ Experimental Fluid Dynamics ，EFD） CFD已随计算机技术的发展而变得越来越重要。 CFD是利用计算机模拟真实流动
3、现象 流体在一定的空间区域连续流动 将该区域离散为细小的网格单元 在这些单元内求解描述流动规律的数学方程 采用可视化技术等分析计算得到的流场,第一章，CFD绪论, 南京航空航天大学 ,5,1.1 计算流体力学概述 2.（Why）为什么需要CFD？ 理论分析（AFD）可解决的问题非常有限制 描述流体运动的偏微分方程数学特性非常复杂，迄今为止只有很少数很简单的流动用AFD获得了结果 CFD与实验研究（EFD）相比有独特的优势 不需要实验模型、风洞等，可节省大量的时间和经费 可以获得远比实验数据丰富、直观的三维流场结果 可以模拟许多难以进行实验的流动问题 能实现计算机的“虚拟”设计/分析，一定程度代
4、替制造和测试 能认识和探索许多新的流动问题 CFD技术已有较高的水平，并在发展；同时计算机运算能力每3年提高一倍，两者结合使CFD的作用越来越强。,第一章，CFD绪论, 南京航空航天大学 ,6,1.2 计算流体力学的发展 CFD技术产生晚，发展快，地位越来越重要 20世纪初开始的理论基础研究 松弛迭代、CFL条件、Lax定理等 6070年代初步形成数值计算能力，无粘线性问题计算 面元法，用于飞机和汽车工业 7080年代实现了无粘非线性问题的计算 全速势方程计算，激波装配法，不可压N-S方程计算 8090年代取得了Euler/N-S方程计算突破 TVD、MUSCL等高分辨率格式，时间推进的有限体
5、积法 90年代至今，CFD技术继续发展 ENO格式、大涡模拟、直接数值模拟,第一章，CFD绪论, 南京航空航天大学 ,7,1.3 计算流体力学中的应用 （Where）？可用于非常广泛的涉及流体运动的领域 航空航天 天气预测 舰船设计 汽车工业 能源工程 化学工业 生物工程 体育竞赛,F-18战斗机,X-43高超音速飞机,第一章，CFD绪论, 南京航空航天大学 ,8,1.3 计算流体力学中的应用 （Where）？可用于非常广泛的涉及流体运动的领域 航空航天 天气预测 舰船设计 汽车工业 能源工程 化学工业 生物工程 体育竞赛,23/1/ 1999 美国风暴的卫星照片和预测图象,第一章，CFD绪论
6、, 南京航空航天大学 ,9,1.3 计算流体力学中的应用 （Where）？可用于非常广泛的涉及流体运动的领域 航空航天 天气预测 舰船设计 汽车工业 能源工程 化学工业 生物工程 体育竞赛,舰船绕流的CFD模拟,第一章，CFD绪论, 南京航空航天大学 ,10,1.3 计算流体力学中的应用 （Where）？可用于非常广泛的涉及流体运动的领域 航空航天 天气预测 舰船设计 汽车工业 能源工程 化学工业 生物工程 体育竞赛,CFD得到的汽车车身压力分布和气流流线,第一章，CFD绪论, 南京航空航天大学 ,11,1.3 计算流体力学中的应用 （Where）？可用于非常广泛的涉及流体运动的领域 航空航天
7、 天气预测 舰船设计 汽车工业 能源工程 化学工业 生物工程 体育竞赛,水力发电和火电站的流动问题CFD模拟,第一章，CFD绪论, 南京航空航天大学 ,12,1.3 计算流体力学中的应用 （Where）？可用于非常广泛的涉及流体运动的领域 航空航天 天气预测 舰船设计 汽车工业 能源工程 其他工业 生物工程 体育竞赛,化工容器及管道流动问题室内通风等,第一章，CFD绪论, 南京航空航天大学 ,13,1.3 计算流体力学中的应用 （Where）？可用于非常广泛的涉及流体运动的领域 航空航天 天气预测 舰船设计 汽车工业 能源工程 其他工业 生物工程 体育竞赛,激光手术时眼球内液体流动,游泳、自行
8、车等竞赛,第一章，CFD绪论, 南京航空航天大学 ,14,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 CFD计算的物理对象:,第一章，CFD绪论,流动的分类框架图, 南京航空航天大学 ,15,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 数学模型 1, 数学模型本身 部分流动的数学模型是准确的（如：无粘流、层流） 部分流动的数学模型本身就是近似的（如：湍流RANS，LES） 2, 数学模型的求解计算 只有少数非常简单的问题有准确的理论分析解（如：平面势流中的点源、点汇等） 绝大多数问题需要采用近似的数值解法，即以离散的解来逼近原来的连续流动。,第一章，CFD绪论, 南京航空航天大学 ,16,1.4
9、计算流体力学的形象理解和关键问题 数值解法 1, 计算域的离散 将流动空间区域离散为细小的网格单元 2, 控制方程的离散 控制流动的方程反应了流体流量、动量、能量的守恒 在控制体内用差分逼近微分，将连续场内微分方程转变为分布在一系列网格单元上的代数方程 使用迭代等方法求解这些代数方程,第一章，CFD绪论, 南京航空航天大学 ,17,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 CFD主要工作流程 几何描述 说明流动条件 选择计算的数学模型 说明初始条件、边界条件 网格生成 选择数值计算参数 CFD程序计算 流场结果的可视化分析处理 准确度估计,描述计算空间域的几何形状，重点是流体机械的造型： 可以
10、采用Ug、Catia、Pro-E、AutoCad等造型； 也可以自行编程给出造型。,第一章，CFD绪论, 南京航空航天大学 ,18,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 CFD主要工作流程 几何描述 说明流动条件 选择计算的数学模型 说明初始条件、边界条件 网格生成 选择数值计算参数 CFD程序计算 流场结果的可视化分析处理 准确度估计,说明流动条件： 流动类型（如：层流或湍流） 来流条件（如：速度、压力） 选择计算的数学模型 Euler方程、N-S方程、湍流模型等,第一章，CFD绪论, 南京航空航天大学 ,19,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 CFD主要工作流程 几何描述 说明
11、流动条件 选择计算的数学模型 说明初始条件、边界条件 网格生成 选择数值计算参数 CFD程序计算 流场结果的可视化分析处理 准确度估计,流场初始条件： 1，不影响定常结果 2，猜得好的初场可加快计算收敛 流场边界条件： 1，决定流场结果（定常、非定常） 2，包括固壁、入流、出流、远场等,第一章，CFD绪论, 南京航空航天大学 ,20,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 CFD主要工作流程 几何描述 说明流动条件 选择计算的数学模型 说明初始条件、边界条件 网格生成 选择数值计算参数 CFD程序计算 流场结果的可视化分析处理 准确度估计,网格分区和生成（Gridgen）,第一章，CFD绪论
12、, 南京航空航天大学 ,21,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 CFD主要工作流程 几何描述 说明流动条件 选择计算的数学模型 说明初始条件、边界条件 网格生成 选择数值计算参数 CFD程序计算 流场结果的可视化分析处理 准确度估计,选择设置计算的参数和选项： 如：计算格式、CFL数、迭代步数等 CFD程序计算（NAPA）： 多层加密计算、判断收敛,第一章，CFD绪论, 南京航空航天大学 ,22,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 CFD主要工作流程 几何描述 说明流动条件 选择计算的数学模型 说明初始条件、边界条件 网格生成 选择数值计算参数 CFD程序计算 流场结果的可视化分
13、析处理 准确度估计,流场结果后处理（Tecplot）： 通过等值图、流线图、XY函数曲线图等手段对流场密度、压力、马赫数等参数和流速、流向等进行分析,第一章，CFD绪论, 南京航空航天大学 ,23,第一章，CFD绪论,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 CFD主要工作流程 几何描述 说明流动条件 选择计算的数学模型 说明初始条件、边界条件 网格生成 选择数值计算参数 CFD程序计算 流场结果的可视化分析处理 准确度估计,准确度估计： 1，监测迭代收敛精度、参考点参数波动 2，网格对计算的影响分析 3，与标准实验数据的对比, 南京航空航天大学 ,24,第一章，CFD绪论, 网上 CFD资源
14、 http:/www.cfd- http:/capella.colorado.edu/laney/home.htm http:/ercoftac.mech.surrey.ac.uk http:/dataserv.inria.fr/sinus/flownet/index.php3 http:/www.nas.nasa.gov/Research/Datasets/datasets.html http:/www.grc.nasa.gov/WWW/wind/valid http:/www.engapplets.vt.edu http:/www.andrew.cmu.edu/user/sowen/mesh.html, 南京航空航天大学 ,25,本讲课程结束！,