计算流体力学CFD的基本方法与应用
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为了得到微分方程的数值解，采用离散的方法，把原来的 微分方程近似成一个代数方程组，使其能在计算机上进行求 解。近似公式应用在空间和时间上的小区域内，从而数值解 在离散的空间上给出数值结果，这门学科称为计算流体力学。
CFD的作用像在计算机上做实验，故也称数值实验, 它 不但能取代很多实验工作，而且能做实验室无法进 行的研究。
作， Patankar也在美国工程师协会的协助下，举行了大范围的培训， 皆在推广应用 CFD。 1985年的第四界国际计算流体力学会议上，Spalding 作了 CFD 在工程 设计中的应用前景的专题报告。他将工程中常见的流动、传热、化学 反应等分为十大类问题，并指出CFD都有能力加以解决。
2、CFD的发展历程
性、可靠性及工业化推广应用。
1977年，Spalding等开发的用于预测二维边界层内的迁移现象的GENMIX 程序公开，其后，他们首先意识到公开计算源程序很难保护自己的知 识产权。
在1981年，组建的CHAM公司将包装后的计算软件（PHONNICS－凤凰）正 式投放市场，开创了CFD商业软件的先河。
LES——穷人的DNS
CFD的未来，近期的展望
CFD的未来，远期的展望
• 非线性计算方法的突破 • LES模型的逐步成熟 • 大规模计算、并行计算的发展可以解决DNS、LES、非定
常计算的海量计算等问题 • 先进的湍流模型，反应动力学模型，多相流模型等的逐
步ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ善
CFD的路还很长很长
• CFD是一个新兴的学科 • CFD具有重要的应用 • CFD还有很多问题
计算流体力学CFD的基本 方法与应用
CFD (Computational Fluid Dynamics) 计算流体力学——为您打开通向高科技之门
流体力学 研究方法
数值分析 实验研究 理论分析
动力 条件
计算流体力学
计算机技术 飞速发展
1 什么是CFD?
计算流体力学(computational Fluid Dynamics,简称 CFD，也称“计算流体动力学”)是流体力学的新兴分支。其 定义如下：
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
美国海空军下一代F-35战斗机所使用的超音速进气道就 是CFD的成果之一.
2、CFD的发展历程
第一，初始阶段（1965～1974） 这期间的主要研究内容如下： （1）计算流体力学中的一些基本的理论问题，如模型
方程（湍流、传热、辐射、气体－颗粒作用等） （2）数值方法（差分格式、代数方程求解等） （3）网格划分、程序编写与实现等 （4）数值结果与大量传统的流体力学实验结果及精确
解进行比较，以确定数值预测方法的可靠性、精确性及影 响规律。
2、CFD的发展历程
第二，工业应用阶段(1975～1984年) 该阶段的主要研究内容是探讨 CFD 在解决实际工程问题中的可行
如缺乏基本的稳定性分析、误差估计、收敛性和唯一性等理 论，这使得 CFD 理论先天不足。 3、CFD 的另一个困惑来自物理模型，如湍流模型、化学反应模型、 多相流模型、转捩模型、燃烧模型、真实气体效应模型 .. ， 这些模型都还不完备。
代表性困惑之一： 湍流模型对结果的影响
• F－18采用不同湍流模型的计算结果比较
本时期应用基础研究所追求的目标： （1）如何在CFD的基础研究与工程开发设计研究之间建立一
个桥梁? （2）如何将研究结果为高级工程设计技术人员所掌握，并
最大限度地应用于工程咨询、工程开发与设计研究?
此后，随着计算机图形学、计算机微机技术的快速进步， CFD的前后处理软件得到了迅速发展，如ICEM－CFD等等。
CFD数值模拟技术是一门同现代工程设计与科学研 究密切相关的高新技术。
CFD数值模拟的精度依赖于离散格式、计算网格、 计算人员的经验于技巧以及计算机硬件条件。－可靠 性问题
1、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
3、CFD的困惑与不足
• CFD 是一个年轻的学科，存在着很多很多理论上、技术 上、物 理模型上、验证确认等等还没有解决的难题！
1、还没有确证 NS 方程的解的存在性和唯一性。 流体力学的数学提法是十分复杂的多维非线性偏微分方程组，
但目前非线性偏微分方程数值方法还是一个没有解决的难题； 2、非线性方程组数值解的数学理论薄弱。
• Reynolds Stress Model
代表性困惑之二：网格效应
代表性困惑之三：几何简单但模拟困难
代表性困惑之四：网格生成
网格的生成
代表性困惑之五： 验证确认
代表性困惑之五： 验证确认
代表性困惑之六： 高阶格式
代表性困惑之六： 高阶格式
4、CFD的未来与展望
DNS——CFD明天的救星？
我国80年代初期，随着与国外交流的发展，科学院、部分高校开始兴起 CFD的研究热潮。
2、CFD的发展历程
• 第三，快速发展阶段（1984至今） CFD在工程设计的应用以及应用效果的研究取得了丰硕的成果，在
学术界得到了充分的认可。 Spalding 领导的 CHAM 公司在发达国家的工业界进行了大量的推广工
网格问题 紊流模型 多相流模型 相关验证 • CFD的路还很长——————
CFD的作用像在计算机上做实验，故也称数值实验, 它 不但能取代很多实验工作，而且能做实验室无法进 行的研究。
作， Patankar也在美国工程师协会的协助下，举行了大范围的培训， 皆在推广应用 CFD。 1985年的第四界国际计算流体力学会议上，Spalding 作了 CFD 在工程 设计中的应用前景的专题报告。他将工程中常见的流动、传热、化学 反应等分为十大类问题，并指出CFD都有能力加以解决。
2、CFD的发展历程
性、可靠性及工业化推广应用。
1977年，Spalding等开发的用于预测二维边界层内的迁移现象的GENMIX 程序公开，其后，他们首先意识到公开计算源程序很难保护自己的知 识产权。
在1981年，组建的CHAM公司将包装后的计算软件（PHONNICS－凤凰）正 式投放市场，开创了CFD商业软件的先河。
LES——穷人的DNS
CFD的未来，近期的展望
CFD的未来，远期的展望
• 非线性计算方法的突破 • LES模型的逐步成熟 • 大规模计算、并行计算的发展可以解决DNS、LES、非定
常计算的海量计算等问题 • 先进的湍流模型，反应动力学模型，多相流模型等的逐
步ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ善
CFD的路还很长很长
• CFD是一个新兴的学科 • CFD具有重要的应用 • CFD还有很多问题
计算流体力学CFD的基本 方法与应用
CFD (Computational Fluid Dynamics) 计算流体力学——为您打开通向高科技之门
流体力学 研究方法
数值分析 实验研究 理论分析
动力 条件
计算流体力学
计算机技术 飞速发展
1 什么是CFD?
计算流体力学(computational Fluid Dynamics,简称 CFD，也称“计算流体动力学”)是流体力学的新兴分支。其 定义如下：
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
美国海空军下一代F-35战斗机所使用的超音速进气道就 是CFD的成果之一.
2、CFD的发展历程
第一，初始阶段（1965～1974） 这期间的主要研究内容如下： （1）计算流体力学中的一些基本的理论问题，如模型
方程（湍流、传热、辐射、气体－颗粒作用等） （2）数值方法（差分格式、代数方程求解等） （3）网格划分、程序编写与实现等 （4）数值结果与大量传统的流体力学实验结果及精确
解进行比较，以确定数值预测方法的可靠性、精确性及影 响规律。
2、CFD的发展历程
第二，工业应用阶段(1975～1984年) 该阶段的主要研究内容是探讨 CFD 在解决实际工程问题中的可行
如缺乏基本的稳定性分析、误差估计、收敛性和唯一性等理 论，这使得 CFD 理论先天不足。 3、CFD 的另一个困惑来自物理模型，如湍流模型、化学反应模型、 多相流模型、转捩模型、燃烧模型、真实气体效应模型 .. ， 这些模型都还不完备。
代表性困惑之一： 湍流模型对结果的影响
• F－18采用不同湍流模型的计算结果比较
本时期应用基础研究所追求的目标： （1）如何在CFD的基础研究与工程开发设计研究之间建立一
个桥梁? （2）如何将研究结果为高级工程设计技术人员所掌握，并
最大限度地应用于工程咨询、工程开发与设计研究?
此后，随着计算机图形学、计算机微机技术的快速进步， CFD的前后处理软件得到了迅速发展，如ICEM－CFD等等。
CFD数值模拟技术是一门同现代工程设计与科学研 究密切相关的高新技术。
CFD数值模拟的精度依赖于离散格式、计算网格、 计算人员的经验于技巧以及计算机硬件条件。－可靠 性问题
1、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
3、CFD的困惑与不足
• CFD 是一个年轻的学科，存在着很多很多理论上、技术 上、物 理模型上、验证确认等等还没有解决的难题！
1、还没有确证 NS 方程的解的存在性和唯一性。 流体力学的数学提法是十分复杂的多维非线性偏微分方程组，
但目前非线性偏微分方程数值方法还是一个没有解决的难题； 2、非线性方程组数值解的数学理论薄弱。
• Reynolds Stress Model
代表性困惑之二：网格效应
代表性困惑之三：几何简单但模拟困难
代表性困惑之四：网格生成
网格的生成
代表性困惑之五： 验证确认
代表性困惑之五： 验证确认
代表性困惑之六： 高阶格式
代表性困惑之六： 高阶格式
4、CFD的未来与展望
DNS——CFD明天的救星？
我国80年代初期，随着与国外交流的发展，科学院、部分高校开始兴起 CFD的研究热潮。
2、CFD的发展历程
• 第三，快速发展阶段（1984至今） CFD在工程设计的应用以及应用效果的研究取得了丰硕的成果，在
学术界得到了充分的认可。 Spalding 领导的 CHAM 公司在发达国家的工业界进行了大量的推广工
网格问题 紊流模型 多相流模型 相关验证 • CFD的路还很长——————