计算流体力学课程
《流体力学》教学大纲
《流体力学》教学大纲一、课程基本信息二、课程概述中文：本课程是工程力学专业的学类核心课程，以高等数学、理论力学、材料力学为前导课程，着重培养学生分析解决实际工程中流体力学问题的能力。
本课程主要包括流体的平衡、流体力学的基本方程、不可压缩无粘流动、涡旋运动、平面势流等，强调应用这些基本概念及定律分析与流体力学相关的工程问题，学生需了解流体力学的发展现状和趋势，理解流体力学中的基本概念、基本理论及基本定律，掌握流体力学的实验、分析与数值计算的基本技能与基本方法，并能灵活运用这些基本概念及定律分析与流体力学相关的工程问题。
通过学习本课程，让学生学会流体力学基本理论，获得解决流体工程问题的基本技能，锻炼和提升对复杂的流体工程问题进行简化，从而建立数学模型并进行求解的能力。
英文：This is a bas ic course for majors of engineering mechanics, aiming at students’ physical concepts and basic principles commonly used to analyze engineering problems related to fluid mechanics, thus laying a solid foundation for their research and design in aerospace, mechanical, civil, chemical, environmental and ocean. Theapplications of the dimensional and order analysis method in engineering are emphasized in this course. The study of this course develops the students’ ability to simplify the complex problems, prese nt and solve the mathematic model of related engineering problems. The main contents of this course are the basic equations of fluid mechanics, incompressible in-viscid flow, the motion of vortex, dimensional analysis, incompressible viscid flow. Prerequisites: Advanced Mathematics, Mathematics Physics Equation, Field Theory，Theoretical Mechanics，Mechanics of Materials.三、课程内容（一）课程教学目标设置本课程是为了让工程力学专业的学生对工程力学专业知识体系的重要组成板块之一的流体力学进行较为系统的学习，并深度掌握与理解，具备应用流体力学的基本知识和基本理论分析解决生产实际工程问题的能力。
计算流体力学CFD课件
2 数值方法
探索常见偏微分方程，如Navier-Stokes方程， 以及它们在CFD中的作用。
介绍数值方法在CFD中的应用，包括差分法和 有限பைடு நூலகம்法等。
网格划分
传统网格划分方法
深入了解传统网格划分方法，如结构化网格和非结 构化网格。
自适应网格划分方法
探索自适应网格划分的原理和优势，以及它们在复 杂流体问题中的应用。
离散化方法
1
有限体积法
研究有限体积法如何将连续流场离散化并转化为离散方程。
2
有限元法
了解有限元法如何适用于复杂几何体和非线性问题的流体力学分析。
3
边界元法
探索边界元法的应用，特别是处理流体-结构相互作用的问题。
求解器
显式求解器
介绍显式求解器的原理和适用 情况，以及它们在CFD中的角色。
隐式求解器
深入了解CFD在多相流动模拟中的应用，如湍流、颗粒运动等。
计算结果的处理与分析
后处理
介绍CFD计算结果的后处理方法，如可视化和数 据提取。
结果评估
讨论如何评估CFD计算结果的准确性和稳定性。
优化设计
1
CFD在优化设计中的应用
了解如何在CFD中应用优化算法和敏感性
典型实例
2
分析来改善产品设计。
分享一些使用CFD进行优化设计的典型案 例，如空气动力学优化和燃烧过程优化。
计算流体力学CFD的发展前景
CFD的新发展方向
探讨CFD在多物理场耦合、不确定性分析和大规模并 行计算等方面的未来研究方向。
未来展望
展望计算流体力学在工程和科学领域的未来应用及 其潜在影响。
了解隐式求解器的优势和使用 场景，以及它们在稳态和不可 压缩流体问题中的应用。
计算流体力学教学大纲
计算流体力学教学大纲一、课程基本信息1、课程名称：计算流体力学2、课程类别：专业选修课程3、课程学分：X学分4、课程总学时：X学时，其中理论X学时，实验X学时5、先修课程：高等数学、大学物理、流体力学二、课程教学目标1、使学生了解计算流体力学的基本概念、基本原理和基本方法，掌握流体流动的数值模拟技术。
2、培养学生运用计算流体力学软件解决实际工程问题的能力，提高学生的创新思维和实践能力。
3、让学生了解计算流体力学在航空航天、能源动力、环境工程等领域的应用，为学生今后从事相关领域的研究和工作打下坚实的基础。
三、课程教学内容与要求（一）计算流体力学基础1、流体流动的基本控制方程连续性方程动量方程能量方程要求学生掌握这些方程的推导和物理意义，能够熟练运用这些方程描述流体流动现象。
2、流体流动的基本概念流线、迹线速度场、压力场涡量、散度、旋度要求学生理解这些概念的定义和物理意义，能够通过图形和数学表达式进行描述。
（二）数值计算方法1、有限差分法差分格式的构造稳定性和收敛性分析要求学生掌握有限差分法的基本原理和方法，能够运用有限差分法求解简单的流体流动问题。
2、有限体积法控制体积的划分离散方程的推导要求学生掌握有限体积法的基本原理和方法，能够运用有限体积法求解中等复杂程度的流体流动问题。
3、有限元法单元类型和插值函数刚度矩阵的形成要求学生了解有限元法的基本原理和方法，能够运用有限元软件进行简单的流体流动分析。
（三）湍流模型1、湍流的基本特征湍流的随机性和脉动性湍流的能量传递和耗散要求学生理解湍流的基本特征和物理机制。
2、常用的湍流模型零方程模型一方程模型两方程模型要求学生掌握常用湍流模型的基本原理和适用范围，能够根据实际问题选择合适的湍流模型。
（四）边界条件和初始条件1、边界条件的类型进口边界条件出口边界条件壁面边界条件对称边界条件要求学生掌握各种边界条件的设置方法和物理意义。
2、初始条件的设定稳态问题的初始条件瞬态问题的初始条件要求学生能够根据实际问题合理设定初始条件。
计算流体力学基础及其应用课程设计
计算流体力学基础及其应用课程设计1. 课程概述本课程旨在介绍计算流体力学的基础知识和应用。
计算流体力学是研究流体运动和传热等问题的重要分支，已成为现代工程设计和科学研究中不可或缺的工具。
本课程主要内容包括流体力学基础、数值模拟方法和模拟应用等方面。
2. 课程教学目标本课程旨在培养学生掌握计算流体力学的基础知识和数值模拟方法，具有分析和解决流体力学问题的能力，能够运用计算流体力学方法进行流体问题的模拟和预测。
3. 课程教学内容3.1. 流体力学基础课程将首先介绍流体力学的基础概念、量纲和基本方程。
学生将学习流体力学的基本原理和基本方程，并理解这些方程对流体运动的描述和控制。
3.2. 数值模拟方法课程将介绍数值模拟方法，包括有限差分法、有限元法和谱方法等。
学生将了解这些方法的原理和优缺点，并学会如何进行数值模拟以解决流体问题。
3.3. 模拟应用课程将介绍计算流体力学在实际工程设计和科学研究中的应用。
学生将学会如何运用计算流体力学方法进行流体问题的模拟和预测，掌握如何利用计算流体力学解决实际问题的技能。
4. 课程教学方法本课程采用理论教学和实践操作相结合的教学方法。
理论教学主要采用课堂讲授、案例分析和在线学习等方式；实践操作主要采用仿真实验和课程设计等方式，帮助学生掌握流体力学基本概念和数值模拟方法，培养学生解决工程实际问题的能力。
5. 课程考核本课程的考核方式包括作业和课程设计两部分。
作业主要涉及理论知识和数值模拟方法的掌握程度；课程设计则要求学生结合实际工程问题，运用所学知识进行数值模拟，包括计算流体力学模拟和结果分析等。
6. 参考文献1.李克平. 计算流体力学基础和应用[J]. 数学建模与计算, 2005,8(1): 62-69.2.王豫锟. 计算流体力学基础[M]. 科学出版社, 2004.3.宋俊汝, 陈裕昌, 贾谊飞. 计算流体力学综述[J]. 强度与环境,2005, 32(1): 1-8.4.黄坚峰. 计算流体力学基础和应用[M]. 安徽科学技术出版社, 2011.7. 总结本课程主要介绍了计算流体力学的基础知识和应用，通过理论教学和实践操作相结合的方式，帮助学生掌握流体力学基本概念和数值模拟方法，并培养学生分析和解决流体问题的能力。
计算流体力学教案
计算流体力学教案一、课程介绍1.1 课程背景计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是运用数值分析和算法解决和分析流体力学问题的一个分支。
本课程旨在让学生了解并掌握计算流体力学的基本原理、方法和应用。
1.2 课程目标通过本课程的学习，学生将能够：（1）理解流体力学的基本概念和原理；（2）掌握CFD的基本数值方法和算法；（3）应用CFD软件进行流体力学的数值分析和解决实际问题。
二、教学内容2.1 流体力学基础（1）流体力学的定义和发展；（2）流体力学的分支；（3）流体力学的基本方程。
2.2 数值方法基础（1）数值方法的分类；（2）数值方法的原理；（3）数值方法的稳定性分析。
2.3 网格技术（1）网格方法；（2）网格质量评价；（3）网格独立性研究。
2.4 流动问题的离散化（1）流动问题的离散化方法；（2）离散化方程的求解方法；（3）离散化方程的数值求解技术。
2.5 流场可视化（1）流场可视化的方法；（2）流场可视化的技术；（3）流场可视化的应用。
三、教学方法3.1 课堂讲授通过讲解流体力学的基本概念、原理和数值方法，使学生掌握CFD的基本理论。
3.2 软件操作实践通过操作CFD软件，使学生了解并掌握网格、流动问题离散化、求解和流场可视化的实际操作。
3.3 案例分析通过分析实际案例，使学生了解并掌握CFD在工程中的应用。
四、教学评估4.1 平时成绩包括课堂表现、作业完成情况等，占总成绩的30%。
4.2 期中考试包括理论知识和软件操作，占总成绩的30%。
4.3 期末考试包括理论知识，占总成绩的40%。
五、教学资源5.1 教材《计算流体力学导论》（Introduction to Computational Fluid Dynamics）。
5.2 软件CFD软件，如OpenFOAM、FLUENT等。
5.3 网络资源相关在线课程、论文、教程等。
六、网格技术（续）6.1 结构网格结构网格的定义和特点常见的结构网格算法结构网格在CFD中的应用案例6.2 非结构网格非结构网格的定义和特点常见的非结构网格算法非结构网格在CFD中的应用案例6.3 混合网格混合网格的定义和特点混合网格算法的基本原理混合网格在CFD中的应用案例七、流动问题的离散化（续）7.1 守恒定律的离散化质量守恒定律的离散化动量守恒定律的离散化能量守恒定律的离散化7.2 离散化方程的求解线性方程组的求解方法非线性方程组的求解方法代数方程组的求解方法7.3 离散化方程的数值求解技术（续）时间步进方法空间离散化技术稳定性和收敛性分析八、流场可视化（续）8.1 流场可视化的方法（续）着色法纹理映射法粒子追踪法8.2 流场可视化的技术（续）数据处理技术三维重构技术动画制作技术8.3 流场可视化的应用（续）航空航天领域的应用汽车工业领域的应用生物医学领域的应用九、案例分析（续）9.1 案例分析的方法案例选择的原则案例分析的步骤9.2 流体动力学案例分析不可压缩流体的流动案例可压缩流体的流动案例复杂几何形状的流动案例9.3 热流体力学案例分析热传导问题案例热对流问题案例热辐射问题案例十、课程总结与展望10.1 课程总结本课程的主要内容和知识点回顾学生在本课程中学到的技能和知识10.2 课程作业与项目课程作业的布置与评价课程项目的选择与实施10.3 未来学习方向CFD在科学研究中的应用CFD在工业中的应用趋势CFD领域的最新研究动态十一、流体机械特性分析11.1 流体的粘性粘性的定义和测量牛顿流体和非牛顿流体的特性粘性流体的流动案例分析11.2 流体的弹性弹性流体的定义和特性弹性流体流动的数值模拟方法弹性流体流动案例分析11.3 流体的湍流特性湍流的定义和特性湍流流动的数值模拟方法湍流流动案例分析十二、多相流动分析12.1 多相流动的定义和分类单相流动和多相流动的定义连续相、分散相和界面流动的特点多相流动的数值模拟方法12.2 多相流动的数值模拟方法欧拉-欧拉模型欧拉-拉格朗日模型离散相模型12.3 多相流动案例分析油气水三相流动案例颗粒物在空气中的扩散案例喷雾燃烧过程的数值模拟案例十三、化学反应流体力学13.1 化学反应流体力学的定义和特点化学反应和流体运动的相互作用化学反应流体力学的应用领域化学反应流体力学的数值模拟方法13.2 化学反应流动的数值模拟方法反应速率模型化学反应平衡和化学平衡计算化学反应流体流动的数值模拟算法13.3 化学反应流体流动案例分析燃烧过程中的化学反应流动案例化工过程中的化学反应流动案例环境污染治理过程中的化学反应流动案例十四、计算流体力学的软件应用14.1 CFD软件的基本操作CFD软件的用户界面和操作流程CFD软件的网格和边界条件设置CFD软件的求解器和结果分析工具14.2 CFD软件的高级应用参数研究and 优化并行计算和云计算应用复杂几何形状和多物理场耦合问题的模拟14.3 CFD软件案例分析利用CFD软件分析风力发电机翼的气流分布利用CFD软件分析汽车发动机的冷却效果利用CFD软件分析建筑物的热环境十五、课程项目与实验15.1 课程项目的选择与实施项目选题的原则和步骤项目实施的计划和管理项目成果的评估和反馈15.2 实验设计与实验操作实验设计的原则和方法实验操作的步骤和安全注意事项实验数据的采集和分析报告的结构和内容要求报告的提交和评审流程重点和难点解析本文教案主要介绍了计算流体力学（CFD）的基本原理、方法与应用，内容涵盖了流体力学基础、数值方法基础、网格技术、流动问题的离散化、流场可视化、案例分析、多相流动分析、化学反应流体力学、计算流体力学的软件应用以及课程项目与实验等方面。
计算流体力学
计算流体力学
流体力学是研究流体的运动规律，求解其中所含作用力及其相互关系的学科。
随着空间技术和航天事业的发展，大量复杂的实际工程问题，需要借助于流体力学知识来解决。
这就促进了流体力学的发展。
因此，流体力学不仅是许多学科的基础，而且在工农业生产和国防建设中起着重要作用。
计算流体力学主要内容包括：流体的静力学、运动学和动力学。
流体的静力学分析主要研究流体受力情况、作用力和反作用力之间的关系、力与变形的关系、质点运动和平衡条件、平衡状态等问题。
流体的运动学分析主要研究流体受力情况、变形情况、相对位置及运动方向等问题。
流体的动力学分析主要研究流体内部的各种物理现象，如速度、加速度、压强、密度、质量、温度、浓度等变化规律以及粘性现象等。
本课程应该掌握流体静力学的基本概念和基本分析方法;
掌握连续介质力学的基本原理、基本方程、基本定理;掌握流体平衡
微分方程及边界层理论;掌握理想流体稳定流动、不可压缩流体恒定
平衡流动和牛顿流体动力学的基本方程及其适用范围;掌握流体的总
体性质、状态变量、热性质、流动类型、流动控制方程、伯努利方程及其应用、连续性方程和能量方程及其应用等。
(一)流体静力学分析; 1.1流体静力学基本方程;1.1.1连续性方程;1.1.2能量方程;1.2力系的简化;1.3流体静力学基本方程的应用。
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应用型本科“计算流体力学”课程改革探索
应用型本科“计算流体力学”课程改革探索作者：胡坤来源：《教育教学论坛》 2017年第22期计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是一门集成了流体力学、计算数学与计算机科学的交叉学科。
计算流体力学的基本思想为[1]：通过计算机数值计算和图像显示，对包含流体流动和传热等相关物理现象做出系统的分析。
随着计算机技术的发展，计算流体力学在各行各业得到了广泛的应用。
《计算流体力学》课程开设的主要目的在于使学生掌握流动及传热问题数值模拟的基本理论与建模思路、掌握常用商用CFD软件的使用方法，能够利用计算流体力学方法解决实际研究问题[2]。
课程内容涉及了流体力学理论、数值计算理论、计算机程序设计以及计算软件的工程应用等。
课程理论内容较多，学生学习起来较为吃力，常处于被动学习状态，因此需要改进教学策略，培养学生学习兴趣，改被动学习为主动学习[2]。
同时该课程还与实际应用联系紧密，如何将理论与工程实际相结合，培养学生解决实际工程问题的能力，也是本课程教学中需要探讨的问题。
经过多年在教学过程中的改革和摸索，下面浅谈一下我们在《计算流体力学》课程改革方面的一些探索。
一、计算流体力学课程内容计算流体力学包含内容甚广，从总体上讲，可按照不同的应用领域分为两个主要方向：1.将计算流体力学自身作为对象的课程体系。
该体系的研究对象为计算流体力学本身，主要以流体力学数学物理模型模型构建、数值离散方法、高性能数值计算算法开发为主要内容，侧重点为计算流体力学理论及其实现方法。
2.以计算流体力学应用为主的课程体系。
此体系以如何更好地将计算流体力学方法应用于工程作为研究对象，主要以应用技能为课程目标，侧重点为现实物理问题的简化建模、利用计算机程序解决物理问题以及对计算结果的科学解释等。
对于应用型本科《计算流体力学》课程来讲，应当更多地关注计算流体力学在工程中的应用，将计算流体力学作为一项解决工程问题的工具，培养学生在利用该工具解决实际工程中的流体问题的能力[3]。
《计算流体力学》课程教学大纲(本科)
计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)课程代码：02410028学分：2学时：32 （其中：课堂教学学时：32实验学时：0 上机学时：0 课程实践学时：0 ）先修课程：微积分、线性代数、物理、流体力学等适用专业：能源与动力工程等专业教材：计算流体力学及应用；中国人民总装备部军事训练教材编辑工作委员会；国防工业出版社；2003年一、课程性质与课程目标（一）课程性质（需说明课程对人才培养方面的贡献）本课程是能源与动力工程（流体机械及工程）专业的一门主要的专业基础课。
本课程主要介绍流体力学问题的计算机数值计算方法，包括计算流体力学的数学基础、控制方程、离散化方法、有限差分法、单元与插值函数、流体力学典型问题的数值分析等。
使学生掌握计算流体力学的基础理论、方法和技能，为今后从事本专业的科学研究工作和工程技术工作打下基础。
（二）课程目标（根据课程特点和对毕业要求的贡献，确定课程目标。
应包括知识目标和能力目标。
）总目标在学习完本课程后，学生应该应掌握以下技能：（1）熟悉流动现象的微分方程和近似求解的数值方法，并且能设计数值解决方案，使用和开发流动模拟软件对工程和科学的领域中的重要流动现象进行模拟；（二）能够通过建立正确合理的数学模型，选择有效的计算方法进行流动模拟；（三）利用现有的最佳模型进行数值模拟，对模拟结果进行合理分析评价，为后续专业课的学习和将来从事科学研究和专业技术工作打下良好基础。
阶段目标.理解对于可压，不可压，粘性及无粘流体流动的基本流体力学控制方程的数学描述及数学特性。
1.对数值分析中稳定性，逼近和收敛性和代数方程组的数值解的概念和基本原则有深刻的理解。
2. 了解对于可压及不可压流体流动的数值模拟求解方法及在工程实践基础研究中的应用。
3.理解数值模拟的原理和技术，并且明白模拟的局限性。
4.通过商用CFD软件包（ANSYS或COMSOL）,解决实际工程问题。
二、课程内容与教学要求（按章撰写）第一章计算流体力学的基本原理（2学时）（一）课程内容1.什么是计算流体力学.计算流体力学的工作步骤2.计算流体力学解决的问题.计算流体力学的应用领域（二）教学要求. 了解计算流体力学的相关基础知识。
计算流体力学清华大学完整版
在网格划分策略和数值方法的基础上，编制、调试数值求解流体运动方程 的计算机程序或软件。
第五，程序验证和确认。
验证(Verification)：The process of determining that a model implementation accurately
represents the developer’s conceptual description of the model and the solution to the
U ,C是m维列向量，B {bij}, A {aij}均为m m方阵。
对一阶导数项而言，是线性方程组；
如果B, A是U的函数，则整个方程组是非线性的，称之为 “拟线性方程组”。
考虑一维守恒型Euler方程（一阶）
U F 0 t x
U , F分别为
U
u
m ；
E
F
u u2 (E
The Elements of Computational Fluid Dynamics
计算流体力学引论
预修课程：流体力学、 偏微分方程数值解法、 计算机语言和编程基础。
教 材：任玉新, 陈海昕.《计算流体力学基础》， 清华大学出版社, 北京, 2006。
参考书目：
1. J.D. Anderson, Jr. Computational Fluid Dynamics-The Basis with Applications, McGraw-Hill, New York, 1995.
物理模型：
(1) 空间维数：1D、2D、3D (2) 时间特性：定常、非定常 (3) 流动性质：无粘/粘性、可压缩/不可压缩、层流/湍流 (4) 流体物性：常物性、变物性
《流体力学》教学大纲
《流体⼒学》教学⼤纲《流体⼒学》教学⼤纲⼀、基本信息⼆、教学⽬标及任务“流体⼒学”作为环境⼯程专业的专业基础课，是连接前期基础课程和后续专业课程的桥梁。
学⽣通过该课程的学习，掌握流体的基本性质，流体静⽌与运动的规律及流体与边界的相互作⽤、明渠流、管流、堰流等知识，具备流体计算（⽔⼒计算）的基本技能，为解决环境⼯程专业中的相关流体⼒学问题奠定基础。
本课程⽀撑环境⼯程专业毕业要求、、、、和。
三、学时分配教学课时分配四、教学内容及教学要求绪论第⼀节流体⼒学的任务和发展简史第⼆节连续介质假定与流体的主要物理性质. 连续介质假设.流体的主要物理性质习题要点：⽜顿内摩擦定律的理解与应⽤第三节作⽤在流体上的⼒习题要点：质量⼒与表⾯⼒的概念第四节流体⼒学的研究⽅法本章重点、难点：黏性、⽜顿内摩擦定律、质量⼒、表⾯⼒、连续介质概念。
本章教学要求：了解流体⼒学的发展简史，了解本课程在专业及⼯程中的应⽤；掌握流体主要物理性质，特别是黏性和⽜顿内摩擦定律；理解作⽤在流体上的⼒；掌握连续介质、不可压缩流体及理想流体的概念；了解研究流体运动规律的⼀般⽅法。
第⼀章流体静⼒学第⼀节流体静压强特性第⼆节流体平衡微分⽅程. 流体平衡微分⽅程. 流体平衡微分⽅程的积分. 等压⾯习题要点：流体平衡微分⽅程的推导第三节流体静⼒学基本⽅程. 流体静⼒学基本⽅程. 压强的表⽰⽅法3.测压计习题要点：流体静⼒学基本⽅程的应⽤，压强表⽰与计算第四节液体的相对平衡. 液体的相对平衡. 液体的相对平衡在⽣产中的应⽤习题要点：等压⾯⽅程，压强分布规律第五节作⽤在平⾯上的液体总压⼒. 图解法. 解析法习题要点：平⾯静⽔总压⼒的计算第六节作⽤在曲⾯上的液体总压⼒习题要点：曲⾯静⽔总压⼒的计算本章重点、难点：静压强及其特性，点压强的计算，静压强分布图，压⼒体图，作⽤于平⾯壁和曲⾯壁上的液体总压⼒，流体平衡微分⽅程的建⽴与应⽤。
本章教学要求：理解流体静压强的概念；掌握静⽔压强的特性，压强的表⽰⽅法及计量单位；掌握流体微分⽅程及其物理意义；掌握液柱式测压仪的基本原理；熟练掌握平衡流体静压强的分布规律及点压强的计算⽅法；掌握作⽤于平⾯壁和曲⾯壁上的液体总压⼒的计算。
计算流体力学(中科院力学所)_第讲-基本方程ppt课件
YF23
7
● 90年代， CFD 在飞机设计中发挥了主力作用 波音777， CFD占主角
● 2000 之后， CFD 取代了大部分风洞实验 波音787：全机风洞实验仅3次
● 航天领域，CFD发挥着实验无法取代的作用 实验难点：复现高空高速流动条件
波音777
Copyright by Li Xinliang
s
s
控制体内的动量增加=流入的动量+表面力的冲量+体积力的冲量
t V d [ (V V ) F P ]d
V (V V )F P
t
Copyright by Li Xinliang
12
基本概念： 应力 （张量）
pn Pn
pn
根据本构方程（广义牛顿粘性定律）
Pijpijij ：静止部分+运动部分
✓基本概念: 随体导数 dV
dt t
11
2） 动量守恒律
单位时刻内，流出面元ds的动量为：
d V d m V V n dS
总流出动量为:
d （ V V ） n d S ( V V ) d
S
s
外力的合力：
质量力：Fd 表面力：
根据动量守恒：
p nd SP n d S P d
控制体
单位时刻表面微元ds的流出质量为： dm V n dS
V
总质量流出为 d m V n d S (V )d
n
s
s
根据质量守恒： 控制体内质量的增加=流入控制体的质量
dS
控制体的任意性
td d m (V )d
s
(V)0
t
（1） Copyright by Li Xinliang
计算流体力学课程作业
计算流体力学大作业——有限差分法解Poisson 方程五点格式解区域内Poisson 方程摘要：本文结合计算流体力学课上所学知识，采用数值解法中的有限差分法求解Poisson 方程（偏微分方程中椭圆型方程的一种），并用其五点格式采用高斯—塞德尔（Gauss-Seidel ）迭代求解。
并比较了数值近似解与真实解，以及不同步长情况下误差的大小，得到了一定的结论。
关键词：Poisson 方程 有限差分法 五点格式一、计算流体流体力学的特点计算流体力学中许多问题求解最终都会变成偏微分方程的求解，而在数学上，除了几种极少数情况外，要求出它们精确解是很难的。
计算机技术的发展使得这一难题的一很好地解决。
二、偏微分方程的种类2.1、 椭圆型偏微分方程椭圆型偏微分方程的一般形式为()(,)div c u au f x t -∇+= 其中：若12(,,,,)(,)n u u x x x t u x t ==，u ∇为u 的梯度，则其定义为 12,,,n u u x x x ⎡⎤∂∂∂∇=⎢⎥∂∂∂⎣⎦ 散度()div v 的定义为12()n div v v x x x ⎛⎫∂∂∂=+++ ⎪∂∂∂⎝⎭这样，()div c u ∇可以更明确地表示为1122()n n u u u div c u c c c x x x x x x ⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫∂∂∂∂∂∂∇=+++⎢⎥ ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎣⎦若c 为常数，则进一步化简为 22222212()n div c u c u c u x x x ⎛⎫∂∂∂∇=+++=∆ ⎪∂∂∂⎝⎭其中，∆又称为Laplace 算子。
这样椭圆型偏微分方程可以简单地写为22222212(,)n c u au f x t x x x ⎛⎫∂∂∂-++++= ⎪∂∂∂⎝⎭2.2、抛物型偏微分方程抛物型偏微分方程的一般形式为 ()(,)u d div c u au f x t t∂-∇+=∂ 根据上面叙述，若c 为常数，则该方程可以更简单地写为22222212(,)n u d c u au f x t t x x x ⎛⎫∂∂∂∂-++++= ⎪∂∂∂∂⎝⎭ 2.3、双曲型偏微分方程双曲型偏微分方程的一般形式为22()(,)u d div c u au f x t t∂-∇+=∂ 若c 为常数，则可以将该方程简化为2222222212(,)n u d c u au f x t t x x x ⎛⎫∂∂∂∂-++++= ⎪∂∂∂∂⎝⎭三类方程的直接的区别在于u 对t 的导数的阶次。
计算流体力学教案
计算流体力学教案第一章：计算流体力学简介1.1 课程背景与意义介绍计算流体力学（CFD）的基本概念和发展历程。
解释CFD在工程和科学研究中的应用领域。
1.2 流体力学基本概念介绍流体力学的定义和基本原理。
解释流体力学中的关键参数，如流速、压力、密度等。
1.3 CFD的基本流程介绍CFD分析的基本流程，包括前处理、求解和后处理。
解释每个流程中的关键步骤和注意事项。
第二章：CFD的前处理技术2.1 几何建模介绍几何建模的基本概念和方法。
解释如何使用CAD软件进行几何建模。
2.2 网格划分介绍网格划分的目的和重要性。
解释网格划分的方法和技巧，如结构网格、非结构网格和混合网格。
第三章：流动方程及其离散化3.1 流动方程简介介绍流动方程的基本概念和重要性。
解释连续方程、动量方程和能量方程的基本形式。
3.2 离散化方法介绍离散化方法的基本概念和目的。
解释常用的离散化方法，如显式格式、隐式格式和混合格式。
第四章：数值求解技术4.1 数值求解方法介绍数值求解方法的基本概念和原理。
解释常用的数值求解方法，如有限差分法、有限体积法和有限元法。
4.2 收敛性分析与优化介绍收敛性分析的基本概念和方法。
解释如何优化求解过程，提高计算精度和效率。
第五章：CFD的后处理技术5.1 结果可视化介绍结果可视化的基本概念和方法。
解释如何使用CFD软件进行结果可视化，如云图、流线图和粒子追踪。
5.2 数据分析和解释介绍数据分析和解释的基本方法。
解释如何对计算结果进行分析和解释，如压力分布、速度分布和温度分布。
第六章：湍流模型6.1 湍流现象简介介绍湍流的基本特征和现象。
解释湍流的产生原因和影响因素。
6.2 湍流模型分类介绍常见的湍流模型，如直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）和雷诺平均纳维尔斯托克斯（RANS）模型。
解释不同湍流模型的适用范围和优缺点。
6.3 常用湍流模型介绍常用的RANS模型，如标准\( k-\epsilon \)、\( k-\omega \)和Spalart-Allmaras模型。
计算流体力学讲义
0.
前言
目前在航空、航天、汽车等工业领域，利用 CFD 进行 的反复设计、分析、优化已成为标准的必经步骤和手 段。 当前 CFD 问题的规模为：机理研究方面如湍流直接模
拟，网格数达到了109（十亿）量级，在工业应用方面， 网格数最多达到了107（千万）量级。
1.计算流体力学的发展及应用
一、计算流体力学的发展
o 研究计算方法，包括并行算法和各种新型算法；
o 研究涡运动和湍流，包括可压和不可压湍流的直接数值模拟、
大涡模拟和湍流机理；
o 研究网格生成技术及计算机优化设计； o 研究CFD用于解决实际流动问题，包括计算生物动的数值模拟等。
1.计算流体力学的发展及应用
0.
前言
自上世纪六十年代以来 CFD技术得到飞速发展，其原动力是不断 增长的工业需求，而航空航天工业自始至终是最强大的推动力。 传统飞行器设计方法试验昂贵、费时，所获信息有限，迫使人们 需要用先进的计算机仿真手段指导设计，大量减少原型机试验， 缩短研发周期，节约研究经费。四十年来， CFD在湍流模型、网 格技术、数值算法、可视化、并行计算等方面取得飞速发展，并 给工业界带来了革命性的变化。如在汽车工业中，CFD和其它计 算机辅助工程（CAE）工具一起，使原来新车研发需要上百辆样 车减少为目前的十几辆车；国外飞机厂商用 CFD取代大量实物试 验，如美国战斗机 YF-23采用CFD进行气动设计后比前一代 YF-17 减少了60％的风洞试验量。
计算流体力学应用研究中的关键问题包括：对应用于各种具体情 况的数学模型、对复杂外形的描述以及对计算网格的划分做进一 步研究；探索更有效的算法来提高计算精度，并降低计算费用； 进一步开展计算流体力学在各方面的应用等。
2. 计算流体力学常用数值方法简介
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5.2 Delaunay方法
5.3 阵面推进法
6. 自适应网格技术
课堂讲授
平时作业、课堂出勤、期末考试
教学评估
该课程的对象可以是理工科各专业硕士研究生, 也可是大学高年级学生、博士研究生、计算数学工作者及其他利用计算机从事科学与工程计算的科技人员。
英文简介
The course consists of the several core parts: introduction to fluid mechanics; high resolution shock-capturing methods for hyperbolic conservation laws, numerical methods for compressible flows and incompressible flows, and so on. These contents are considered to represent the necessary foundation subject material. The teaching content is general but novel, because it covers the fundamental numerical methods and the latest results in computational fluid mechanics. The course mainly introduces the numerical methods of hydrodynamic equations, but is also related to their mathematical theories and applications.
3. Godunov 方法和随机选取方法
4. 几个近似Riemann求解器
5. 通矢量分裂方法
6. 高分辨格式的构造
第四章：可压缩粘性流的数值计算方法
1. 可压缩Naver-Stokes 方程组几种不同形式
2. 格式的基本构造
2.1 分裂算法
2.2 非分裂算法
3. 超音速平板绕流的计算
4. 几个其它高维流动问题的计算举例
第五章：不可压缩粘性流的数值方法
1. 引言
2. MAC (Marker and Cell) 方法
3. 投影方法
4. 人工压缩方法
5. SIMPLE方法
6. 涡－流函数法
7. 混合元针对不可压流体"
第六章：网格生成技术
1. 引言
2. 代数网格生成技术
3. 微分方程生成技术
4. 变分方法
5. 非结构网格生成技术
开课院系
数学科学学院
通选课领域
是否属于艺术与美育
否
平台课性质
平台课类型
授课语言
中文
教材
计算流体力学讲义,汤华中；
Numerical Solution of the Incompressible Navier-Stokes Equations,4.L. Quartapelle,Birkhauser,1993,Computational Fluid Dynamics: The basics with applications,3. J. D. Anderson Jr.,McGraw-Hill Inc.,1995,Finite-Volume Methods for Hyperbolic Problems,2. LeVeque, Randall J.,Cambridge University Press,2004,Navier-Stokes Equations: Theory and Numerical Analysis,5. R. Temam,,AMS Chelsea Publishing,2001,Numerical Methods for Conservation Laws,LeVeque, R.J.,Birkhauser,1992,Riemann Solvers and Numerical Methods for Fluid Dynamics,1. Toro, Eleuterio F.,Springer,1999,
计算流体力学课程详细信息
课程号
00110820
学分
3
英文名称
Computational Fluid Dynamics
先修课程
数学分析、高等代数、数值代数、数值分析、偏微分方程、 流体力学引论、 计算机程序设计、偏微分方程数值解
中文简介
该课程的教学内容包括流体力学基础、双曲型守恒律的高分辨激波捕捉方法, 可压缩流体力学方程组的数值方法和不可压缩流体力学方程组的数值方法等。 教学内容的选材力求通用而新颖，既有计算流体力学中常用的数值计算方法，又有近年来的计算流体力学研究的一些新的进展和研究成果。 该课程以介绍流体力学方程组的数值求解方法为主，但也将涉及有关的数学理论和应用，叙述和论证力求既深入浅出，又严格准确。
参考书
1；
1；
1,ISBN 0-521-81087-6； ；
2；
1,ISBN 3-540-65966-8；
教学大纲
学习和掌握流体力学方程组的基本数值方法、基本理论，及其在流体力学问题中的应用。
第一章：流体力学基本方程组
1. 流体力学基本方程组的建立
2. 可压缩Navier-Stokes 方程组
3. 不可压缩Navier-Stokes 方程组
The object of the course can be a master graduate from science and engineering, but a senior, or a Ph.D. student, or researcher in Computational Mathematics, or other people engaged in scientific and engineering computing.
第二章：双曲型守恒律方程的基本理论
1. 守恒律方程的一些数学理论介绍
2. 守恒型差分格式
3. 守恒律方程组的格式构造
4. 高分辨格式
4.1 TVD 格式
4.2 ENO 和WENO格式
4.3 间断有限元方法
第三章：无粘可压缩流欧拉方程组的数值方法
1. Euler 方程组的一些基本性质
2. Euler 方程组的Riemann问题