计算流体力学课件完整版

12 cylinder.plt
10
8 6
Z
Z
Y(M)
Y
-2 -4 -6 -8
0
5
10
15
20
X
0 .5
0
-0 .5
0 Y 0.5
1
1
-1 0 0. 5 X
4 2 0 -2
0
5 X(M)
X 10
15
计算流体力学 (2D) 16 Feb 2003 Data Alteration
Y18 16 dataltr.plt
计算流体力学
涡轮叶片通道内三维流计算实例
计算流体力学
压气机转静子表面压力分布
计算流体力学
涡轮通道内速度分布
16 Feb 2003 Space Vehicle
Y) 16 Feb 2003 Time versus Concentratio(3nD) 16 Feb 2003 Circle
Z
0.5
14
12
10
V2
8
6
4
2
0 0
5
10
15
V1
D) 16 Feb 2003 Example: FE-VZ olume Tet(r2aDh)edra1l6DFaetab 2003 Triangles
fetetra.plXt Y
100
50
0
Z
-50
-50 Y0 50
-100
-50 0
X 50
YYYYY
0.036
●建立数学模型：根据流动特点建立适当的数学模型（控制 方程）
●确定计算方法 １）控制方程的离散方法：将流体力学基本方程转化成可
用计算机语言描述的形式，称为离散方程，有限元、有限差 分、有限体积等。
计算流体力学
２）边界条件的处理：有／无滑移、壁面等温／绝热等。 ●编制计算机程序或运用已有程序进行计算
1.2 流场数值模拟概念
计算流体力学
☆流场数值模拟概念
●也称为流场计算机模拟，是以计算机为手段，通过数值 计算以数据和图像显示，再现研究对象及其内在规律。
●数值模拟可理解为用计算机做实验。比如一个机翼绕流 问题，通过计算可得到其升力、阻力数值；绕流流线、激 波位置、流动分离、涡的生成和传播
☆流场数值模拟几个步骤
所对应的流体力学方程理论分析
2．1 可压缩非定常粘性流数学模型
连续方程： 运动方程：
(V )
0Байду номын сангаас
t
DV
F
p
[( ui u j )
V ]
Dt
x j x j xi
ij
能量方程：
D Dt
(e V 2 2
)
F V
( ij
V ) (kT )
q
上述基本方程构成了Navier-Stokes(简称NS)方程 。
●真实可靠、是发现流动规律、检验理论和为流体机 械设计提供数据的基本手段。
●实验要受测量技术限制，实验周期长、费用高。
☆ 理论研究 ●在研究流体流动规律的基础上，建立了流体流动基 本方程。 ●对于一些简单流动，通过简化求出研究问题的解析 解。
计算流体力学
●对于实际流动问题，通常需运用流体力学基本方程， 借助于计算机求数值解（计算机数值模拟）— 计算流体力学CFD。
4
3
2
1
0 4 6 8 10 12
Contour Plots
Y(M)
6
Mesh Plots
5
4
3
2
1
0
-1
2
3
4
5
6
7
8
9
X(M)
0 Vector Plots
1.0
0.5
40
Shade Plots 35
30
50
25
0
20
-50
Scatter Plots
0.0
-1
-0.5
-1.0
-0.5
0.0
-10.5
计算流体力学
●美国自上二十世纪八十年代后期，由于CFD方法应用， 使一台发动机设计时间从10-15年降到5-8年，试验样机数 从40-50台降到10台左右。美国NASA主持建立了推进系
统数值仿真系统。
☆ 数值模拟与实验研究、理论分析关系 ●三者相互依赖、相互促进 ●数值模拟所占份额会越来越大（计算机技术迅速发展、 计算方法的不断改进）。
(2D) 16 Feb 2003 Internally created dataset(3D) 16 Feb 2003 Internally creaZted dataset(2D) 16 Feb 2003 CYLINDER
10
8 create.plt
6 4 2 0
creatvol.pX lt Y 3 2 .5 2 1 .5 1
slice.plt X Y
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0 0 Y0.1 0.2
-0.6 -0.4 -0.2 0 X 0.2 0.4 0.6
(3D) 16 Feb 2003 3D FE DATASZ ET
3dfe.plt X Y
2
0
0 2
Y4
0
5
10 X 15
(2D) 16 Feb 2003 Smooth
0.25
0.2 nozzle.plt
6
5 polar2d.plt
polay3d.XplltY
4.5
4 position.plt
0.15 0.1
0.05 0
0.05 -0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
X
Y
4 3 2 1 0
0
2
4
6
X
3
2
-1
1
0
1 0
2
Y 3
-1 4
-1 5
0 X
6 1
Z
Y1
3.5
3
2.5
fetriang.plt 0.035
0.034
0.033
0.032
0.031
0.03
0.029
0.028
0.027
0.026
0.025
0.005
0.01
XXXXX
(3D) 16 Feb 2003 Internally creaZted dataset(3D) 16 Feb 2003 IJK-Ordered DZ ata
☆ 计算机数值模拟 ●数值模拟耗费小、时间短、省人力，并能对实验难以 测量的流动进行模拟，如燃烧室、转子通道内。 ●在航空航天、核工业、天气预报、海浪和风暴潮预报 等方面有极广泛应用。 ●在航空航天方面，可用于计算飞行器飞行过程中周围 流场（计算出升力、阻力）。计算航空发动机各部件 内部流场，以及整台发动机三维流场。目前国内有一 些使用较多的商用软件，如fluent、Star-CD、numeca等。
Z
skirt.plt X Y
75 50 25
0 -25 -50 -75
-2
Y(M) 0
2
0 2 4 6 10 8 X(M) 12 14
D) 16 Feb 2003 Velocity Vectors
4.5
4 velocity.plt
3.5
3
2.5
2
1.5
Z
Z
(3D) 16 Feb 2003 IJK-Ordered DZ ata
Z
febrick.pltX Y
Y
fetetra2.plt X 6 exchng.plt 5
ijkortho.plXt Y
-10
-5
-0.5
0
2
X
1
5
0 X(M)0.5
4
Y(M)
3
2 0.4
Z(M)
0.2
1
0
10
8
6
4
2 2
4
Z
Vectors with Scatter Symbols
Anchored at MidPoint
(XY) 16 Feb 2003 Multiple Zone XY Data (2D) 16 Feb 2003 Cylinder M=0.1 RE
3000
2500 month.plt
2000
0.03 multizn.plt
0.02 0.01
Y(M)
Y
1500
0
1000 500
-0.01 -0.02 -0.03
1
0.4 chem.plt 0.9
0.3
0.8
circle.pltX Y
0.2
0.7
Concentration
0.1
0.6
Z
0
0.5
-0.1
0.4
-0.2
0.3
-0.3
0.2
-0.4
0.1
-0.5
0
0.25
0.5
0.75
1
Time
0.2
0.1
0 5 10 15 Y 20 25 30 35
0 0 5 10 15 20 X 25 30 35
计算流体力学
计 算 流 体 力 学基础
计算流体力学
★ 课时安排： 总学时３２小时，２４小时讲课；8+8小时上机练习。
★ 主要相关前修课程
计算机语言、工程流体力学、高等数学
★ 主要内容
介绍流场计算的基本概念、基本方法和简单算例
第一章 概 述
计算流体力学
1.1 计算流体力学的发展及特点简述