飞行器流动仿真讲稿第1章-绪论

教学目标
了解流动数值模拟的作用和方法；
掌握流体力学控制方程组的各种形式及其物
理意义；
掌握有限差分离散的基本格式和实施步骤； 掌握网格生成和数据处理的基本方法。
教学基本要求
掌握有限差分离散基本格式和实施步骤，掌 握网格生成和数据绘图处理的基本方法； 编写拟一维喷管流动的数值模拟程序；
掌握流动数值仿真程序的调试手段与技巧。
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
研究工具 观察流动现象
密度
马赫数
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
研究工具 观察流动现象
膛口流场
二维轴对称无黏含化学反应Euler方程 三阶MUSCL和AUSMPW+迎风格式
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
研究工具 观察流动现象
计算 流体 力学
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
研究工具 CFD的作用 设计工具 研究工具 数值风洞 提供设计所需数据 数值实验研究
可保证实验条件完全相 同的“吹风”实验，真 正的风洞实验常常难以 实现。
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
研究工具 观察流动现象 突然抽开隔板
激波管问题
非定常流动
二维无黏Euler方程，三阶MUSCL和AUSMPW+迎风格式
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
研究工具 观察流动现象
密度：有接触间断
压强：无接触间断
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
研究工具 观察流动现象
Emery问题
定常流动
二维无黏Euler方程，三阶MUSCL和AUSMPW+迎风格式
第1.1节 为什么学习本课程
一、现代飞行器流动的复杂性
外流 绕流流场 大气层内 大气层外
火箭
飞 行 器
导弹 飞机
空气流过飞行器周围
工质流过推进装置内部 内部流场
载人飞船
航天飞机
内流
第1.1节 为什么学习本课程
飞 行 器 追 求 目 标
高升阻比 高推重比 高速 外流 内流 复杂化学反应 极为复杂
高效 高稳定性 三 维 流 动
典型CFD方法的 学习
CFD知识的应用
第1.2节课程的主要内容与学习方法
二、课程学习方法
理解并掌握流体力学控制方程组的基本形式和性质
掌握几种经典的数值格式 通过喷管流动数值模拟，建立初步的CFD能力：
准确提出流动模型：合理简化、适定性考虑 生成高质量的网格 选择恰当的数值格式 熟悉并掌握计算机编程调试方法 熟悉并掌握CFD后处理的基本手段
H2质量分数
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
研究工具 观察流动现象 三维计算
温度
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
研究工具 观察流动现象 三维计算
压强
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
可以轻松获得层流与湍流的差别，只需在 计算时关闭和打开湍流模型选项即可。
考核方式
平时成绩30%：课堂笔记、作业；
考试成绩70%：面试编程计算。
第1.1节 为什么学习本课程 一、现代飞行器流动的复杂性 二、解决飞行器流动问题的方法 三、计算流体力学的作用 四、计算流体力学的应用范围 第1.2节 课程的主要内容与学习方法 一、课程主要内容 二、课程学习方法
第1章 绪论
深刻理解外流、内流的现象、影响 因素及其与飞行器的相互作用 飞行器性能预测 和工程设计
计算 流体力学
用某种离散方法将 偏微分控制方程组 转化为离散方程组 ，可求解复杂流动 规律。
必须经过理论 或实验的验证
第1.1节 为什么学习本课程
二、解决飞行器流动问题的方法
理论 流体 力学 实验 流体 力学
深刻理解流 动现象、影 响因素及其 与飞行器的 相互作用
应用极其广泛 参见教材实例
第1章 绪论
第1.2节 课程的主要内容与学习方法
一、课程主要内容
第2章 流体力学控制方程组 控制方程组形式与区别、封闭与物 理边界条件
第3章 控制方程组的数学性质及其对 CFD的影响 特征线，偏微分方程分类，偏微分 方程性质 第4章 控制方程组离散化的基本方法 有限差分、差分方程、误差与稳定 性分析 必要的 流体力学基础
旋转爆震发动机典型流场结构
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
研究工具 观察流动现象 二维计算 （剪开的环形燃烧室）
温度
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
研究工具 观察流动现象 二维计算 （剪开的环形燃烧室）
压强
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
研究工具 观察流动现象 二维计算 （剪开的环形燃烧室）
设计工具
提供设计所需数据
风洞中的M6跨声速机翼
表面与侧面上的压强云图
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
设计工具
提供设计所需数据
弧形翼弹箭表面压强云图
不同攻角距弹底0.5D截面处压强分布
第1.1节 为什么学习本课程
四、计算流体力学的应用范围
汽车 发动机 工业制造
土木工程
环境工程 航空宇航推进装置
深刻理解外流、内流的现象、影响 因素及其与飞行器的相互作用 飞行器性能预测 和工程设计
理论 流体力学
用基本概念、基本 定律和数学工具分 析流动，以主要影 响因素为研究对象 抽象出流动模型， 通过定量分析获得 一般规律。
无法获得复杂 流动的解析解 所起作用有限
第1.1节 为什么学习本课程
二、解决飞行器流动问题的方法
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
设计工具
提供设计所需数据
Northrop F-20全机表面压力系数等值线分布
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
设计工具
提供设计所需数据
Northrop F-20全机 绕流的机翼涡
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
非 定 常 流 动 复 杂 流 动 边 界 高 超 声 速 高 温 效 应 推 进 剂 或 燃 料 燃 烧
空气离解、电离
第1.1节 为什么学习本课程
航天飞机
美国空天飞机示意图
民用飞机
直升机
第1.1节 为什么学习本课程
火箭发射
航空发动机
液体火箭
第1.1节 为什么学习本课程
二、解决飞行器流动问题的方法
必要的 数学基础
必要的 有限差分基础
第1.2节课程的主要内容与学习方法
第5章 网格生成与坐标变换 笛卡尔直角网格，曲线贴体网格， 方程变换
必要的连续求解 域离散基础
第6章 计算流体力学的基本方法 Lax-Wendroff法、MacCormack法 、压力修正法、有限体积法
第7章 拟一维喷管流动的数值模拟 亚声速—超声速等熵流、全亚声速 等熵流、含激波流动
深刻理解外流、内流的现象、影响 因素及其与飞行器的相互作用 飞行器性能预测 和工程设计
实验 流体力学
通过测量、显示等 技术提供感性知识 和定量数据，分析 流动规律。
费时费力，无 法获得流场任 意细节，受设 备、测量仪器 等限制有些实 验无法开展。
第1.1节 为什么学习本课程
二、解决飞行器流动问题的方法
Computational Fluid Dynamics The Basics with Applications
2013年6月
课程概述
性质：专业选修课
地位：现代飞行器工程设计必备知识
学分：2 教材：约翰 D 安德森.计算流体力学基础及其 应用.机械工业出版社，2007 先修课程：有关流体力学课程（黏性流体力 学、气体动力学、工程流体力学基础等）
第1.2节课程的主要内容与学习方法
基本原理 流体力学控制方程组 控制方程组的数学性质 方程组基本离散方法 有限差分法 有限体积法
网格生成与坐标变换 一些通用技术
具体应用 拟一维喷管流动 的数值模拟 亚—超声速等熵流 全亚声速等熵流
激波捕捉
研究工具
a)层流
b)湍流
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
研究工具 有助于解释、甚至确认流动现象。
湍流计算结果与实验数据一致
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
设计工具 提供设计所需数据
对飞行器新设计方案进 行流场数值模拟，可以 仔细观察波系结构、分 离流、漩涡等流动情况， 获得飞行轨迹计算所需 的气动力等参数。
温度
马赫数
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
研究工具 观察流动现象 膛口流场 （含运动弹丸）
温度
马赫数
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
研究工具 观察流动现象 膛Hale Waihona Puke Baidu流场 （含运动弹丸）
CO质量分数
H2O质量分数
第1.1节 为什么学习本课程
三、计算流体力学的作用
研究工具 观察流动现象