工程流體力學(xué)10課件

1、第八章 膨脹波和激波 8-1 膨脹波 8-2 正激波的形成和傳播 8-3 正激波前后的參數(shù)關(guān)系 8-4 斜激波 8-5 激波的反射和相交 8-6 拉伐爾噴管內(nèi)的正激波第八章 膨脹波和激波 8-1 膨脹波 8-2 正激波的形成和傳播 8-3 正激波前后的參數(shù)關(guān)系 8-4 斜激波 8-5 激波的反射和相交 8-6 拉伐爾噴管內(nèi)的正激波第八章 膨脹波和激波 8-1 膨脹波 8-2 正激波的形成和傳播 8-3 正激波前后的參數(shù)關(guān)系 8-4 斜激波 8-5 激波的反射和相交 8-6 拉伐爾噴管內(nèi)的正激波第十章 工程流體力學(xué)的計(jì)算方法 10-1 代數(shù)方程的牛頓迭代法 10-2 差分法 10-3 差分法的應(yīng)

2、用實(shí)例 10-4 特征線法 10-5 有限元的插值函數(shù) 10-6 一維有限元法計(jì)算流體力學(xué)（CFD）王福軍編著 , 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析：CFD軟件原理與應(yīng)用 , 清華大學(xué)出版社 , 2004年09月第1版 CFD方法與傳統(tǒng)的理論分析方法、實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法組成了研究流體流動(dòng)問題的完整體系圖1.1給出了表征三者之間大系的“三維”流體力學(xué)示意圖。 理論分析方法的優(yōu)點(diǎn)在于所得結(jié)果具有普遍性，各種影響因素清晰可見，是指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證新的數(shù)值計(jì)算方法的理論基礎(chǔ)。但是，它往往要求對(duì)計(jì)算對(duì)象進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化，才有可能得出理論解。對(duì)于非線性情況，只有少數(shù)流動(dòng)才能給出解析結(jié)果。 實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可信，

3、它是理論分析和數(shù)值方法的基礎(chǔ)，其重要性不容低估。然而，實(shí)驗(yàn)往往受到模型尺寸、流場(chǎng)擾動(dòng)、人身安全和測(cè)量精度的限制，有時(shí)可能很難通過試驗(yàn)方法得到結(jié)果。此外，實(shí)驗(yàn)還會(huì)遇到經(jīng)費(fèi)投入、人力和物力的巨大耗費(fèi)及周期長(zhǎng)等許多困難。 而CFD方法恰好克服了前面兩種方法的弱點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)個(gè)特定的計(jì)算，就好像在計(jì)算機(jī)上做一次物理實(shí)驗(yàn)。例如，機(jī)翼的繞流，通過計(jì)算并將其結(jié)果在屏幕上顯示，就可以看到流場(chǎng)的各種細(xì)節(jié)：如激波的運(yùn)動(dòng)、強(qiáng)度，渦的生成與傳播，流動(dòng)的分離、表面的壓力分布、受力大小及其隨時(shí)間的變化等。數(shù)值模擬可以形象地再現(xiàn)流動(dòng)情景，與做實(shí)驗(yàn)沒有什么區(qū)別。數(shù)值方法、分析解法與實(shí)驗(yàn)研究分析解法成本最低結(jié)果最理想影響因

4、素表達(dá)清楚缺點(diǎn)：局限與非常簡(jiǎn)單的問題數(shù)值方法成本較低：數(shù)值實(shí)驗(yàn)適用范圍寬缺點(diǎn)：可靠性差，表達(dá)困難實(shí)驗(yàn)研究可靠成本高將三種方法有機(jī)結(jié)合，互為補(bǔ)充，必然會(huì)取得相得益彰的效果按離散方法分類有限差分法（ Finite difference method）用差商與代替導(dǎo)數(shù) 經(jīng)典、成熟數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)明確 主導(dǎo)方法有限體積法(Finite volume method)控制容積法（Control volume method）基本上屬于有限差分法的范疇有限單元法（Finite element method)將求解區(qū)域分成若干個(gè)小的單元（element）設(shè)定待求變量在單元上的分布函數(shù)適應(yīng)性強(qiáng)，適用于復(fù)雜的求解區(qū)域一

5、度有取代有限差分法的趨勢(shì)程序技巧要求高數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不如有限差分法明確目前的CFD商用軟件大多采用有限體積法1 PHOENICS PHOENICS是世界上第一套計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)與傳熱學(xué)的商用軟件，它是Parabolic Hyperblic Or Elliptic Numerical Interation Code Series的縮寫，它是英國(guó)皇家學(xué)會(huì)D.B.SPALDING教授及40多位博士20多年心血的典范之作。PHOENICS已廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車、暖通空調(diào)、環(huán)境、能源動(dòng)力、化工等各個(gè)領(lǐng)域。第一個(gè)正式版本于1981年開發(fā)完成。 除了通用CFD軟件應(yīng)該擁有的功能外，PH0ENICS軟件有自

6、己獨(dú)特的功能： 開放性。PHOENICs最大限度地向用戶開放了程序，用戶可以根據(jù)需要添加用戶程序、用戶模型。 CAD接口。PH0ENICS可以讀入幾乎任何CAD軟件的圖形文件。 運(yùn)動(dòng)物體功能。利用MovOBJ，可以定義物體運(yùn)動(dòng)，克服了使用相對(duì)運(yùn)動(dòng)方法的局限性。 多種模型選擇,提供了多種湍流模型、多相流模型、多流體模型、燃燒模型、輻射模型等。 雙重算法選擇。既提供了歐拉算法，也提供了基于粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的拉格朗日算法。 多模塊選擇。PHOENICs提供了若干專用模塊，用于特定領(lǐng)域的分析計(jì)算。如 COFFUS用于煤粉鍋爐爐膛燃燒模擬，F(xiàn)LAIR用于小區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)及高大空間建筑 設(shè)計(jì)模擬，HOTBOX用于

7、電子元器件散熱模擬等。 PH0ENICS的windows版本位用Digital/Compaq Fortran編譯器編譯，用戶的二次開發(fā)接口也通過該語言實(shí)現(xiàn)。此外，它還有Linux/Unix版本。PHOENICS 的應(yīng)用領(lǐng)域Aerospace （航空航天）Automotive （汽車）Chemical Process （化工過程）Combustion （燃燒）Electronics （電子）Marine （航海）Metallurgical （冶金）Nuclear （核反應(yīng)堆）Petroleum （石油）Power （電力，包括燃煤鍋爐）Water （水利）Bio-medical （生物制藥）En

8、vironmental （環(huán)保，包括污染物的擴(kuò)散）Ship Hydrodynamics （艦船的水動(dòng)力）Architecture and building （建筑行業(yè)）PHOENICS模塊應(yīng)用FLAIR 用于HVAC（暖通建筑行業(yè)）；HOTBOX用于電子元件散熱；COFFUS用于工業(yè)鍋爐煤燃燒；EXPLOIT用于爆炸燃燒2 FLUENT FLUENT是由美國(guó)FLUENT公司于1983推出的CFD軟件。它是繼PHOENICS軟件之后的第二個(gè)投放市場(chǎng)的基于有限體積法的軟件。FLUENT是目前功能最全面、適用性最廣、國(guó)內(nèi)使用最廣泛的CFD軟件之一。 FLUENTT提供了非常靈活的網(wǎng)格特性，讓用戶可以

9、使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，包括三角形、四邊形、四面體、六面體、金字塔形網(wǎng)格來解決具有復(fù)雜外形的流動(dòng)，甚至可以用混合型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。它允許用戶根據(jù)解的具體情況對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行修改(細(xì)化租化)。FLUENT使用GAMBIT作為前處型軟件，它可讀入多種CAD軟件的三維兒何模型和多種CAE軟件的網(wǎng)格模型。FLUENT可用于二維平面、二維軸對(duì)稱和三維流動(dòng)分析，可完成多種參考系下流場(chǎng)模擬、定常與非定常流動(dòng)分析、不可壓流和可壓流計(jì)算、層流和湍流模擬、傳熱和熱混合分析、化學(xué)組分混合和反應(yīng)分析、多相流分析、固體與流體耦合傳熱分析、多孔介質(zhì)分析等。 FLUENT可讓用戶定義多種邊界條件，如流動(dòng)入口及出口邊界條件、壁面邊界條件等，可

10、采用多種局部的笛卡兒和圓柱坐標(biāo)系的分量輸入，所有邊界條件均可隨空間和時(shí)間變化，包括軸對(duì)稱和周期變化等。FLUENT提供的用戶自定義子程序功能，可讓用戶自行設(shè)定連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程或組分輸運(yùn)方程中的體積源項(xiàng)，自定義邊界條件、初始條件、流體的物性、添加新的標(biāo)量方程和多孔介質(zhì)模型等。 FLUENT是用c語言寫的，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配及高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具有很大的靈活性與很強(qiáng)的處理能力。此外FLUENT使用Client/Server結(jié)構(gòu)，它允許同時(shí)在用戶桌面工作站和強(qiáng)有力的服務(wù)器上分離地運(yùn)行程序。FLUENT可以在windows2000/XP、Linux/Unix操作系統(tǒng)下運(yùn)行，支持并行處理。 在F

11、LIENT中，解的計(jì)算與顯示可以通過交互式的用戶界面來完成。用戶界面是通過Scheme語言寫就的。高級(jí)用戶可以通過寫菜單宏及菜單函數(shù)自定義及優(yōu)化界面。用戶還可使用基于C語言的用戶自定義函數(shù)功能對(duì)FLUENT進(jìn)行擴(kuò)展。 FLUENT公司除了FLUENT軟件外，還有一些專用的軟件包，除了基于有限元怯的CFD軟件FIDAP外，還有專門用于粘彈性和聚合物流動(dòng)模擬的POLYFLOW，專門用于電子熱分析的ICEPAK，專門用于分析攪拌混合的MIXSIM，專門用于通風(fēng)計(jì)算的AIRPAK等。 10-1 代數(shù)方程的牛頓迭代法 超越方程：方程中，對(duì)未知數(shù)不僅施行有限次代數(shù)運(yùn)算（加、減、乘、除、乘方、開方 ），而且

12、還要施行有限次指數(shù)、對(duì)數(shù)、三角函數(shù)等運(yùn)算，這樣的方程叫做超越方程。 牛頓迭代法用于求解代數(shù)方程和超越方程的根。圖101表示一條曲線y=f(x)。要求出該曲線與x軸的交點(diǎn)的位置，即f(x)0的解。設(shè)(x0，y0)是曲線上的一個(gè)點(diǎn)，即牛頓迭代法 10-2 差分法 10-3 差分法的應(yīng)用實(shí)例 10-4 特征線法 特征線法用于求解一元非定?？蓧嚎s流動(dòng)問題的數(shù)值解。水擊壓力波在管道內(nèi)的傳播，高速列車進(jìn)人隧道時(shí)所產(chǎn)生的壓力波的傳播，都屬于這種流動(dòng)。 下面討論園截面管道中可壓縮粘性流體的非定常流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)微分方程和連續(xù)性方程。 10-5 有限元的插值函數(shù)本節(jié)介紹有限元法的插值函數(shù)，它是有限元法的基礎(chǔ)。一、線性插