計(jì)算流體力學(xué)講義課件

計(jì)算流體力學(xué)講義課件計(jì)算流體力學(xué)概述流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)值方法與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件計(jì)算流體力學(xué)中的湍流模型計(jì)算流體力學(xué)中的多相流模型計(jì)算流體力學(xué)中的網(wǎng)格生成技術(shù)contents目錄計(jì)算流體力學(xué)概述01計(jì)算流體力學(xué)（ComputationalFluidDynamics，CFD）是一門(mén)應(yīng)用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)模擬方法研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。CFD通過(guò)數(shù)值方法模擬流體運(yùn)動(dòng)，可以解決復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題，具有高效、經(jīng)濟(jì)、靈活等優(yōu)點(diǎn)。定義與特點(diǎn)特點(diǎn)定義飛機(jī)和航天器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，氣動(dòng)性能分析。航空航天風(fēng)能、太陽(yáng)能、火力發(fā)電等領(lǐng)域的氣動(dòng)性能分析，燃燒模擬等。能源汽車(chē)、船舶、高鐵等交通工具的氣動(dòng)性能分析，流體動(dòng)力設(shè)計(jì)等。交通運(yùn)輸流體機(jī)械、流體輸送、流體污染控制等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。環(huán)境工程計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域早在20世紀(jì)初，科學(xué)家就開(kāi)始嘗試用數(shù)學(xué)方法描述流體運(yùn)動(dòng)。早期探索形成學(xué)科廣泛應(yīng)用20世紀(jì)中葉，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，CFD逐漸形成一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科。20世紀(jì)末至今，CFD在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為解決復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題的重要手段。030201計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展歷程流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)02流體具有流動(dòng)性、不可壓縮性和粘性等特性。流體特性流體可分為牛頓流體和非牛頓流體，其中牛頓流體又可分為層流和湍流。流體分類(lèi)流體特性與分類(lèi)

流體動(dòng)力學(xué)基本方程質(zhì)量守恒方程表示流體質(zhì)量在空間和時(shí)間上的變化規(guī)律。動(dòng)量守恒方程表示流體動(dòng)量在空間和時(shí)間上的變化規(guī)律。能量守恒方程表示流體能量在空間和時(shí)間上的變化規(guī)律。123單位時(shí)間內(nèi)流體的質(zhì)量增加等于流入該流體的質(zhì)量。質(zhì)量守恒定律單位時(shí)間內(nèi)流體的動(dòng)量增加等于作用于該流體的外力。動(dòng)量守恒定律單位時(shí)間內(nèi)流體的能量增加等于流入該流體的能量加上作用于該流體的外力所做的功。能量守恒定律流體流動(dòng)的守恒定律03能量方程根據(jù)能量守恒定律推導(dǎo)得出，描述了流體流動(dòng)過(guò)程中能量守恒的規(guī)律。01連續(xù)性方程根據(jù)質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)得出，描述了流體流動(dòng)過(guò)程中質(zhì)量守恒的規(guī)律。02動(dòng)量方程根據(jù)動(dòng)量守恒定律推導(dǎo)得出，描述了流體流動(dòng)過(guò)程中動(dòng)量守恒的規(guī)律。流體流動(dòng)的控制方程數(shù)值方法與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件03數(shù)值方法在計(jì)算流體力學(xué)中的重要性數(shù)值方法是計(jì)算流體力學(xué)中不可或缺的工具，它能夠通過(guò)離散化的方式將連續(xù)的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)學(xué)問(wèn)題，從而進(jìn)行數(shù)值模擬和分析。數(shù)值方法的分類(lèi)根據(jù)不同的離散方式和近似方法，數(shù)值方法可以分為有限差分法、有限元法、有限體積法等。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同類(lèi)型的問(wèn)題和場(chǎng)景。數(shù)值方法的精度和穩(wěn)定性數(shù)值方法的精度和穩(wěn)定性是評(píng)估其好壞的重要指標(biāo)。高精度和穩(wěn)定的數(shù)值方法能夠更好地模擬流體運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)和動(dòng)態(tài)特性。數(shù)值方法概述有限差分法的原理有限差分法是一種基于差分方程的數(shù)值方法，它將物理方程離散化為差分方程，進(jìn)而求解離散點(diǎn)上的數(shù)值。有限差分法的應(yīng)用場(chǎng)景有限差分法適用于規(guī)則的網(wǎng)格系統(tǒng)，對(duì)于一維和二維問(wèn)題較為適用，但對(duì)于三維問(wèn)題，由于計(jì)算量和存儲(chǔ)量較大，應(yīng)用較為受限。有限差分法的優(yōu)缺點(diǎn)有限差分法簡(jiǎn)單直觀，易于編程實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于復(fù)雜流動(dòng)和多維問(wèn)題，其精度和穩(wěn)定性可能不足。有限差分法有限元法是一種基于變分原理的數(shù)值方法，它將物理方程離散化為有限元方程，通過(guò)求解每個(gè)有限元的數(shù)值來(lái)逼近物理量的真實(shí)值。有限元法的原理有限元法適用于不規(guī)則的網(wǎng)格系統(tǒng)和多維問(wèn)題，尤其在處理復(fù)雜邊界和流場(chǎng)形狀時(shí)具有優(yōu)勢(shì)。有限元法的應(yīng)用場(chǎng)景有限元法能夠處理復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，但對(duì)于大規(guī)模問(wèn)題，其計(jì)算量和存儲(chǔ)量較大，且編程實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。有限元法的優(yōu)缺點(diǎn)有限元法有限體積法有限體積法具有較高的精度和穩(wěn)定性，且易于編程實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于復(fù)雜流動(dòng)和多維問(wèn)題，其計(jì)算量和存儲(chǔ)量可能較大。有限體積法的優(yōu)缺點(diǎn)有限體積法是一種基于積分方程的數(shù)值方法，它將物理方程離散化為有限體積方程，通過(guò)求解每個(gè)控制體的數(shù)值來(lái)逼近物理量的真實(shí)值。有限體積法的原理有限體積法適用于各種類(lèi)型的網(wǎng)格系統(tǒng)和多維問(wèn)題，尤其在處理流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題時(shí)具有較高的精度和穩(wěn)定性。有限體積法的應(yīng)用場(chǎng)景商業(yè)軟件與開(kāi)源軟件計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件市場(chǎng)上有許多商業(yè)軟件和開(kāi)源軟件可供選擇，如ANSYSFluent、CFX、OpenFOAM等。這些軟件各有優(yōu)缺點(diǎn)，用戶可以根據(jù)需求選擇適合自己的軟件。軟件功能與模塊計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件通常包括前處理、求解器和后處理等模塊，能夠進(jìn)行網(wǎng)格生成、模型選擇、求解設(shè)置、結(jié)果分析和可視化等功能。用戶可以根據(jù)需要選擇不同的模塊和功能進(jìn)行組合。軟件應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、環(huán)境、化工等領(lǐng)域，能夠幫助用戶進(jìn)行流體運(yùn)動(dòng)的分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件介紹計(jì)算流體力學(xué)中的湍流模型04湍流是一種高度復(fù)雜的三維流動(dòng)，具有隨機(jī)性和不規(guī)則性。湍流中流體的速度、壓力、溫度等物理量隨時(shí)間和空間發(fā)生變化，具有強(qiáng)烈的脈動(dòng)性質(zhì)。湍流在自然界和工程中廣泛存在，如河流、海洋流動(dòng)、氣象變化等。湍流的基本概念湍流模型可以分為零方程模型、一方程模型和兩方程模型等。選擇合適的湍流模型需要考慮流動(dòng)特性、計(jì)算資源和工程需求等因素。不同的湍流模型適用于不同的流動(dòng)條件和問(wèn)題類(lèi)型。湍流模型的分類(lèi)與選擇03標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型適用于許多工程流動(dòng)，但不適用于存在強(qiáng)旋流或彎曲壁面的流動(dòng)。01標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是一種兩方程模型，用于模擬湍流流動(dòng)。02該模型基于湍流動(dòng)能k和耗散率ε的輸運(yùn)方程，通過(guò)求解這兩個(gè)方程來(lái)模擬湍流流動(dòng)。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型010203Realizablek-ε模型是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的改進(jìn)，以更好地模擬湍流流動(dòng)。該模型對(duì)湍流動(dòng)能k和耗散率ε的輸運(yùn)方程進(jìn)行了修正，以更好地處理流動(dòng)中的旋流和彎曲壁面流動(dòng)。Realizablek-ε模型適用于許多復(fù)雜流動(dòng)，如管道流動(dòng)、翼型繞流等。Realizablek-ε模型SSTk-ω模型SSTk-ω模型是一種兩方程模型，用于模擬湍流流動(dòng)。該模型基于湍流動(dòng)能k和旋轉(zhuǎn)速度ω的輸運(yùn)方程，通過(guò)求解這兩個(gè)方程來(lái)模擬湍流流動(dòng)。SSTk-ω模型適用于許多工程流動(dòng)，特別是存在旋轉(zhuǎn)和彎曲壁面的流動(dòng)，如風(fēng)扇、壓縮機(jī)和渦輪機(jī)中的流動(dòng)等。計(jì)算流體力學(xué)中的多相流模型05123多相流是指流體中含有兩種或兩種以上的相態(tài)，如液相、固相、氣相等。多相流在自然界和工程領(lǐng)域中廣泛存在，如河流中的沙粒流動(dòng)、石油和天然氣的開(kāi)采等。多相流的研究需要考慮不同相之間的相互作用、流動(dòng)特性以及相變等復(fù)雜因素。多相流的基本概念歐拉-歐拉方法將顆粒視為連續(xù)介質(zhì)，通過(guò)求解顆粒的連續(xù)性方程和顆粒的運(yùn)動(dòng)方程來(lái)模擬顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。離散元素法將顆粒視為離散的個(gè)體，通過(guò)求解顆粒的運(yùn)動(dòng)方程來(lái)模擬顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。歐拉-拉格朗日方法將流體視為連續(xù)介質(zhì)，而將顆粒視為離散的個(gè)體，通過(guò)求解流體粒子的運(yùn)動(dòng)方程來(lái)模擬顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。多相流模型的分類(lèi)與選擇VOF模型是一種用于模擬流體自由表面的流動(dòng)模型，可以處理復(fù)雜的流體界面現(xiàn)象，如水滴、氣泡等。VOF模型通過(guò)跟蹤流體體積分?jǐn)?shù)來(lái)描述不同流體之間的界面，可以準(zhǔn)確地模擬流體界面的形狀和運(yùn)動(dòng)。VOF模型適用于處理具有復(fù)雜界面流動(dòng)的問(wèn)題，如水力學(xué)、氣象學(xué)等領(lǐng)域。VOF模型Mixture模型是一種用于模擬多相流中流體混合物的流動(dòng)模型。Mixture模型將多相流視為一個(gè)整體，通過(guò)求解混合物的動(dòng)量方程和連續(xù)性方程來(lái)模擬多相流的運(yùn)動(dòng)特性。Mixture模型適用于處理具有均勻分布的多相流問(wèn)題，如石油、天然氣等領(lǐng)域的多相流模擬。Mixture模型

Eulerian模型Eulerian模型是一種用于模擬多相流中各相之間相互作用的流動(dòng)模型。Eulerian模型將多相流中的每一相都視為獨(dú)立的流動(dòng)體系，通過(guò)求解各相的動(dòng)量方程和連續(xù)性方程來(lái)模擬多相流的運(yùn)動(dòng)特性。Eulerian模型適用于處理各相之間存在強(qiáng)烈相互作用的多相流問(wèn)題，如河流中沙粒流動(dòng)等領(lǐng)域的多相流模擬。計(jì)算流體力學(xué)中的網(wǎng)格生成技術(shù)06網(wǎng)格生成的質(zhì)量直接影響到數(shù)值模擬的精度和穩(wěn)定性。網(wǎng)格生成技術(shù)需要解決如何合理地覆蓋流場(chǎng)、如何準(zhǔn)確地捕捉流動(dòng)細(xì)節(jié)以及如何高效地生成網(wǎng)格等問(wèn)題。網(wǎng)格生成技術(shù)是計(jì)算流體力學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，用于將物理空間離散化為計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)值網(wǎng)格。網(wǎng)格生成技術(shù)概述正交網(wǎng)格生成方法是最常用的網(wǎng)格生成方法之一，適用于規(guī)則的幾何形狀和流動(dòng)特性。正交網(wǎng)格通過(guò)將物理空間劃分為規(guī)則的網(wǎng)格單元，能夠保證數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性和精度。正交網(wǎng)格生成方法包括笛卡爾網(wǎng)格和曲線坐標(biāo)系網(wǎng)格等。正交網(wǎng)格生成方法非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成方法適用于復(fù)雜流動(dòng)和不規(guī)則幾何形狀的情況。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格不遵循規(guī)則的網(wǎng)格布局，可以根據(jù)流動(dòng)特征自適應(yīng)地調(diào)整網(wǎng)格形狀和