计算水力学引言

1、计算水力学计算水力学 计算水力学是计算流体力学的分支学科计算水力学是计算流体力学的分支学科计算流体力学是随计算机的发展起来的计算流体力学是随计算机的发展起来的计算流体力学计算流体力学实质是建立有限的数值模型实质是建立有限的数值模型建立在物理上合理、在数学上适定、适合于建立在物理上合理、在数学上适定、适合于在计算机上进行计算的有限数值模型在计算机上进行计算的有限数值模型计算流体力学正处在实验流体力学、理论流计算流体力学正处在实验流体力学、理论流体力学和计算数学的汇合点上的边缘学科体力学和计算数学的汇合点上的边缘学科流体力学中的数值计算方法有：有限差分或流体力学中的数值计算方法有：有限差分或有限体

2、积法、有限元法、特征线法、谱法等有限体积法、有限元法、特征线法、谱法等李光炽李光炽计算水力学计算水力学引引 言言 高速、大容量电子计算机的出现为各种复杂高速、大容量电子计算机的出现为各种复杂问题的大规模计算提供了可能性在满足下问题的大规模计算提供了可能性在满足下列列两个条件两个条件下，各种问题的数值模拟和数值下，各种问题的数值模拟和数值计算可用于预测和工程设计的目的：计算可用于预测和工程设计的目的：(1)(1) 对问题的物理本质了解得很清楚，并可用对问题的物理本质了解得很清楚，并可用精确的数学模型精确的数学模型来表达来表达. .(2)(2) 有足够大的计算机，以便在有足够大的计算机，以便在实际

3、可能实际可能的时的时间和费用下，用数值方法解出这些数学问间和费用下，用数值方法解出这些数学问题题李光炽李光炽计算水力学计算水力学自自19461946年第一台电子计算机年第一台电子计算机“ENIAC”ENIAC”问世以问世以来，计算机发展的速度是极其迅速的。与此来，计算机发展的速度是极其迅速的。与此同时，计算技术也有很大的发展同时，计算技术也有很大的发展 19791979年计年计算机已能计算出飞机的全机压力分布，并可算机已能计算出飞机的全机压力分布，并可取得不可能从风洞试验得到的数据取得不可能从风洞试验得到的数据(Chapman(Chapman，1979)1979)对粘性不很重要的其他气体运动，

4、如对粘性不很重要的其他气体运动，如核爆炸冲击波的传播、绕射等，计算机已成核爆炸冲击波的传播、绕射等，计算机已成为取得动态为取得动态模拟数据的主要手段模拟数据的主要手段李光炽李光炽计算水力学计算水力学上世纪初，人类进入航空时代作为航空基础之一上世纪初，人类进入航空时代作为航空基础之一的空气动力学开始迅速发展的空气动力学开始迅速发展60年代，载人宇宙飞年代，载人宇宙飞船的问世标志着高速空气动力学的发展已达到成熟船的问世标志着高速空气动力学的发展已达到成熟阶段。其中电子计算机在解决有关问题中起了重要阶段。其中电子计算机在解决有关问题中起了重要作用作用7070年代前后，根据人类生产实践的迫切需要，科学

5、年代前后，根据人类生产实践的迫切需要，科学工作者开始对能源开发、环境保护等问题作深入的工作者开始对能源开发、环境保护等问题作深入的研究，提出了越来越多的流体力学问题地球物理研究，提出了越来越多的流体力学问题地球物理流体力学、环境流体力学、海洋动力学等一些新兴流体力学、环境流体力学、海洋动力学等一些新兴学科应运而生，并在海底采油、控制污染、防止自学科应运而生，并在海底采油、控制污染、防止自然灾害及天气预报等方面得到广泛应用在解决这然灾害及天气预报等方面得到广泛应用在解决这些问题中电子计算机发挥着越来越大的作用些问题中电子计算机发挥着越来越大的作用 李光炽李光炽计算水力学计算水力学对过去建立在经验

6、公式基础上的古老水力学，对过去建立在经验公式基础上的古老水力学，电子计算机也可以使其精确化，电子计算机也可以使其精确化，“返老还返老还童童”。许多过去只能依靠实物模型。许多过去只能依靠实物模型(如水工模如水工模型型)解决的问题，现在已可通过计算机解解决的问题，现在已可通过计算机解决当前，在决当前，在潮汐河流潮汐河流的研究、的研究、洪水演变洪水演变的的计算、计算、垮坝波垮坝波的模拟、截流方案的选择和电的模拟、截流方案的选择和电站冷却水的分析方面，电子计算机也在得到站冷却水的分析方面，电子计算机也在得到广泛的应用。广泛的应用。 李光炽李光炽计算水力学计算水力学早年，流体力学和其他物理学科一样，分为

7、早年，流体力学和其他物理学科一样，分为理论理论和和实验实验两个分支随着电子计算机的出现和现代计算两个分支随着电子计算机的出现和现代计算技术的发展，已可用电子计算机作为模拟和实验手技术的发展，已可用电子计算机作为模拟和实验手段，数值地求解流体力学中各种各样的问题这样段，数值地求解流体力学中各种各样的问题这样就构成了流体力学的另外一个分支就构成了流体力学的另外一个分支计算流体力计算流体力学学由于电子计算机所能表示的数字和数位均是有由于电子计算机所能表示的数字和数位均是有限的，而且只能进行离散量的运算，所以各种各样限的，而且只能进行离散量的运算，所以各种各样的流体力学问题必须首先变为的流体力学问题必

8、须首先变为离散的有限的数值模离散的有限的数值模型型，才能在计算机上求解；而将流体的，才能在计算机上求解；而将流体的连续流动用连续流动用多个质点、离散涡元或有限波系的运动来近似多个质点、离散涡元或有限波系的运动来近似，在，在数学上就表示为有限差分、有限单元、有限基本解数学上就表示为有限差分、有限单元、有限基本解或有限分析的形式或有限分析的形式 李光炽李光炽计算水力学计算水力学计算流体力学不只是探求微分方程的初边值问题的计算流体力学不只是探求微分方程的初边值问题的数值解法，它的数值解法，它的实质实质是要在物理直观和力学实验的是要在物理直观和力学实验的基础上基础上建立建立各种流体运动的各种流体运动的

9、有限的数值模型有限的数值模型计算计算流体力学必须从各种流体运动的实际现象出发，掌流体力学必须从各种流体运动的实际现象出发，掌握流体力学总结出来的规律性，从而握流体力学总结出来的规律性，从而建立在物理上建立在物理上合理、在数学上适定、适合于在计算机上进行计算合理、在数学上适定、适合于在计算机上进行计算的有限数值模型的有限数值模型由于作为连续介质的流体运动在由于作为连续介质的流体运动在理论上是一个无限的信息系统，而计算流体力学实理论上是一个无限的信息系统，而计算流体力学实际上所能给出的却是一个有限的信息系统，所以计际上所能给出的却是一个有限的信息系统，所以计算流体力学还要对用这样有限的信息系统去代

10、替无算流体力学还要对用这样有限的信息系统去代替无限的信息系统的可靠程度作出估计计算流体力学限的信息系统的可靠程度作出估计计算流体力学还必须给出实现这种数值模型的快速算法还必须给出实现这种数值模型的快速算法 李光炽李光炽计算水力学计算水力学计算流体力学不是纯粹的计算流体力学不是纯粹的理论分析理论分析，它需要，它需要进行很多进行很多数值实验数值实验描述流体运动的方程可描述流体运动的方程可以是抛物型、椭圆型、双曲型以至混合型的以是抛物型、椭圆型、双曲型以至混合型的微分方程，它们可能有各阶的数学奇点以及微分方程，它们可能有各阶的数学奇点以及未知的或无穷远的边界而非线性问题的数未知的或无穷远的边界而非线

11、性问题的数值解法的数学理论还是很不完备的尚无严值解法的数学理论还是很不完备的尚无严格的稳定性分析、误差估计和收敛性的证格的稳定性分析、误差估计和收敛性的证明在计算流体力学中，仍然是一方面要依明在计算流体力学中，仍然是一方面要依靠对比较简单的线性的问题的严格数学分靠对比较简单的线性的问题的严格数学分析另一方面也要依靠物理直观、力学实验析另一方面也要依靠物理直观、力学实验的启发和在计算机上的数值试验的启发和在计算机上的数值试验李光炽李光炽计算水力学计算水力学这种数值实验有其自己这种数值实验有其自己独特的优点独特的优点它可以它可以完全控制完全控制流体的性质，如流体的密度、粘性流体的性质，如流体的密度

12、、粘性等它的等它的“实验探针实验探针”对流动对流动不产生扰不产生扰动动它可以进行纯二维的实验，这在实验室它可以进行纯二维的实验，这在实验室内是不可能真正实现它对于流动内是不可能真正实现它对于流动参数参数的选的选择具有巨大的择具有巨大的灵活性灵活性数值实验可以做无论数值实验可以做无论是理论分析还是实物模型实验所不能办到的是理论分析还是实物模型实验所不能办到的事情，它能事情，它能检验检验流动现象对流动现象对理论分析理论分析中所做中所做的各种近似的敏感性，如常粘性系数等它的各种近似的敏感性，如常粘性系数等它还能还能检验检验新的流体模型的新的流体模型的本构方程本构方程的合理的合理性性李光炽李光炽计算水

13、力学计算水力学计算流体力学中的有限的数值模型只有在网计算流体力学中的有限的数值模型只有在网格尺度为零的极限情况下才能精确地模拟连格尺度为零的极限情况下才能精确地模拟连续介质而这种极限是永远无法达到的离续介质而这种极限是永远无法达到的离散化的结果不仅在数量上影响计算的精度，散化的结果不仅在数量上影响计算的精度，而且在性质上还会改变流动的特征而且在性质上还会改变流动的特征(产生伪物产生伪物理效应，如数值粘性与频散；在非线性问题理效应，如数值粘性与频散；在非线性问题中的反常能谱转移效应等中的反常能谱转移效应等)在有限的数值模在有限的数值模型中也无法反映小尺度或短波长的流动现象，型中也无法反映小尺度或

14、短波长的流动现象，如滑移线和拐角处的极小涡流，而这些现象如滑移线和拐角处的极小涡流，而这些现象可能影响着流动的大尺度特征可能影响着流动的大尺度特征李光炽李光炽计算水力学计算水力学计算流体力学计算流体力学是不同于实验流体力学和理论是不同于实验流体力学和理论流体力学的流体力学的一门独立的学科一门独立的学科，它同时又是一，它同时又是一门门边缘学科边缘学科计算流体力学有它自己的特点、计算流体力学有它自己的特点、自己的方法和自己的困难它的理论基础是自己的方法和自己的困难它的理论基础是流体力学，而计算数学是建立数值模型和解流体力学，而计算数学是建立数值模型和解决有关问题必不可少的一部分内容计算流决有关问题

15、必不可少的一部分内容计算流体力学正处在体力学正处在实验流体力学实验流体力学、理论流体力学理论流体力学和和计算数学计算数学的汇合点上它的有成效的发展的汇合点上它的有成效的发展历史说明，必须把这三者紧密地有机地结合历史说明，必须把这三者紧密地有机地结合起来起来李光炽李光炽计算水力学计算水力学流体力学中的数值计算方法有许多种，如有流体力学中的数值计算方法有许多种，如有限差分或有限体积法、有限元法、面元法、限差分或有限体积法、有限元法、面元法、特征线法、谱法、积分关系式法、格子法、特征线法、谱法、积分关系式法、格子法、统计试验法、统计试验法、Monte-Carlo法、摄动法等由法、摄动法等由于流体力学

16、所处理问题的物理模型复杂多样，于流体力学所处理问题的物理模型复杂多样，针对不同的问题可能要采用上述不同的方针对不同的问题可能要采用上述不同的方法但目前在处理大量工程实际问题中应用法但目前在处理大量工程实际问题中应用最为广泛又较成熟的方法仍是有限差分法最为广泛又较成熟的方法仍是有限差分法(有有限体积法限体积法)和有限元法本书主要向大家介绍和有限元法本书主要向大家介绍有限差分法有限差分法(有限体积法有限体积法) 李光炽李光炽计算水力学计算水力学有限差分法有限差分法(含有限体积法含有限体积法)是计算流体力学中是计算流体力学中的主要方法最早的应用可追溯到的主要方法最早的应用可追溯到1933年，年，A.

17、Thom手算了低速绕圆柱流场有限差分方手算了低速绕圆柱流场有限差分方法简单、方便，易使人误认为只要有大型快法简单、方便，易使人误认为只要有大型快速的计算机，有意义的工程问题就可用有限速的计算机，有意义的工程问题就可用有限差分法轻易得到解决其实，差分计算中存差分法轻易得到解决其实，差分计算中存在很多问题，如稳定性、收敛性、精度、不在很多问题，如稳定性、收敛性、精度、不规则曲线边界条件处理等以及由方程非线性规则曲线边界条件处理等以及由方程非线性引起的困难引起的困难李光炽李光炽计算水力学计算水力学这说明有限差分方法中还有许多不解之谜，这说明有限差分方法中还有许多不解之谜，计算方法大有改进的必要，同时

18、也说明了为计算方法大有改进的必要，同时也说明了为什么在有限差分法之外还有许多如前面所叙什么在有限差分法之外还有许多如前面所叙述的其他方法在有限差分方法被广泛应用述的其他方法在有限差分方法被广泛应用的几十年间，差分方法本身也取得了很大的的几十年间，差分方法本身也取得了很大的进展，如在复杂边界的网格处理、计算效率进展，如在复杂边界的网格处理、计算效率的提高、精度的改进、间断面的捕捉等方面的提高、精度的改进、间断面的捕捉等方面都有了长足的进步都有了长足的进步李光炽李光炽计算水力学计算水力学用数值方法解流体力学工程问题时，总是先用数值方法解流体力学工程问题时，总是先列出求解问题的控制方程列出求解问题的控制方程( (如如N NS S方程方程) )，然后对方程进行离散，满足具体问题的定解然后对方程进行离散，满足具体问题的定解条件，最后在计算机上解出流场可见，这条件，最后在计算机上解出流场可见，这是经典的理论流体力学、数值计算方法与计是经典的理论流体力学、数值计算方法与计算机技术三者的综合因此，计算流体力学算机技术三者的综合因此，计算流体力学更接近于实验流体力学的实验仿真只是后更接近于实验流体力学的实验仿真只是后者用空间点物理量的测量结果而前者用空间者用空间点物理量的测量结果而前者用空间点物理