《计算流体力学》课程教学大纲

《计算流体力学》教学大纲一、课程基本信息课程名称计算流体力学ComputationalFluidDynamics课程编码SPE421621020开课院部石油工程学院课程团队流体力学课程组学分2.0课内学时32讲授32实验0上机0实践0课外学时32适用专业本研一体化班（石油工程类）授课语言中文先修课程数学分析（2-1）、数学分析（2-2）、数值计算方法、工程流体力学理论与进展（2-1）、高等流体力学课程简介（限选）计算流体力学是一门运用计算方法研究复杂流体力学问题的分支学科。本课程的学习目标是掌握经典流体力学方程的数值求解方法，例如波动方程、对流-扩散方程、粘性流动、湍流模型以及油气多相流动的数值求解方法。主要内容包括：流动控制方程组的基本性质和典型流动模型的数学物理特征（双曲型、抛物型、椭圆型），有限差分法及经典差分格式的收敛性稳定性问题等基本理论，一维定常、非定常流动的有限差分离散原理与方法，掌握无粘流动的典型解法：无粘流动的有限体积法、扩散问题的有限体积法、对流-扩散问题的有限体积法，掌握求解粘性流体N-S方程的压力修正算法，紊流模型的求解方法。通过本课程的学习，要求学生完成并掌握运用编程语言或CFD软件解决流体力学相关的研究性问题。Computationalfluiddynamicsisabranchdisciplinethatusescomputationalmethodstostudycomplexfluiddynamicsproblems.Thelearninggoalofthiscourseistomasterthenumericalsolutionmethodsofclassicalfluidmechanicsequations,suchaswaveequation,convection-diffusionequation,viscousflow,turbulencemodelandnumericalsolutionmethodsofmultiphaseflowofoilandgas.Themaincontentsinclude:thebasicpropertiesofflowcontrolequationsandthemathematicalandphysicalcharacteristicsoftypicalflowmodels(hyperbolic,parabolic,elliptic),basictheoriessuchasfinitedifferencemethodandconvergencestabilityofclassicaldifferenceschemes,finitedifferencediscreteprinciplesandmethodsforone-dimensionalsteadyandunsteadyflows,andtypicalsolutionsforinviscidflows:thefinitevolumemethodofnon-viscousflow,thefinitevolumemethodofdiffusionproblem,thefinitevolumemethodofconvection-diffusionproblem,masterthepressurecorrectionalgorithmforsolvingtheN-Sequationofviscousfluid,andthesolutionmethodofturbulentmodel.Throughthestudyofthiscourse,studentsarerequiredtocompleteandmastertheapplicationofprogramminglanguageorCFDsoftwaretosolveresearchproblemsrelatedtofluidmechanics.负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标OBE毕业要求指标点任务自选1M1目标1：培养和提高学生对工程流动进行流体力学建模的能力。是三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课程目标课内学时教学方式课外学时课外环节11.11.1流体动力学基本方程组建立数学模型的一般方法；流动现象的数学描述M12讲授2文献阅读21.21.2守恒型流体动力学控制方程组守恒形式和非守恒形式基本方程M12讲授2文献阅读32.12.1偏微分方程的数学物理特征和分类偏微分方程的物理分类和数学分类M12讲授2文献阅读42.22.2偏微分方程的有限差分法离散方法及基本理论基础；偏微分方程的差分近似M12讲授2文献阅读52.32.3离散方程的相容性、收敛性及稳定性离散方程的相容性、稳定性和守恒性；数值解的精度M12讲授2作业62.42.4离散方程的守恒性和迁移性离散方程的守恒性和迁移性M11讲授1文献阅读73.13.1波动方程的数学性质波动方程的数学性质M11讲授1文献阅读83.23.2一维定常对流问题的有限差分格式双曲型方程的有限差分法M12讲授2文献阅读93.33.3一维非定常对流问题的特征线有限差分法经典差分格式M12讲授2作业104.14.1通用微分方程及热传导问题通用微分方程及热传导问题M12讲授2文献阅读114.24.2有限体积法的离散方法有限体积法的理论基础；有限体积法的离散方法M12讲授2文献阅读124.34.3一维恒定和非恒定导热问题的求解有限体积方法的稳定性分析；不可压缩流体扩散问题的有限体积法及求解实例M12讲授2文献阅读135.15.1对流-扩散方程及工程问题对流-扩散方程及工程问题M11讲授1文献阅读145.25.2对流项的中心差分与迎风格式对流项的两种离散格式；对流-扩散方程的中心差分与迎风格式M12讲授2作业156.16.1不可压流动方程及求解中的关键问题对动量方程中源项的处理及流场求解中的关键问题；不可压缩流动求解中的关键问题M11讲授1文献阅读166.26.2交叉网格及动量方程的离散交叉网格；动量方程的离散M12讲授2文献阅读176.36.3求解N-S方程的压力修正方法及SIMPLE算法的发展SIMPLE系列方法M12讲授2作业187.17.1湍流的数值模拟方法湍流模型的求解方法：一方程模型；标准k-ε模型；大涡模拟；雷诺应力模型；雷诺平均法M12讲授2文献阅读四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1平时案例分析/作业1．共布置若干道题目，平均每周1道题。2．成绩采用百分制，根据案例分析/作业完成准确性、是否按时上交、是否独立完成评分。3．考核学生对基本知识的掌握能力，综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力，题型主要有分析计算、案例分析报告、编制程序等。80%2课堂表现成绩采用百分制，主要根据上课考勤、课堂发言等评分。20%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1M1平时案例分析/作业80%A：独立思考、按时完成、分析思路清晰、步骤完整、格式合理、答案准确。B:独立思考、按时完成、分析思路比较清晰、步骤比较完整、格式合理、答案准确。C:独立思考、按时完成、分析思路比较清晰、步骤比较完整、格式比较合理、答案准确。D:作业抄袭，未能按时完成，作图不规范，解题思路混乱。2M1课堂表现20%A:出勤率占总出勤次数的90%～100%，课堂发言积极、思路清晰。B:出勤率占总出勤次数的75%～90%，课堂发言积极、思路比较清晰。C:出勤率占总出勤次数的60%～75%，课堂发言比较积极。D:出勤率低于总出勤次数的60%，课堂发言不积极。评分等级说明：[A,B,C,D]=[90-100,75-89,60-74,0-59];六、教材与参考资料