CFD技术及应用课程教学大纲

《CFD技术及应用》课程教学大纲课程名称：CFD技术及应用CFDTechnologyandApplication课程编号：021060400课程性质：□必修R选修课程类别：□通识课程R专业课程£实践教学适用专业：新能源科学与工程课程学时：总学时32，其中：理论24、实验8课程学分：2应开课学期：第七学期先修课程：工程热力学、流体力学、传热学一、课程简介本课程为新能源科学与工程专业的专业课，课程性质为选修。本课程主要讲授计算流体动力学(CFD)的基本原理、数值计算方法、CFD软件及其在新能源开发及综合利用中的应用等。该课程以有限体积法为核心，详细介绍流体流动与传热问题的控制方程、空间及时间离散格式、湍流模型及数值解法，并结合FLUENT软件，以实例方式介绍CFD软件原理及其在流场分析、传热计算及多相流模拟等方面的应用，为学生后继专业课的学习及将来从事新能源开发及综合利用方面的专业技术工作等打下牢固基础。二、课程教学的目标及与毕业要求的关系（一）课程目标课程总目标：掌握CFD的基本理论和主要思想方法，会运用CFD软件研究复杂流动及传热过程和解决工程实际问题。课程目标1：掌握CFD的基本原理，学会使用相关CFD软件研究流体流动和传热的基本问题。课程目标2：具备数值分析工程流动和传热问题的基本能力，为从事利用CFD方法进行能源与动力相关产品部件设计、开发研究等奠定基础。（二）课程目标与毕业要求的对应关系本课程目标支持的主要毕业要求如下表：课程目标毕业要求1．掌握CFD的基本原理，学会使用相关CFD软件研究流体流动和传热的基本问题。毕业要求2：能够应用新能源科学与工程理论与技术，并结合数学、自然科学等基本原理，通过理论分析和文献研究，对新能源勘查、开发、利用过程中遇到的问题进行综合分析。具备独立思考、善于发现和提出问题并独立分析工程问题的能力，掌握基本的分析问题和总结归纳的方法。毕业要求5：能够针对新能源勘查、开发及综合利用中的问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，并掌握文献检索、资料查询及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法。2．具备数值分析工程流动和传热问题的基本能力，为从事利用CFD方法进行能源与动力相关产品部件设计、开发研究等奠定基础。毕业要求2：能够应用新能源科学与工程理论与技术，并结合数学、自然科学等基本原理，通过理论分析和文献研究，对新能源勘查、开发、利用过程中遇到的问题进行综合分析。具备独立思考、善于发现和提出问题并独立分析工程问题的能力，掌握基本的分析问题和总结归纳的方法。毕业要求5：能够针对新能源勘查、开发及综合利用中的问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，并掌握文献检索、资料查询及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法。三、课程教学的基本内容及教学安排（一）课程教学的内容及学时安排知识单元知识点学时数课程目标线下授课线上授课实验/实践1.CFD基础知识知识点1.1：CFD概述；知识点1.2：流体与流动的基本特性；知识点1.3：流体动力学控制方程；知识点1.4：CFD的求解过程；知识点1.5：CFD软件结构；知识点1.6：常用CFD商业软件。3课程目标12.基于有限体积法的控制方程离散知识点2.1：有限体积法及其网格简介；知识点2.2：一维稳态问题的有限体积法；知识点2.3：一维瞬态问题的有限体积法；知识点2.4：二维与三维问题的离散方程。3课程目标13.基于SIMPLE算法的流场数值计算知识点3.1：交错网格及其应用；知识点3.2：流场计算的SIMPLE算法；知识点3.3：瞬态问题的数值计算；知识点3.4：基于非结构网格的SIMPLE算法知识点3.4：离散方程组的基本解法。4课程目标14.湍流模型简介知识点4.1：湍流的数值模拟方法简介；知识点4.2：零方程模型及一方程模型；知识点4.3：标准两方程模型；知识点4.4：RNG模型和Realizable模型；知识点4.5：Reynolds应力方程模型（RSM）。2课程目标15.边界条件的应用知识点5.1：边界条件概述；知识点5.2：流动进、出口边界条件；知识点5.3：壁面条件；知识点5.4：对称边界条件与周期性边界条件知识点5.5：初始条件。2课程目标16.网格的生成知识点6.1：网格及其生成方法概述；知识点6.2：网格生成软件ICEFCFD简介知识点6.3：ICEFCFD的基本用法22课程目标17.FLUENT软件的基本用法知识点7.1：FLUENT概述；知识点7.2：FLUENT求解步骤；知识点7.3：网格导入；知识点7.4：选择求解器及运行环境；知识点7.5：模型设置；知识点7.6：边界条件及控制参数设置；知识点7.7：后处理。42课程目标18.CFD综合应用实例知识点8.1：圆管内水流的层流流动模拟；知识点8.2：温室自然通风模拟。44课程目标2合计248（二）课堂实验/实践教学内容及要求序号项目名称内容、要求学时实验/实践类别实验/实践类型每组人数必做/选做课程目标1ICEMCFD网格划分熟悉并掌握ICEMCFD网格划分的基本操作及结构化、非结构化网格的划分流程。2上机操作1必做课程目标12FLUENT软件基本操作熟悉并掌握FLUENT软件的前处理、数值计算和后处理的流程。2上机操作1必做课程目标13圆管内水流的层流流动模拟熟悉并掌握采用FLUENT软件进行流体流动的操作步骤和流程。2上机操作1必做课程目标24温室自然通风的FLUENT模拟熟悉并掌握采用FLUENT软件进行流体流动和换热的操作步骤和流程。2上机操作1必做课程目标2基本要求1．严格按辅导教师及实验指导书上所讲的操作步骤进行实验；2．每次实验前，学生应认真预习有关的实验内容；3．学生完成实验后须撰写实验报告。注：实验/实践类别：专业、上机等实验/实践类型：操作型、验证型、演示型、综合型等。四、本课程与其他课程的联系本课程的预修课程为《大学物理》、《工程热力学》、《流体力学》和《传热学》，这些课为本课程的学习提供了必须的数学、力学和传热学基础知识。本课程是新能源科学与工程专业学生学习地热能和非常规天然气开发等相关专业课的基础。五、教材与其他教学资源（含教学参考书或在线资源）（一）建议教材（建议选用新出版的国家级规划教材）[1]王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M].清华大学出版社,2004.[2]JohnD.Anderson.吴颂平,刘森淼,译.计算流体力学基础及应用[M].机械工业出版社,2015.（二）其他教学资源[1]韩占忠,王敬,兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与运用[M].北京理工大学出版社,2005.[2]刘斌.Fluent19.0流体仿真从入门到精通[M].清华大学出版社,2019.[3]丁源.ANSYSICEMCFD网格划分从入门到精通[M].清华大学出版社,2020.六、教学方法与学习建议授课方式：教学过程中采用多媒体课件、自学与讨论等相结合的启发式、互动式、讨论式和研究式相结合的教学方式，可以充分发挥学生在学习中的主体作用，充分调动学生的主动性、积极性，让学生能在课堂中主动参与，使课堂成为积极互动的、高质高效的课堂，使学生和教师一道成为课堂的主人。多媒体课件主要用于课程要点、难点的讲解，图形图像资料和模拟演示等。自学与讨论通过网络课堂、资料阅读、习题练习、课堂讨论等形式来完成非重点难点和描述性内容的学习；鼓励学生通过阅读参考文献、撰写课程论文、开展课堂讨论来调动主动学习的积极性。课程教学中强调基本理论、基本方法的教授与实践能力培养并举，且注重素质教育，培养创新型人才。考虑到学科的特殊性，为了追踪学科发展的前沿，保持教学内容的先进性，需要年年更新或充实讲稿内容。重点：CFD基本概念、工作步骤、流体与流动的基本特性、CFD控制方程、CFD求解过程、离散化、有限体积法、显式与隐式、SIMPLE算法、湍流模型、边界条件及其适用范围、网格类型及分类、FLUENT软件、FLUENT软件模拟工程流动问题的步骤和方法、FLUENT软件模拟流动和传热问题的步骤和方法难点：CFD求解过程、SIMPLE算法、湍流模型、FLUENT软件模拟流动和传热问题的步骤和方法后续自主学习建议：CFX和COMSOL等其他CFD软件的操作和运用、CFD理论和技术在新能源科学与工程专业其他课程中的应用、CFD理论和技术在新能源开发与利用中的重要作用及其发展趋势。七、课程考核及成绩评定方式（一）课程考核本课程成绩评定包括平时考核（课堂出勤率）、过程考核（随堂问答、课堂测验、课后作业和上机操作）和终结性评价（期末考试）三部分，其中平时成绩占课程总成绩的10％，过程成绩占课程总成绩的40％，终结性评价成绩占课程总成绩的50％。具体要求及评分方法如下：平时成绩：出勤成绩采用扣分制，每缺勤一次扣平时成绩1分，每迟到或早退一次扣平时成绩0.5分，无故旷课4次以上者取消本次课程成绩，占总成绩的10%。过程成绩：课堂测验、课后作业要求学生必须独立完成，未按时提交作业或作业有抄袭（雷同）现象的，该次作业成绩按零分计，占总成绩的10%。课程回答问题与课堂讨论采用鼓励方式进行，积极主动回答问题且回答正确的一次加4分、积极主动回答问题但回答错误的一次加2分、不积极主动回答问题的0分，占总成绩的10%。按时完成上机操作实验并提交上机操作实验报告的计5分，上机实验报告有抄袭（雷同）现象的，该次实验成绩按零分计，上机实验成绩占总成绩的20%。终结性评价：形式为闭卷考试，其成绩占总成绩的50%。（二）课程目标与考核内容的关系课程具体目标与知识单元和考试内容的关系如下：课程目标知识单元考试内容1．掌握CFD的基本原理，学会使用相关CFD软件研究流体流动和传热的基本问题。1.CFD基础知识2.基于有限体积法的控制方程离散3.基于SIMPLE算法的流场数值计算4.湍流模型简介5.边界条件的应用6.网格的生成7.FLUENT软件的基本用法考核知识点：CFD基本概念、工作步骤、流体与流动的基本特性、CFD控制方程、CFD求解过程、离散化、有限体积法、显式与隐式、SIMPLE算法、湍流模型、边界条件及其适用范围、网格类型及分类、FLUENT软件考核要求：掌握CFD的基本概念、基本理论