计算流体力学课件

计算流体力学计算流体力学(CFD)是一个强大的工具，可以用来模拟和分析流体的行为，例如空气、水和油。课程概述介绍这门课将涵盖计算流体力学(CFD)的基础知识，它结合了流体力学原理和数值方法来解决流体流动问题。实践您将学习如何使用CFD软件工具来模拟和分析现实世界中的流体流动现象，例如飞机机翼周围的气流或管道中的液体流动。应用CFD在各种工程领域中具有广泛的应用，包括航空航天、汽车、能源和生物医学工程。课程目标掌握计算流体力学基础理解流体力学基本概念，掌握数值模拟方法。提升流体问题建模能力运用CFD软件进行流体流动模拟，解决实际工程问题。预备知识微积分理解偏微分方程和数值方法线性代数矩阵运算和求解线性方程组流体力学基础流体性质、质量守恒、动量守恒和能量守恒绪论计算流体力学(CFD)是一个强大的工具，用于模拟和分析流体流动。它利用数学模型和数值方法来解决流体力学方程，从而预测流体的行为。CFD在航空航天、汽车、能源、天气预报等各个领域有着广泛的应用。通过模拟流体的运动，CFD可以帮助工程师优化设计、提高效率、降低成本。基本概念流体一种能够流动并改变形状的物质，比如液体和气体。压力流体作用在单位面积上的力，单位为帕斯卡(Pa)。速度流体运动的速度，单位为米每秒(m/s)。瑞诺数1流体粘性描述流体抵抗流动的趋势2惯性力描述流体流动时抵抗变化的趋势湍流无序运动流体粒子随机运动，形成复杂漩涡和不规则流动模式。高雷诺数湍流通常发生在流体速度高、粘度低或流体通道尺寸大时。混合增强湍流促进流体混合，提高传热和传质效率。湍流模型k-ε模型该模型最广泛使用，计算效率高，适用于大多数工程问题。雷诺平均Navier-Stokes方程基于时间平均的流动变量，用于解决湍流平均速度场。大涡模拟只模拟大尺度涡，减少计算量，精度较高，适用于高雷诺数流动。边界层流体粘性影响的区域物体表面附近速度梯度显著扩散和对流扩散物质从高浓度区域向低浓度区域的迁移过程，由浓度梯度驱动。对流物质通过流体运动进行迁移，由流体速度驱动。混合扩散和对流共同作用，导致物质在流体中的混合和传播。质量守恒概念封闭系统中，质量保持不变。公式ρinvinAin=ρoutvoutAout应用用于计算流体流动中的流量变化，如喷嘴和扩散器。动量守恒动量守恒定律在封闭系统中，系统的总动量保持不变。也就是说，如果没有外力作用，系统的动量不会改变。应用动量守恒定律被广泛应用于流体力学问题，例如计算飞机升力、分析流体流动，以及预测流体运动轨迹。能量守恒1动能流体运动的能量。2势能流体位置的能量。3内能流体温度的能量。偏微分方程1基础描述流体运动的方程组2复杂性非线性、耦合、复杂边界条件3数值解精确解难以获得，需要数值方法求解差分格式1中心差分二阶精度2向前差分一阶精度3向后差分一阶精度网格设计网格类型结构化网格，非结构化网格，混合网格网格质量正交性，光滑性，均匀性，网格间距网格生成自动生成，手动生成，自适应网格边界条件1Dirichlet条件指定边界上的值，例如速度或压力。2Neumann条件指定边界上的梯度，例如速度或压力的梯度。3Robin条件是Dirichlet和Neumann条件的组合，指定了边界上的值和梯度。求解算法迭代法逐步逼近解，直到满足误差要求。直接法通过矩阵运算直接求解方程组。松弛法通过加速收敛速度来提高效率。有限体积法控制体积将计算域划分为有限个控制体积，每个控制体积包含一个节点。积分守恒方程对每个控制体积上的控制方程进行积分，得到离散方程。数值求解使用数值方法求解离散方程，得到流场信息。有限元法将连续的物理域划分为有限个互不相交的单元，每个单元上用插值函数来近似求解域上的未知函数。将偏微分方程转化为代数方程组，使用矩阵方法求解，得到每个节点上的解。通过插值函数，将节点上的解插值到整个域，得到整个域上的解。有限差分法核心思想用有限差分代替导数，将偏微分方程离散化，转换为线性代数方程组。优势计算效率高，易于理解和实现，适合处理规则几何形状和简单边界条件。局限性对复杂几何形状和边界条件处理较困难，可能存在数值稳定性问题。数值稳定性数值稳定性是指数值解在计算过程中是否会随着迭代次数的增加而发散或出现错误积累。网格收敛性网格密度计算精度计算成本较低较低较低中等中等中等较高较高较高湍流模型验证实验验证将数值模拟结果与风洞实验等实测数据进行比较，验证模型的准确性。数值验证对不同湍流模型进行数值比较，分析模型的优缺点，选择最适合的模型。CFD建模实例CFD模拟广泛应用于各个领域，从飞机设计到天气预报，从汽车制造到医疗器械开发。常见的CFD应用实例包括：飞机机翼气动性能分析汽车风阻系数测试水力发电站水轮机设计优化生物医学领域，如人造心脏流场模拟应用领域航空航天飞机设计，发动机性能，飞行器气动优化等。汽车工业汽车造型设计，燃油效率优化，空气动力学测试等。能源与环境风能发电，污染物扩散模拟，气候变化研究等。前沿进展1高性能计算不断提高的计算能力和并行计算技术，使得模拟更加复杂和逼真的流体流动成为可能。2人工智能机器学习算法在优化网格生成、湍流建模和求解算法方面发挥着重要作用。3多