计算流体力学课件完整版

计算流体力学计算流体力学基础计算流体力学★课时安排：总学时３２小时，２４小时讲课；8+8小时上机练习。★主要相关前修课程计算机语言、工程流体力学、高等数学★主要内容介绍流场计算的基本概念、基本方法和简单算例计算流体力学第一章概述1.1计算流体力学的发展及特点简述流体力学研究三种方法:实验研究、理论分析和数值计算。☆实验研究●真实可靠、是发现流动规律、检验理论和为流体机械设计提供数据的基本手段。●实验要受测量技术限制，实验周期长、费用高。☆理论研究●在研究流体流动规律的基础上，建立了流体流动基本方程。●对于一些简单流动，通过简化求出研究问题的解析解。计算流体力学●对于实际流动问题，通常需运用流体力学基本方程，借助于计算机求数值解（计算机数值模拟）—计算流体力学CFD。☆计算机数值模拟●数值模拟耗费小、时间短、省人力，并能对实验难以测量的流动进行模拟，如燃烧室、转子通道内。●在航空航天、核工业、天气预报、海浪和风暴潮预报等方面有极广泛应用。●在航空航天方面，可用于计算飞行器飞行过程中周围流场（计算出升力、阻力）。计算航空发动机各部件内部流场，以及整台发动机三维流场。目前国内有一些使用较多的商用软件，如fluent、Star-CD、numeca等。计算流体力学●美国自上二十世纪八十年代后期，由于CFD方法应用，使一台发动机设计时间从10-15年降到5-8年，试验样机数从40-50台降到10台左右。美国NASA主持建立了推进系统数值仿真系统。☆数值模拟与实验研究、理论分析关系●三者相互依赖、相互促进●数值模拟所占份额会越来越大（计算机技术迅速发展、计算方法的不断改进）。计算流体力学1.2流场数值模拟概念☆流场数值模拟概念●也称为流场计算机模拟，是以计算机为手段，通过数值计算以数据和图像显示，再现研究对象及其内在规律。●数值模拟可理解为用计算机做实验。比如一个机翼绕流问题，通过计算可得到其升力、阻力数值；绕流流线、激波位置、流动分离、涡的生成和传播☆流场数值模拟几个步骤●建立数学模型：根据流动特点建立适当的数学模型（控制方程）●确定计算方法１）控制方程的离散方法：将流体力学基本方程转化成可用计算机语言描述的形式，称为离散方程，有限元、有限差分、有限体积等。计算流体力学２）边界条件的处理：有／无滑移、壁面等温／绝热等。●编制计算机程序或运用已有程序进行计算１）网格生成：在流场中按一定规律分布一些点，称为网格节点。此过程通常称为前处理。无限信息空间用若干个点近似表示２）流场计算：运用离散方程求出每一网格节点上气动热力参数值，如温度、压力、速度。３）计算结果后处理：根据网格节点上参数值，进一步处理出需要得到的信息，如流动阻力、升力、流量、流线等。计算流体力学涡轮叶片通道内三维流计算实例计算流体力学压气机转静子表面压力分布计算流体力学涡轮通道内速度分布计算流体力学(XY)16Feb2003TimeversusConcentration0.250.50.751Time-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.40.5V3,V4,V5,V600.10.20.30.40.50.60.70.80.91Concentrationchem.plt(2D)16Feb2003Internallycreateddataset05101520X-8-6-4-20246810Ycreate.plt(3D)16Feb2003Internallycreateddataset-1-0.500.511.522.53Z00.51X00.51YXYZcreatvol.plt(2D)16Feb2003CYLINDER051015X(M)-2024681012Y(M)cylinder.plt(2D)16Feb2003DataAlteration051015V1024681012141618V2dataltr.plt(3D)16Feb2003Example:FE-VolumeTetrahedralData-100-50050100Z-50050X-50050YXYZfetetra.plt(2D)16Feb2003Triangles0.0050.01XXXXX0.0250.0260.0270.0280.0290.030.0310.0320.0330.0340.0350.036YYYYYfetriang.plt(XY)16Feb2003MultipleZoneXYData510Month50010001500200025003000Ymonth.plt(2D)16Feb2003CylinderM=0.1RE=1200Laminar-0.0200.020.04X(M)-0.03-0.02-0.0100.010.020.03Y(M)multizn.plt(2D)16Feb200350PERCENTDEPLOYED,15DEGREEVECTOREDTHRUSTREVERSINGNOZZLE00.10.20.30.4X-0.1-0.0500.050.10.150.20.25Ynozzle.plt(2D)16Feb2003Internallycreateddataset0246X0123456Ypolar2d.plt(3D)16Feb2003Internallycreateddataset-10123Z-101X-10123456YXYZpolay3d.pllt(XY)16Feb2003RandomPositions246810X1.522.533.544.5Y1position.plt(XY)16Feb2003Rainfall510Month1.522.533.544.5SeattleRainfallrain.plt(2D)16Feb20032DRotationExamples-10-505X02468101214Ytwodrot.plt(2D)16Feb2003Triangulation-2-10123X-2-10123Ytriang.plt(2D)16Feb2003Smooth0102030X05101520253035Ysmooth.plt(3D)16Feb2003IJK-OrderedData00.10.20.30.40.50.6Z-0.6-0.4-0.200.20.40.6X00.10.2YXYZslice.plt(3D)16Feb2003Skirt-75-50-250255075Z(M)02468101214X(M)-202Y(M)XYZskirt.plt(3D)16Feb2003Internallycreateddataset00.20.40.60.81Z-0.4-0.200.20.4X-0.4-0.200.20.4YXYZijkcyl.plt(3D)16Feb2003IJK-OrderedData00.10.20.30.40.50.6Z-0.6-0.4-0.200.20.40.6X00.10.2YXYZjetflow.plt(2D)16Feb2003VelocityVectors1234X11.522.533.544.5Yvelocity.plt(3D)16Feb20033DFEDATASET02Z05101520X0246YXYZ3dfe.plt(2D)16Feb2003Wave0510X1234567891011Yrandom.plt(3D)16Feb2003Circle00.10.2Z05101520253035X05101520253035YXYZcircle.plt(3D)16Feb2003246810Z2468X24681012YXYZijkortho.plt(2D)16Feb2003PinGeometryfromProgramDevelopmentCorporation2345678X(M)0123456Y(M)exchng.plt(3D)16Feb2003BRICKELEMENTTESTCASE00.20.4Z(M)-0.500.511.5X(M)00.20.40.60.81Y(M)XYZfetetra2.plt(3D)16Feb2003OUTSURF.DATA012Z-10-50510X-2-1012YXYZfebrick.plt(3D)16Feb2003SpaceVehicleYZX(3D)16Feb2003SpaceVehicle航天飞机表面网格计算流体力学00.050.10.15X-0.0500.05YVectorswithScatterSymbolsAnchoredatMidPointHeadatPointTailatPoint00.050.10.15X-0.0500.05YArrowhead-OnlyVectorsHollowHeadsPlainHeadsFilledHeads0.0040.0060.0080.0100.012X0.0260.0280.030YRelativeLengthMulti-ColoredVectorsHere,arrowheadsizeisbasedonthevectorlength航天飞机表面流速矢量图计算流体力学-2-10123X-2-1012YContourLines-2-10123X-2-1012YContourFloodingFloodwithoutLinesFloodwithLinesCornerCellFloodAverageCellFloodContourCellFloodingwithMesh航天飞机表面温度分布计算流体力学XYPlotsContourPlotsMeshPlotsVectorPlotsShadePlotsScatterPlotsYouCanMakeManyTypesofPlotsClickHereToContinue23456789X(M)-10123456Y(M)2030152025303540-1.0-0.50.00.5-0.50.00.51.0-50050051015-202024681012012345012345678910-101-101气流绕圆柱体流动压力分布计算流体力学气流流过汽车计算流体力学风扇流动计算流体力学直升机旋翼运动计算流体力学NACA0012翼型绕流流线图计算流体力学翼型绕流流线图计算流体力学风力机表面极限流线图计算流体力学轴流叶轮计算与实验叶片表面极限流线计算流体力学轴流叶轮计算与实验性能比较计算流体力学轴流叶轮计算与实验流场结构比较计算流体力学第二章流体力学数值计算数学模型及定解条件☆本章所涉及的基本方程有两类：●流体力学基本方程，基本出发点：质量守恒、动量守恒和能量守恒●简化模型方程：具有流体力学基本方程的某些特性，用于对所对应的流体力学方程理论分析2．1可压缩非定常粘性流数学模型连续方程：运动方程：能量方程：上述基本方程构成了Navier-Stokes(简称NS)方程。0)(Vt])([VxuxuxpFDtVDijijjijqTkVVFVeDtDij)()()2(2计算流体力学在三维直角坐标系下Navier-Stokes方程为：zGyFxEzGyFxEtUvvvtEwvuUupEuwuvpuuEt)(2vpEvwpvuvvFt)(2wpEwvwuwwGt)(2xTkwvuExzxyxxxzxyxxv0yTkwvu