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2013年6月ComputationalFluidDynamicsTheBasicswithApplications课程概述性质：专业选修课地位：现代飞行器工程设计必备知识学分：2教材：约翰D安德森.计算流体力学基础及其应用.机械工业出版社，2007先修课程：有关流体力学课程（黏性流体力学、气体动力学、工程流体力学基础等）教学目标了解流动数值模拟的作用和方法；掌握流体力学控制方程组的各种形式及其物理意义；掌握有限差分离散的基本格式和实施步骤；掌握网格生成和数据处理的基本方法。教学基本要求掌握有限差分离散基本格式和实施步骤，掌握网格生成和数据绘图处理的基本方法；编写拟一维喷管流动的数值模拟程序；掌握流动数值仿真程序的调试手段与技巧。考核方式平时成绩30%：课堂笔记、作业；考试成绩70%：面试编程计算。第1.1节为什么学习本课程一、现代飞行器流动的复杂性二、解决飞行器流动问题的方法三、计算流体力学的作用四、计算流体力学的应用范围第1.2节课程的主要内容与学习方法一、课程主要内容二、课程学习方法第1章绪论第1.1节为什么学习本课程一、现代飞行器流动的复杂性工质流过推进装置内部航天飞机飞行器火箭导弹飞机载人飞船大气层内大气层外空气流过飞行器周围外流绕流流场内流内部流场第1.1节为什么学习本课程高稳定性飞行器追求目标高升阻比高推重比高速高效外流内流极为复杂推进剂或燃料燃烧三维流动非定常流动复杂流动边界空气离解、电离高超声速高温效应复杂化学反应美国空天飞机示意图民用飞机直升机航天飞机第1.1节为什么学习本课程航空发动机液体火箭火箭发射第1.1节为什么学习本课程二、解决飞行器流动问题的方法飞行器性能预测和工程设计深刻理解外流、内流的现象、影响因素及其与飞行器的相互作用理论流体力学用基本概念、基本定律和数学工具分析流动，以主要影响因素为研究对象抽象出流动模型，通过定量分析获得一般规律。无法获得复杂流动的解析解所起作用有限第1.1节为什么学习本课程二、解决飞行器流动问题的方法飞行器性能预测和工程设计深刻理解外流、内流的现象、影响因素及其与飞行器的相互作用实验流体力学通过测量、显示等技术提供感性知识和定量数据，分析流动规律。费时费力，无法获得流场任意细节，受设备、测量仪器等限制有些实验无法开展。第1.1节为什么学习本课程二、解决飞行器流动问题的方法飞行器性能预测和工程设计深刻理解外流、内流的现象、影响因素及其与飞行器的相互作用计算流体力学用某种离散方法将偏微分控制方程组转化为离散方程组，可求解复杂流动规律。必须经过理论或实验的验证第1.1节为什么学习本课程二、解决飞行器流动问题的方法深刻理解流动现象、影响因素及其与飞行器的相互作用计算流体力学实验流体力学理论流体力学第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用CFD的作用研究工具提供设计所需数据设计工具数值实验研究研究工具数值风洞可保证实验条件完全相同的“吹风”实验，真正的风洞实验常常难以实现。第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用研究工具观察流动现象激波管问题二维无黏Euler方程，三阶MUSCL和AUSMPW+迎风格式非定常流动第1.1节为什么学习本课程突然抽开隔板三、计算流体力学的作用研究工具观察流动现象密度：有接触间断压强：无接触间断第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用研究工具观察流动现象Emery问题二维无黏Euler方程，三阶MUSCL和AUSMPW+迎风格式定常流动第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用研究工具观察流动现象密度马赫数第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用研究工具膛口流场二维轴对称无黏含化学反应Euler方程三阶MUSCL和AUSMPW+迎风格式观察流动现象第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用研究工具观察流动现象温度马赫数第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用研究工具观察流动现象温度马赫数膛口流场（含运动弹丸）第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用研究工具观察流动现象CO质量分数H2O质量分数膛口流场（含运动弹丸）第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用研究工具观察流动现象旋转爆震发动机典型流场结构第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用研究工具观察流动现象温度二维计算（剪开的环形燃烧室）第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用研究工具观察流动现象压强二维计算（剪开的环形燃烧室）第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用研究工具观察流动现象H2质量分数二维计算（剪开的环形燃烧室）第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用研究工具观察流动现象温度三维计算第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用研究工具观察流动现象压强三维计算第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用研究工具可以轻松获得层流与湍流的差别，只需在计算时关闭和打开湍流模型选项即可。a)层流b)湍流第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用研究工具有助于解释、甚至确认流动现象。湍流计算结果与实验数据一致第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用提供设计所需数据设计工具对飞行器新设计方案进行流场数值模拟，可以仔细观察波系结构、分离流、漩涡等流动情况，获得飞行轨迹计算所需的气动力等参数。第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用提供设计所需数据设计工具NorthropF-20全机表面压力系数等值线分布第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用提供设计所需数据设计工具NorthropF-20全机绕流的机翼涡第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用提供设计所需数据设计工具风洞中的M6跨声速机翼表面与侧面上的压强云图第1.1节为什么学习本课程三、计算流体力学的作用提供设计所需数据设计工具不同攻角距弹底0.5D截面处压强分布弧形翼弹箭表面压强云图第1.1节为什么学习本课程四、计算流体力学的应用范围汽车发动机工业制造土木工程环境工程航空宇航推进装置应用极其广泛参见教材实例第1.1节为什么学习本课程第1章绪论第1.2节课程的主要内容与学习方法一、课程主要内容第2章流体力学控制方程组控制方程组形式与区别、封闭与物理边界条件第4章控制方程组离散化的基本方法有限差分、差分方程、误差与稳定性分析必要的流体力学基础第3章控制方程组的数学性质及其对CFD的影响特征线，偏微分方程分类，偏微分方程性质必要的数学基础必要的有限差分基础第7章拟一维喷管流动的数值模拟亚声速—超声速等熵流、全亚声速等熵流、含激波流动必要的连续求解域离散基础典型CFD方法的学习CFD知识的应用第5章网格生成与坐标变换笛卡尔直角网格，曲线贴体网格，方程变换第6章计算流体力学的基本方法Lax-Wendroff法、MacCormack法、压力修正法、有限体积法第1.2节课程的主要内容与学习方法二、课程学习方法理解并掌握流体力学控制方程组的基本形式和性质掌握几种经典的数值格式通过喷管流动数值模拟，建立初步的CFD能力：准确提出流动模型：合理简化、适定性考虑生成高质量的网格选择恰当的数值格式熟悉并掌握计算机编程调试方法熟悉并掌握CFD后处理的基本手段第1.2节课程的主要内容与学习方法流体力学控制方程组控制方程组的数学性质基本原理有限体积法方程组基本离散方法有限差分法网格生成与坐标变换一些通用技术具体应用拟一维喷管流动的数值模拟亚—超声速等熵流全亚声速等熵流激波捕捉第1.2节课程的主要内容与学习方法