计算流体力学课件完整版共223页

s x ds y ds
如果该曲线G满足：
dx ds
a
dy
ds
b
特征线
x
特征线简化了 方程，在空气 动力学领域应
用广泛
则有：
duaubuc ds x y
特征相容关系 （特征线上物理量的简化方程）
✓偏微方程在特征线上变成了常微分方程 Slide 5
演示： 如何利用特征线计算物理量
a(x,y)ub(x,y)uc(x,y)
特征方程（3） 有两个相同实根，且无法对角化 -> 抛物型
特征方程（3）无实根
-> 椭圆型
Slide 9
4. 讨论Euler方程组
一维非定常流动：
f(U)AU
x
x
U f(U) 0 t x
Uu
E
0
1
0
AU f ((232)u3)u2u/2c21
(3)u c2 32u2 1 2
1
u
推导
u f(U)u2 p
第四章 偏微分方程的性质 Behavior of Partial Differential Equations
Slide 1
超音速钝体绕流问题的解决
Slide 2
偏微方程的分类及特征
1. 一阶偏微分方程
➢ （常用）特例：常系数线性单波方程
u cu 0 t x
初值： u(x,0)(x)
方程的精确解： u(x,t)(xc)t
Slide 31
1.特征线为虚数，故与特征线有关 的解法不适用；
2.无有限影响区域和依赖区域，流 场参数信息可以向任何方向传播；
3.图中P点参数影响整个区域的信息， 同时区域内任意点的参数也影响P 点的参数。

计算流体力学课件完整版
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜ห้องสมุดไป่ตู้制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿

V
dV
0
空间位置固定的无穷小微团模型 V 0 t
随流体运动的无穷小微团模型
方程不同形式之间的转换
空间位置固定的有限控制体模型 tV dVSVdS0
空间位置固定的无穷小微团模型 V 0 t
方程不同形式之间的转换
空间位置固定的无穷小微团模型 V 0 t
随流体运动的无穷小微团模型
流动控制方程经常用物质导数来表达。
物质导数（运动流体微团的时间变化率）
采用流体微团模型来理解物质导数的概念：
沿流线运动的无穷小 流体微团，其速度等 于流线上每一点的当
物质导数（运动流体微团的时间变化率）
流体微团在流场中的运动－物质导数的示意图
物质导数（运动流体微团的时间变化率）
考虑非定常流动：
随流体运动的无穷小微团模型
动量方程
作用在流体微团上的体 积力的X方向分量＝
fxdxdydz
随流体运动的无穷小微团模型
动量方程
作用在流体微 团上的X方向的 压力＝
动量方程
作用在流体微 团上的X方向的 正应力＝
动量方程
作用在流体微 团上的X方向的 切应力＝
动量方程
作用在流体微 团上的X方向总 的表面力＝
t
或
txuyv zw0
空间位置固定的无穷 小微团模型
空间位置固定的无穷小微团模型
连续性方程：
txuyv zw0
或
V0
t
空间位置固定的无穷 小微团模型
随流体运动的无穷小微团模型
随流体运动的无穷小微团模型
连续性方程 流体微团的质量：
质量守恒定律
随流体运动的无穷小 微团模型
随流体运动的无穷小微团模型
流体微团在流场中的 运动－物质导数的示 意图

96
误差与稳定性分析
根据von Neumann（冯诺伊曼）稳定性分析方法，设 误差随空间和时间符合如下Fourier级数分布： 则
97
误差与稳定性分析
稳定性要求
故放大因子
G eat 1
98
误差与稳定性分析
下面采用von Neumann（冯诺伊曼）稳定性分析方法 分析如下差分方程的稳定性：
由于误差也满足差分方程，故有
90
误差与稳定性分析
A=偏微分方程的精确解（解析解）
D=差分方程的精确解 离散误差=A-D
91
误差与稳定性分析
D=差分方程的精确解 N=在某个有限精度的计算机上实际计算出来的解
（数值解） 舍入误差==N-D
N=D+
92
误差与稳定性分析
数值解N=精确解D+误差 数值解N满足差分方程，于是有
93
误差与稳定性分析
在网格点3： 在网格点4： 在网格点5：
A，B，Ki 均为已知量
78
隐式方法
在网格点6：
A，B，Ki 均为已知量
T7 为边界条件，已知量
79
隐式方法
于是有关于T2，T3，T4，T5， T6这五个未知数的五个方程
A，B，Ki 均为已知量
80
隐式方法
写成矩阵形式：
81
隐式方法
系数矩阵是一个三对角矩阵，仅在三条对角线上有非 零元素。 求解线性代数方程组的标准方法是高斯消去法。应用 于三对角方程组，通常采用托马斯算法（国内称为追 赶法）求解。
113
22
有限差分基础
对Y方向的二阶导数有：
二阶中心差分（关于Y方向二阶导数）
23
有限差分基础

g
g
2g
水头
，
z
p
g
v2
2g
总水头， hw 水头损失
第二节 热力学第一定律——能量方程
水头线的绘制
总水头线
hw
对于理想流体，总水
1
v12 2g
2
v22 2g
头线是沿程不变的，
测压管水头线
p2
为一水平直线，对于
g
实际流体，总水头沿 程降低，但测压管水
p1 g
头线沿程有可能降低、
z2
不变或者升高。
z1
v2 A2 e2
u22 2
gz2
p2
v1A1 e1
u12 2
gz1
p1
微元流管即为流线，如果不 可压缩理想流体与外界无热 交换，热力学能为常数，则
u2 gz p 常数
2
这个方程是伯努利于1738年首先提出来的，命名为伯努利 方程。伯努利方程的物理意义是沿流线机械能守恒。
第二节 热力学第一定律——能量方程
皮托在1773年用一根弯成直角的玻璃管，测量了法国塞纳河 的流速。原理如图所示，在液体管道某截面装一个测压管和 一个两端开口弯成直角的玻璃管（皮托管），皮托管一端正 对来流，一端垂直向上，此时皮托管内液柱比测压管内液柱 高h，这是因为流体流到皮托管入口A点受到阻滞，速度降为 零，流体的动能变化为压强势能，形成驻点A，A处的压强称 为总压，与A位于同一流线且在A上游的B点未受测压管的影 响，其压强与A点测压管测得的压强相等，称为静压。
第四章 流体动力学
基本内容
• 雷诺输运公式 • 能量方程 • 动量方程 • 流体力学方程应用
第一节 雷诺输运方程
• 前面解决了流体运动的表示方法,但要在流 体上应用物理定律还有困难.

➢模型方程：具有原控制方程的基本特征，但是往往可以 得到精确解，依次来揭示原控制方程的一些数学特征
2024/2/28
19
❖Computational Fluid Dynamics
计算流体流体力学
第二讲 典型模型方程的数学性质
模型方程的概念
➢完整方程
连续方程
动量方程
能量方程
2024/2/28
20
❖Computational Fluid Dynamics
沿特征线，扰动波的幅值不变，传播速度为c
则在t>0时，传播过程如下图：
2024/2/28
27
❖Computational Fluid Dynamics
计算流体流体力学
第二讲 典型模型方程的数学性质
模型方程的特征
➢单波方程
➢c>0时，传播沿x正向 ➢C<0时，传播沿x负向 ❖扰动波以有限速度传播是双曲型方程的重要 特征（波形和波幅可能会变化，此处为什么不 变？）
如何表达初始形状三角形
如何存储数据 如何积分
数值积分，HOW？
如何显示结果
TECPLOT
尝试改变几个常数，看看结果有何变化，常数反映了什么？
2024/2/28
22Biblioteka ❖Computational Fluid Dynamics
回顾
控制方程
模型方程
➢NS ➢EULER ➢Impressible NS ➢RANS
➢单波方程可以模拟EULER方程的一些特征
2024/2/28
28
❖Computational Fluid Dynamics
计算流体流体力学
第二讲 典型模型方程的数学性质
模型方程的特征

u
n j

a
un j 1

u
n j 1
t
2x
u n1 j

u
n j

a
u
n j

u
n j 1
t
x
根据von Neumann稳定性分析理论可以得到，FTFS格式与FTCS格式为不稳定 的，FTBS格式也称为迎风格式，它在a∆t/∆x≤1的条件下是稳定的，在时间和空 间上都具有一阶精度。

bx 2

U x
2
14
Steger-Warming矢通量分裂方法
利用Jacobian矩阵分裂方法可以构造分裂后的通量矢量，Steger和Warming经 过推导，给出了一维气体动力学方程组分裂后的具体表达式


F
U

2

a1 a1
a3
u

c
2 a3
1 a2
uc


2



1 2
a1
u

c2

1 2
a3
u

c
2
1 a2u 1 a2u2

w
其中
w

2
3
1
c2
a1 a3
ai

1 2
ai ai
a1
1u 2c2
2 2 1

f1


c

Ma

1
2

2
16
4.4 Roe格式
对于Euler方程，其数值解的难度主要是因为非线性引起的间断分解的复杂性， 而其中的关键又在于Jacobian矩阵的非线性。

w z

xy

yx



u y

v x

xz
zx



u z

w x

yz
zy



v z

w
y

7.2 Navier-Stokes方程组的几种通用形式
7.2.2 任意曲线坐标系下守恒型基本方程组 Q f g h 0
a3 u zx v zy w zz qz
xx

2
u x

2 3


u x

v y

w z

yy

2
v y

2 3


u x

v y

w z

zz
2Biblioteka w z2 3


u x

v y
ui x j

u j xi

2 3

uk xk
ij
7.2 Navier-Stokes方程组的几种通用形式
在笛卡尔直角坐标系下式守恒型微分形式又可以写为：
W f g h 0 t x y z
其中，
W , u, v, w, eT
第7章 三维粘性流动的有限体积解法
《计算流体力学:典型算法与算例》课程 （全书共235张幻灯片）
7.1有限体积法概述
有限体积法是将求解域划分成一系列控制体，对守恒型的控制方程进行 积分离散，获得相应的代数方程组进行求解的方法。

《计算流体力学典型算法与算例》课程
9
3.2 压力修正技术
3.2.3 边界条件的处理 速度已知边界（固体壁面或进口）
压力已知进口边界
充分发展出口边界
2020/1/29
《计算流体力学典型算法与算例》课程
10
3.3 SIMPLE算法的求解步骤 SIMPLE：Semi-Implicit Method for Pressure-Linked
2020/1/29
《计算流体力学典型算法与算例》课程
23
《计算流体力学典型算法与算例》课程
7
3.2 压力修正技术
3.2.2 速度修正方程和压力修正方程 近似速度方程
速度修正方程（忽略邻节点速度修正作用）
2020/1/29
《计算流体力学典型算法与算例》课程
8
3.2 压力修正技术
3.2.2 速度修正方程和压力修正方程 压力修正方程
2020/1/29
12
3.4 改进的SIMPLE算法
3.4.1 SIMPLER算法 基本步骤：
- 根据第n时间层的un、vn，计算比拟速度。 - 利用比拟速度，由压力方程迭代计算第n+1时间层的pn+1。 - 计算近似速度u*和v*。 - 利用u*和v*，迭代计算压力修正值pc。 - 计算速度修正值uc和vc。 - 计算第n+1时间层的un+1和vn+1。 - 如果未收敛，重复上述步骤。
需要修正压力场，并使得与修正后压力场对应的速度场能够满足连续方 程； - 根据修正后的压力和速度，开始新的迭代过程。
关键问题：
- 如何计算压力修正值，使得修正后的速度能够满足连续方程，即压力修 正方程的构造问题；

计算流体力学课件
• 引言 • 基本概念与原理 • 数值模拟方法 • 计算流体力学软件介绍 • 计算流体力学在工程中的应用 • 计算流体力学的未来发展与挑战
目录
Part
01
引言
流体力学的重要性
流体力学是物理学的一个重要分支，它研究流体（液体和气体）的运动规律、热力 学性质以及流体与其他物质的相互作用。
Part
04
计算流体力学软件介绍
Fluent软件介绍
1
商业化的计算流体动力学 软件
4
提供丰富的物理模型和材 料库，方便用户进行模拟 和分析
2
支持多种求解器和网格生
成技术
3
广泛应用于流体动力学模
拟、燃烧模拟等领域
CFX软件介绍
英国AEA公司开发的计算流体动 力学软件
提供丰富的物理模型和材料库， 方便用户进行模拟和分析
迭代法
通过迭代的方式求解离散 化的方程组，得到数值解 。
有限差分法
有限差分法的基本思想
将偏微分方程转化为差分方程，通过 求解差分方程得到数值解。
有限差分法的步骤
建立差分方程、求解差分方程、误差 估计等。
有限元法
有限元法的基本思想
将连续的物理量离散为有限个单元，通过求解每个单元的近似解得到整个问题 的数值解。
规模的流动模拟。
大涡模拟
总结词
大涡模拟是一种针对湍流中大尺度涡旋进行模拟的方法，通过过滤掉小尺度涡旋 的影响，降低计算量。
详细描述
大涡模拟只关注大尺度涡旋的运动规律，忽略小尺度涡旋的影响。这种方法能够 显著减少计算量，适用于较大尺度的流动模拟。然而，由于忽略了小尺度涡旋的 影响，大涡模拟的精度和适用范围有限。
水流模拟

2020/1/29
《计算流体力学典型算法与算例》课程
11
3.4 改进的SIMPLE算法
3.4.1 SIMPLER算法 基本思路：压力修正值只用来修正速度场，而与之协调的压力场则 利用速度场由动量方程构造求解。 基本方程：
- 比拟速度方程
- 压力方程
2020/1/29
《计算流体力学典型算法与算例》课程
- 界面上值用节点上值来表示
动量方程（y方向）
2020/1/29
《计算流体力学典型算法与算例》课程
6
3.2 压力修正技术
3.2.1 压力修正的基本思路和步骤
基本步骤：
- 首先预测一个压力场； - 根据压力场，求解动量方程，得到速度场； - 由于速度是根据不准确的压力场得到的，未必能够满足连续方程，因此
Equations 基本步骤
根据第n时间层的un、vn和pn，计算近似速度u*和v*。 利用u*和v*，迭代计算压力修正值pc。 计算速度修正值uc和vc。 计算第n+1时间层的un+1和vn+1。 计算第n+1时间层的pn+1，通常选取压力松弛系数ap <1。
如果未收敛，重复上述步骤。
12
3.4 改进的SIMPLE算法
3.4.1 SIMPLER算法 基本步骤：
- 根据第n时间层的un、vn，计算比拟速度。 - 利用比拟速度，由压力方程迭代计算第n+1时间层的pn+1。 - 计算近似速度u*和v*。 - 利用u*和v*，迭代计算压力修正值pc。 - 计算速度修正值uc和vc。 - 计算第n+1时间层的un+1和vn+1。 - 如果未收敛，重复上述步骤。

●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。
Z
skirt.plt X Y
75 50 25
0 -25 -50 -75
-2
Y(M) 0
2
0 2 4 6 10 8 X(M) 12 14
D) 16 Feb 2003 Velocity Vectors
4.5
4 velocity.plt
3.5
3
2.5
2
1.5
Z
Z
(3D) 16 Feb 2003 IJK-Ordered DZ ata
ijkcyl.plt X Y
Z
-0.4 -0.2 Y0 0.2 0.4
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0 -0.4 -0.2 0 X 0.2 0.4
Z
jetflow.plXt Y
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0 0 Y0.1 0.2
-0.6 -0.4 -0.2 0 X 0.2 0.4 0.6
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

可利用计算机进行各种数值试验，例如，选择不同流动参数进行 物理方程中各项有效性和敏感性试验，从而进行方案比较
它不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性， 能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、 易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。
8
数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、数学上适 用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学模型，且最终结果 不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的数值解，并 有一定的计算误差。
对于初始条件和边界条件的处理，直接影响计算结果的精度。
16
划分计算网 采用数值方法求解控制方程时，都是想办法将控制方程在空间区
域上进行离散，然后求解得到的离散方程组。要想在空间域上离 散控制方程，必须使用网格。现已发展出多种对各种区域进行离 散以生成网格的方法，统称为网格生成技术。
不同的问题采用不同数值解法时，所需要的网格形式是有一定区 别的，但生成网格的方法基本是一致的。目前，网格分结构网格 和非结构网格两大类。简单地讲，结构网格在空间上比较规范， 如对一个四边形区域，网格往往是成行成列分布的，行线和列线 比较明显。而对非结构网格在空间分布上没有明显的行线和列线。
数学模型就好理解了，就是对物理模型的数学描写。 比如N-S方程就是对粘性流体动力学的一种数学描写，值得注意的是，数学 模型对物理模型的描写也要通过抽象，简化的过程。
14
建立控制方程 确立初始条件及边界条件 划分计算网格，生成计算节点
建立离散方程
离散初始条件和边界条件
给定求解控制参数
解收敛否
否
显示和输出计算结果
21
给定求解控制参数 在离散空间上建立了离散化的代数方程组，并施加离散化的

流体力学的应用领域
总结词
流体力学的应用领域与实例
详细描述
流体力学在日常生活、工程技术和科学研究中有广学、石油和天然气工业中的流体输送等。
流体力学的发展历程
总结词
流体力学的发展历程与重要事件
详细描述
流体力学的发展经历了多个阶段，从 早期的水力学研究到近代的流体动力 学和计算流体力学的兴起。历史上， 牛顿、伯努利等科学家对流体力学的 发展做出了重要贡献。
损失计算
根据流体流动的阻力和能量损失，计算流体流动的总损失。
流体流动阻力和能量损失的减小措施
优化管道设计
采用流线型设计，减少流体与 管壁的摩擦。
合理配置局部障碍物
减少不必要的弯头、阀门等， 或优化其设计以减小局部阻力 。
选择合适的管材
选用内壁光滑、摩擦系数小的 管材。
提高流体流速
适当提高流体的流速，可以减 小沿程损失和局部损失。
流体动力学基本方程
连续性方程
表示质量守恒的方程，即单位时间内流出的质量等于单位 时间内流入的质量。
01
动量方程
表示动量守恒的方程，即单位时间内流 出的动量等于单位时间内流入的动量。
02
03
能量方程
表示能量守恒的方程，即单位时间内 流出的能量等于单位时间内流入的能 量。
流体动力学应用实例
航空航天
飞机、火箭、卫星等的设计与制造需要应用 流体动力学知识。
流动方程
描述非牛顿流体的流动规律，包括连续性方程 、动量方程等。
热力学方程
描述非牛顿流体在流动过程中的热力学状态变化。
非牛顿流体的应用实例
食品工业
01
非牛顿流体在食品工业中广泛应用于番茄酱、巧克力、奶昔等

层流（laminar flow）：流速 较低，红墨水迹线平稳。水质 点沿轴向分层平稳流动。
不稳定流动：红墨水迹线波动。 水质点不稳定，有轴向和垂向 的分速度。
湍流(turbulent flow)：流速超 过某值时，红墨水迹线破裂。 各层流体质点相互掺混，出现 不规则、随机脉动速度。
laminar
实验表明：粘性流动存在两种
vr va,b,c,t
ta,b,c
加速度：
av aa,b,c,t
ta,b,c .
7
3.2.2 Euler法
基本思想：考察空间每一点上的物理量及其变化。 所谓空间一点上的物理量是指占据该空间点的流体质点的物理量。
独立变量：空间点坐标 (q1,q2,q3)
vv(q1,q，2,q3,t) p ，p(q1,q2,q3,t) (q1,q2,q3,t)
流体质点和空间点是二个完全不同的概念。
3.2.3 质点导数
——流体质点的物理量对时间的变化率。
Lagrange法： 若 B a ,b ,c ,t v (a ,b ,c ,t)
v(a,b,c,t)a(a,b,c,t) （质点加速度）
t
.
8
Euler法：
时t刻位于空间点 M的(r流)
体质点经 时间后t 物理量
h 11 ,h 2R ,h 3R sin
D Dt tvR RvR Rsvin.
aR a a
Dv R Dt Dv Dt Dv
Dt
v2 R v v R R vR v
R
v2
R v2 ctg
R v v ctg
R
11
3.3 流体运动的描述
1. 定常、非定常流动（steady and unsteady flow)