計(jì)算流體力學(xué)CFD課件

計(jì)算流體力學(xué)CFD(1)計(jì)算流體力學(xué)CFD(1)1引言流體力學(xué)的三種研究方法引言流體力學(xué)的三種研究方法2流體力學(xué)的控制方程組流體力學(xué)的控制方程組3基本物理學(xué)原理基本物理學(xué)原理4基本物理學(xué)原理流體力學(xué)基本控制方程連續(xù)性方程質(zhì)量守恒定律動量方程牛頓第二定律能量方程能量守恒定律基本物理學(xué)原理流體力學(xué)基本控制方程連續(xù)性方程質(zhì)量守恒定律動量5流動模型流動模型6流動模型1）有限控制體模型對于有連續(xù)性的流體，有下面兩種模型：2）無窮小流體微團(tuán)我們不是同時(shí)觀察整個(gè)流場，而是將物理學(xué)基本原理用在這些流動模型上，從而得到流體流動方程。流動模型1）有限控制體模型對于有連續(xù)性的流體，有下面兩種模型7流動模型有限控制體模型空間位置固定的有限控制體，流體流過控制體隨流體運(yùn)動的有限控制體，同一批流體質(zhì)點(diǎn)始終位于同一控制體內(nèi)流動模型有限控制體模型空間位置固定的有限控制體，流體流過控制8流動模型無窮小流體微團(tuán)模型空間位置固定的無窮小流體微團(tuán)，流體流過微團(tuán)沿流線運(yùn)動的無窮小流體微團(tuán)，其速度等于流線上每一點(diǎn)的當(dāng)?shù)厮俣攘鲃幽Ｐ蜔o窮小流體微團(tuán)模型空間位置固定的無窮小流體微團(tuán)，流體9物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流動控制方程經(jīng)常用物質(zhì)導(dǎo)數(shù)來表達(dá)。物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流動控制方程經(jīng)常用物質(zhì)導(dǎo)10物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）沿流線運(yùn)動的無窮小流體微團(tuán)，其速度等于流線上每一點(diǎn)的當(dāng)?shù)厮俣炔捎昧黧w微團(tuán)模型來理解物質(zhì)導(dǎo)數(shù)的概念：物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）沿流線運(yùn)動的無窮小流體微11物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－物質(zhì)導(dǎo)數(shù)的示意圖物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－12物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－物質(zhì)導(dǎo)數(shù)的示意圖考慮非定常流動：物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－13物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－物質(zhì)導(dǎo)數(shù)的示意圖考慮非定常流動：物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－14物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－物質(zhì)導(dǎo)數(shù)的示意圖在1點(diǎn)做如下的泰勒級數(shù)展開：物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－15物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－物質(zhì)導(dǎo)數(shù)的示意圖物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－16物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－物質(zhì)導(dǎo)數(shù)的示意圖這里D/Dt代表流體微團(tuán)通過1點(diǎn)時(shí)，流體微團(tuán)密度變化的瞬時(shí)時(shí)間變化率。我們把D/Dt定義為密度的物質(zhì)導(dǎo)數(shù)。物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－17物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－物質(zhì)導(dǎo)數(shù)的示意圖注意D/Dt是給定的流體微團(tuán)在空間運(yùn)動時(shí)，其密度的時(shí)間變化率。我們必須跟蹤運(yùn)動的流體微團(tuán)，注意它通過點(diǎn)1時(shí)密度的變化。物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－18物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－物質(zhì)導(dǎo)數(shù)的示意圖物質(zhì)導(dǎo)數(shù)D/Dt與偏導(dǎo)數(shù)/t不同

，/t是在固定點(diǎn)1時(shí)觀察密度變化的時(shí)間變化率，該變化由流場瞬間的起伏所引起。物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－19物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）20物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）向量算子物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）向量算子21物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）D/Dt是物質(zhì)導(dǎo)數(shù)，它在物理上是跟蹤一個(gè)運(yùn)動的流體微團(tuán)的時(shí)間變化率；流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－物質(zhì)導(dǎo)數(shù)的示意圖物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）D/Dt是物質(zhì)導(dǎo)數(shù)，它在22物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）/t叫做當(dāng)?shù)貙?dǎo)數(shù)，它在物理上是固定點(diǎn)處的時(shí)間變化率；流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－物質(zhì)導(dǎo)數(shù)的示意圖物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）/t叫做當(dāng)?shù)貙?dǎo)數(shù)，它23物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）叫做遷移導(dǎo)數(shù)，它在物理上表示由于流體微團(tuán)從流場中的一點(diǎn)運(yùn)動到另一點(diǎn)，流場的空間不均勻性而引起的時(shí)間變化率。流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－物質(zhì)導(dǎo)數(shù)的示意圖物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）叫24物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）物質(zhì)導(dǎo)數(shù)可用于任何流場變量，比如Dp/Dt、DT/Dt等流體微團(tuán)在流場中的運(yùn)動－物質(zhì)導(dǎo)數(shù)的示意圖物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）物質(zhì)導(dǎo)數(shù)可用于任何流場變25物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）人進(jìn)入山洞，洞內(nèi)溫度比洞外溫度低，正經(jīng)過洞口向里進(jìn)時(shí)，同時(shí)被雪球擊中。洞內(nèi)溫度比洞外溫度低所引起的溫降遷移導(dǎo)數(shù)物質(zhì)導(dǎo)數(shù)當(dāng)?shù)貙?dǎo)數(shù)遷移導(dǎo)數(shù)被雪球擊中所引起的溫降當(dāng)?shù)貙?dǎo)數(shù)總的溫降物質(zhì)導(dǎo)數(shù)物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）人進(jìn)入山洞，洞內(nèi)溫度比洞26物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）物質(zhì)導(dǎo)數(shù)全微分：對時(shí)間的全導(dǎo)數(shù)：物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）物質(zhì)導(dǎo)數(shù)全微分：對時(shí)間的27物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）物質(zhì)導(dǎo)數(shù)物質(zhì)導(dǎo)數(shù)在本質(zhì)上與對時(shí)間的全導(dǎo)數(shù)相同。對時(shí)間的全導(dǎo)數(shù)：物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）物質(zhì)導(dǎo)數(shù)物質(zhì)導(dǎo)數(shù)在本質(zhì)上28速度散度及其物理意義速度散度這一表達(dá)式也經(jīng)常出現(xiàn)在流體動力學(xué)方程中。速度散度及其物理意義速度散度這一表達(dá)29隨流體運(yùn)動的有限控制體，同一批流體質(zhì)點(diǎn)始終位于同一控制體內(nèi)速度散度及其物理意義考慮如圖所示隨流體運(yùn)動的控制體。這個(gè)控制體在運(yùn)動中，總是由相同的流體粒子組成，因此它的質(zhì)量是固定的，不隨時(shí)間變化。隨流體運(yùn)動的有限控制體，同一批流體質(zhì)點(diǎn)始終位于同一控制體內(nèi)速30隨流體運(yùn)動的有限控制體，同一批流體質(zhì)點(diǎn)始終位于同一控制體內(nèi)速度散度及其物理意義但是，當(dāng)它運(yùn)動到流體不同的區(qū)域，由于密度不同，它的體積和控制面會隨著時(shí)間改變。隨流體運(yùn)動的有限控制體，同一批流體質(zhì)點(diǎn)始終位于同一控制體內(nèi)速31隨流體運(yùn)動的有限控制體，同一批流體質(zhì)點(diǎn)始終位于同一控制體內(nèi)速度散度及其物理意義也就是說，隨著流場特性的變化，這個(gè)質(zhì)量固定的、運(yùn)動著的控制體，體積不斷地增大或減小，形狀也在不斷地改變著。隨流體運(yùn)動的有限控制體，同一批流體質(zhì)點(diǎn)始終位于同一控制體內(nèi)速32速度散度及其物理意義速度散度的物理意義：是每單位體積運(yùn)動著的流體微團(tuán)，體積相對變化的時(shí)間變化率。速度散度及其物理意義速度散度的物理意義：33連續(xù)性方程連續(xù)性方程34空間位置固定的有限控制體模型空間位置固定的有限控制體模型35空間位置固定的有限控制體模型空間位置固定的有限控制體模型連續(xù)性方程質(zhì)量守恒定律通過控制面S流出控制體的凈質(zhì)量流量＝控制體內(nèi)質(zhì)量減少的時(shí)間變化率空間位置固定的有限控制體模型空間位置固定的有限控制體模型連續(xù)36空間位置固定的有限控制體模型空間位置固定的有限控制體模型通過控制面S流出控制體的凈質(zhì)量流量＝控制體內(nèi)質(zhì)量減少的時(shí)間變化率或空間位置固定的有限控制體模型空間位置固定的有限控制體模型通過37空間位置固定的有限控制體模型空間位置固定的有限控制體模型連續(xù)性方程：空間位置固定的有限控制體模型空間位置固定的有限控制體模型連續(xù)38隨流體運(yùn)動的有限控制體模型隨流體運(yùn)動的有限控制體模型39隨流體運(yùn)動的有限控制體模型隨流體運(yùn)動的有限控制體模型連續(xù)性方程質(zhì)量守恒定律有限控制體的總質(zhì)量為：隨流體運(yùn)動的有限控制體模型隨流體運(yùn)動的有限控制體模型連續(xù)性方40隨流體運(yùn)動的有限控制體模型隨流體運(yùn)動的有限控制體模型連續(xù)性方程：隨流體運(yùn)動的有限控制體模型隨流體運(yùn)動的有限控制體模型連續(xù)性方41空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型42空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型連續(xù)性方程質(zhì)量守恒定律流出微團(tuán)的質(zhì)量流量＝微團(tuán)內(nèi)質(zhì)量的減少空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型連續(xù)43空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型X方向的凈流出量為：流出微團(tuán)的質(zhì)量流量＝微團(tuán)內(nèi)質(zhì)量的減少空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型X方44空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型Y方向的凈流出量為：流出微團(tuán)的質(zhì)量流量＝微團(tuán)內(nèi)質(zhì)量的減少空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型Y方45空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型Z方向的凈流出量為：流出微團(tuán)的質(zhì)量流量＝微團(tuán)內(nèi)質(zhì)量的減少空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型Z方46空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型微團(tuán)內(nèi)質(zhì)量增加的時(shí)間變化率為：流出微團(tuán)的質(zhì)量流量＝微團(tuán)內(nèi)質(zhì)量的減少空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型微團(tuán)47空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型流出微團(tuán)的質(zhì)量流量＝微團(tuán)內(nèi)質(zhì)量的減少或空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型流出48空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型或連續(xù)性方程：空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型或連49隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型50隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型流體微團(tuán)的質(zhì)量：連續(xù)性方程質(zhì)量守恒定律隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型流體微團(tuán)51隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型連續(xù)性方程質(zhì)量守恒定律隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型連續(xù)性方52隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型連續(xù)性方程質(zhì)量守恒定律隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型連續(xù)性方53隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型連續(xù)性方程：隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型連續(xù)性方54方程不同形式之間的轉(zhuǎn)換空間位置固定的有限控制體模型隨流體運(yùn)動的有限控制體模型空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型方程不同形式之間的轉(zhuǎn)換空間位置固定的有限控制體模型隨流體運(yùn)動55方程不同形式之間的轉(zhuǎn)換空間位置固定的有限控制體模型空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型方程不同形式之間的轉(zhuǎn)換空間位置固定的有限控制體模型空間位置固56方程不同形式之間的轉(zhuǎn)換空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型方程不同形式之間的轉(zhuǎn)換空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型隨流體運(yùn)動57積分形式與微分形式的重要注釋空間位置固定的有限控制體模型隨流體運(yùn)動的有限控制體模型空間位置固定的無窮小微團(tuán)模型隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型積分形式與微分形式的重要注釋空間位置固定的有限控制體模型隨流58積分形式與微分形式的重要注釋積分形式的方程允許出現(xiàn)間斷，微分形式的方程要求流動參數(shù)是連續(xù)的。因此，積分形式的方程比微分形式的方程更基礎(chǔ)、更重要。在流動包含真實(shí)的間斷（如激波）時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要。積分形式與微分形式的重要注釋積分形式的方程允許出現(xiàn)間斷，微分59動量方程動量方程60動量方程動量方程牛頓第二定律動量方程動量方程牛頓第二定律61動量方程力的兩個(gè)來源：1）體積力：直接作用在流體微團(tuán)整個(gè)體積微元上的力，而且作用是超距離的，比如重力，電場力，磁場力。隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型動量方程力的兩個(gè)來源：1）體積力：直接作用在流體微團(tuán)整個(gè)體積62動量方程力的兩個(gè)來源：2）表面力：直接作用在流體微團(tuán)的表面。隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型動量方程力的兩個(gè)來源：2）表面力：直接作用在流體微團(tuán)的表面。63動量方程表面力的兩個(gè)來源：1）壓力2）粘性力動量方程表面力的兩個(gè)來源：1）壓力2）粘性力64動量方程粘性力的兩個(gè)來源：1）正應(yīng)力2）切應(yīng)力動量方程粘性力的兩個(gè)來源：1）正應(yīng)力2）切應(yīng)力65動量方程切應(yīng)力：與流體剪切變形的時(shí)間變化率有關(guān)，如下圖中的xy動量方程切應(yīng)力：與流體剪切變形的時(shí)間變化率有關(guān)，如下圖中的66動量方程正應(yīng)力：與流體微團(tuán)體積的時(shí)間變化率有關(guān)，如下圖中的xx動量方程正應(yīng)力：與流體微團(tuán)體積的時(shí)間變化率有關(guān)，如下圖中的67動量方程作用在單位質(zhì)量流體微團(tuán)上的體積力記做，其X方向的分量為隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型動量方程作用在單位質(zhì)量流體微團(tuán)上的體積力記做，其X68動量方程作用在流體微團(tuán)上的體積力的X方向分量＝隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型動量方程作用在流體微團(tuán)上的體積力的X方向分量＝隨流體運(yùn)動的無69動量方程作用在流體微團(tuán)上的X方向的壓力＝動量方程作用在流體微團(tuán)上的X方向的壓力＝70動量方程作用在流體微團(tuán)上的X方向的正應(yīng)力＝動量方程作用在流體微團(tuán)上的X方向的正應(yīng)力＝71動量方程作用在流體微團(tuán)上的X方向的切應(yīng)力＝動量方程作用在流體微團(tuán)上的X方向的切應(yīng)力＝72動量方程作用在流體微團(tuán)上的X方向總的表面力＝隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型動量方程作用在流體微團(tuán)上的X方向總的表面力＝隨流體運(yùn)動的無窮73動量方程作用在流體微團(tuán)上的X方向總的力：隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型動量方程作用在流體微團(tuán)上的X方向總的力：隨流體運(yùn)動的無窮小微74動量方程作用在流體微團(tuán)上的X方向總的力：動量方程作用在流體微團(tuán)上的X方向總的力：75動量方程運(yùn)動流體微團(tuán)的質(zhì)量：隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型動量方程運(yùn)動流體微團(tuán)的質(zhì)量：隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型76動量方程運(yùn)動流體微團(tuán)的X方向的加速度：隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型動量方程運(yùn)動流體微團(tuán)的X方向的加速度：隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)77動量方程由牛頓第二定理得粘性流X方向的動量方程：隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)模型動量方程由牛頓第二定理得粘性流X方向的動量方程：隨流體運(yùn)動的78動量方程類似地，可得Y方向和Z方向的動量方程：動量方程類似地，可得Y方向和Z方向的動量方程：79動量方程三個(gè)方向的動量方程：以上為非守恒形式的納維－斯托克斯方程(Navier-Stokes方程)，簡稱非守恒形式的N－S方程。動量方程三個(gè)方向的動量方程：以上為非守恒形式的納維－斯托克斯80動量方程非守恒形式的的N－S方程可以轉(zhuǎn)化為如下守恒形式的N－S方程動量方程非守恒形式的的N－S方程可以轉(zhuǎn)化為如下守恒形式的N－81動量方程牛頓流體：流體的切應(yīng)力與應(yīng)變的時(shí)間變化率(也就是速度梯度)成正比。在空氣動力學(xué)的所有實(shí)際問題中，流體都可以看成牛頓流體。動量方程牛頓流體：流體的切應(yīng)力與應(yīng)變的時(shí)間變化率(也就是速度82動量方程對牛頓流體，有動量方程對牛頓流體，有83動量方程完整的N－S方程守恒形式：動量方程完整的N－S方程守恒形式：84能量方程能量方程85能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量能量方程能量守恒定律能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量能量方程能量守恒定律86能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量流體微團(tuán)內(nèi)能量的變化率流入微團(tuán)內(nèi)的凈熱流量＝＋體積力和表面力對微團(tuán)做功的功率能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量流體微團(tuán)內(nèi)能量的變化87能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量作用于速度為V的流體微團(tuán)上的體積力，做功的功率為：能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量作用于速度為V的流體88能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量對比下圖作用在面adhe和面bcgf上的壓力，則壓力在X方向上做功的功率為：能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量對比下圖作用在面ad89能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量類似地，在面abcd和面efgh上，切應(yīng)力在X方向上做功的功率為：能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量類似地，在面abcd90能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量所有表面力（包括壓力、正應(yīng)力、切應(yīng)力）在X方向上做功的功率為：能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量所有表面力（包括壓力91能量方程所有力（包括體積力、表面力）做功的功率總和（包括X方向、Y方向、Z方向）為：能量方程所有力（包括體積力、表面力）做功的功率總和（包括X方92能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量流體微團(tuán)內(nèi)能量的變化率流入微團(tuán)內(nèi)的凈熱流量＝＋體積力和表面力對微團(tuán)做功的功率能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量流體微團(tuán)內(nèi)能量的變化93能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量流入微團(tuán)的凈熱流量來源兩個(gè)方面：1）體積加熱，如吸收或釋放的熱輻射。能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量流入微團(tuán)的凈熱流量來94能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量流入微團(tuán)的凈熱流量來源兩個(gè)方面：2）由溫度梯度導(dǎo)致的跨過表面的熱輸運(yùn)，即熱傳導(dǎo)。能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量流入微團(tuán)的凈熱流量來95能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量定義為單位質(zhì)量的體積加熱率；運(yùn)動流體微團(tuán)的質(zhì)量為，因此，微團(tuán)的體積加熱為能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量定義為單96能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量考慮面adhe和面bcgf，熱傳導(dǎo)在X方向?qū)α黧w微團(tuán)的加熱為：能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量考慮面adhe和面b97能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量熱傳導(dǎo)在X、Y、Z三個(gè)方向?qū)α黧w微團(tuán)的加熱為：能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量熱傳導(dǎo)在X、Y、Z三98能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量因此，流入微團(tuán)內(nèi)的凈熱流量為：能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量因此，流入微團(tuán)內(nèi)的凈99能量方程根據(jù)傅立葉熱傳導(dǎo)定律，熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱流與當(dāng)?shù)氐臏囟忍荻瘸烧?，設(shè)k為熱導(dǎo)率，則能量方程根據(jù)傅立葉熱傳導(dǎo)定律，熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱流與當(dāng)?shù)氐臏囟忍?00能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量因此，流入微團(tuán)內(nèi)的凈熱流量可寫為：能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量因此，流入微團(tuán)內(nèi)的凈101能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量流體微團(tuán)內(nèi)能量的變化率流入微團(tuán)內(nèi)的凈熱流量＝＋體積力和表面力對微團(tuán)做功的功率能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量流體微團(tuán)內(nèi)能量的變化102能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量跟隨流體運(yùn)動的微團(tuán)的能量有兩個(gè)來源：1）由分子隨機(jī)運(yùn)動而產(chǎn)生的內(nèi)能，定義單位質(zhì)量內(nèi)能為e能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量跟隨流體運(yùn)動的微團(tuán)的103能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量跟隨流體運(yùn)動的微團(tuán)的能量有兩個(gè)來源：2）流體微團(tuán)平動時(shí)具有的動能，單位質(zhì)量的動能為能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量跟隨流體運(yùn)動的微團(tuán)的104能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量運(yùn)動流體微團(tuán)的質(zhì)量為，因此，流體微團(tuán)內(nèi)能量的變化率為能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量運(yùn)動流體微團(tuán)的質(zhì)量為105能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量流體微團(tuán)內(nèi)能量的變化率流入微團(tuán)內(nèi)的凈熱流量＝＋體積力和表面力對微團(tuán)做功的功率根據(jù)能量守恒定律，有能量方程隨流體運(yùn)動的無窮小微團(tuán)的能量通量流體微團(tuán)內(nèi)能量的變化106能量方程流體微團(tuán)內(nèi)能量的變化率流入微團(tuán)內(nèi)的凈熱流量＝＋體積力和表面力對微團(tuán)做功的功率于是能量方程（非守恒形式）為：能量方程流體微團(tuán)內(nèi)能量的變化率流入微團(tuán)內(nèi)的凈熱流量＝＋體積力107能量方程只用內(nèi)能e表示的能量方程（非守恒形式）為：只用內(nèi)能e表示的能量方程中不包含體積力項(xiàng)。能量方程只用內(nèi)能e表示的能量方程（非守恒形式）為：只用內(nèi)能e108能量方程只用內(nèi)能e表示的能量方程（非守恒形式）可寫為：根據(jù)，，能量方程只用內(nèi)能e表示的能量方程（非守恒形式）可寫為：根據(jù)109能量方程對牛頓流體，有能量方程對牛頓流體，有110能量方程只用內(nèi)能e表示的能量方程（非守恒形式）可寫為：能量方程只用內(nèi)能e表示的能量方程（非守恒形式）可寫為：111能量方程只用內(nèi)能e表示的能量方程（守恒形式）為：能量方程只用內(nèi)能e表示的能量方程（守恒形式）為：112能量方程用總能表示的能量方程（守恒形式）為：能量方程用總能表示的能量方程113流體力學(xué)控制方程的總結(jié)與注釋流體力學(xué)控制方程的總結(jié)與注釋114粘性流動的納維－斯托克斯(Navier-Stokes)方程粘性流動的納維－斯托克斯(Navier-Stokes)方程115粘性流動的納維－斯托克斯(Navier-Stokes)方程非定常三維可壓縮粘性流動的控制方程總結(jié)如下：1.連續(xù)性方程非守恒形式：守恒形式：粘性流動的納維－斯托克斯(Navier-Stokes)方程非116粘性流動的納維－斯托克斯(Navier-Stokes)方程非定常三維可壓縮粘性流動的控制方程總結(jié)如下：2.動量方程非守恒形式：X方向：Y方向：Z方向：粘性流動的納維－斯托克斯(Navier-Stokes)方程非117粘性流動的納維－斯托克斯(Navier-Stokes)方程非定常三維可壓縮粘性流動的控制方程總結(jié)如下：2.動量方程守恒形式：X方向：Y方向：Z方向：粘性流動的納維－斯托克斯(Navier-Stokes)方程非118粘性流動的納維－斯托克斯(Navier-Stokes)方程非定常三維可壓縮粘性流動的控制方程總結(jié)如下：3.能量方程非守恒形式：粘性流動的納維－斯托克斯(Navier-Stokes)方程非119粘性流動的納維－斯托克斯(Navier-Stokes)方程非定常三維可壓縮粘性流動的控制方程總結(jié)如下：3.能量方程守恒形式：粘性流動的納維－斯托克斯(Navier-Stokes)方程非120無粘流歐拉(Euler)方程無粘流歐拉(Euler)方程121非定常三維可壓縮無粘流動的控制方程總結(jié)如下：1.連續(xù)性方程非守恒形式：守恒形式：無粘流歐拉(Euler)方程非定常三維可壓縮無粘流動的控制方程總結(jié)如下：1.連續(xù)性方程非122非定常三維可壓縮無粘流動的控制方程總結(jié)如下：2.動量方程非守恒形式：X方向：Y方向：Z方向：無粘流歐拉(Euler)方程非定常三維可壓縮無粘流動的控制方程總結(jié)如下：2.動量方程非守123非定常三維可壓縮無粘流動的控制方程總結(jié)如下：2.動量方程守恒形式：X方向：Y方向：Z方向：無粘流歐拉(Euler)方程非定常三維可壓縮無粘流動的控制方程總結(jié)如下：2.動量方程守恒124非定常三維可壓縮無粘流動的控制方程總結(jié)如下：3.能量方程非守恒形式：無粘流歐拉(Euler)方程守恒形式：非定常三維可壓縮無粘流動的控制方程總結(jié)如下：3.能量方程非守125關(guān)于控制方程的注釋關(guān)于控制方程的注釋126關(guān)于控制方程的注釋連續(xù)性方程、動量方程、能量方程共有5個(gè)，但有六個(gè)未知的流場變量：關(guān)于控制方程的注釋連續(xù)性方程、動量方程、能量方程共有5個(gè)，但127關(guān)于控制方程的注釋在空氣動力學(xué)中，通常假設(shè)氣體是完全氣體（分子間作用力可忽略），狀態(tài)方程是：狀態(tài)方程提供了第6個(gè)方程，但引進(jìn)了第七個(gè)未知量：溫度T關(guān)于控制方程的注釋在空氣動力學(xué)中，通常假設(shè)氣體是完全氣體（分128關(guān)于控制方程的注釋用以封閉整個(gè)方程組的第七個(gè)方程必須是狀態(tài)參量之間的熱力學(xué)關(guān)系。比如：對常比熱容完全氣體，這個(gè)關(guān)系可以是：其中的是定容比熱。這個(gè)方程有時(shí)候也被稱為量熱狀態(tài)方程。關(guān)于控制方程的注釋用以封閉整個(gè)方程組的第七個(gè)方程必須是狀態(tài)參129物理邊界條件物理邊界條件130物理邊界條件無論流動是波音747飛機(jī)周圍的流動、亞聲速風(fēng)洞內(nèi)的流動，還是流過一個(gè)風(fēng)車流動，控制方程都是相同的。然而，盡管流動的控制方程是相同的，可這些情形中流動卻是完全不同的。為什么會這樣的呢？差異是哪里產(chǎn)生的呢？物理邊界條件無論流動是波音747飛機(jī)周圍的流動、亞聲速風(fēng)洞內(nèi)131物理邊界條件答案是邊界條件。不同的邊界條件，有時(shí)還包括初始條件，使得同一個(gè)控制方程得到不同的特解。物理邊界條件答案是邊界條件。不同的邊界條件，有時(shí)還包括初始條132物理邊界條件對于粘性流動，物面上的物理邊界條件有物面速度無滑移邊界條件和物面溫度邊界條件。物面速度無滑移邊界條件指：緊挨物面的氣流與物面之間的相對速度為零。即：在物面（對于粘性流動）物理邊界條件對于粘性流動，物面上的物理邊界條件有物面速度無滑133物理邊界條件大部分粘性流動的物面溫度邊界條件要么給定一個(gè)常數(shù)作為壁面溫度，即在物面要么假設(shè)壁面為絕熱壁，即在物面物理邊界條件大部分粘性流動的物面溫度邊界條件要么給定一個(gè)常數(shù)134物理邊界條件對于無粘流動，物面上唯一的物理邊界條件是法向速度為零邊界條件。也就是說物面上的流動與物面相切。在物面（對于無粘流動）物理邊界條件對于無粘流動，物面上唯一的物理邊界條件是法向速度135物理邊界條件無論是粘性流還是無粘流，根據(jù)問題的不同，流場中不是物面的地方有多種不同類型的邊界條件。比如對于流過固定形狀管道的流動，應(yīng)該在管道的入口和出口有適合的入流和出流邊界條件。比如對于已知來流中的飛行物，則給定自由來流條件作為物體四周無窮遠(yuǎn)處的邊界條件。物理邊界條件無論是粘性流還是無粘流，根據(jù)問題的不同，流場中不136適合CFD使用的控制方程適合CFD使用的控制方程137適合CFD使用的控制方程守恒變量：非守恒變量：適合CFD使用的控制方程守恒變量：非守恒變量：138適合CFD使用的控制方程非守恒變量可以由守恒變量求出：適合CFD使用的控制方程非守恒變量可以由守恒變量求出：139適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程：流動控制方程中的因變量是守恒變量。非守恒形式的控制方程：流動控制方程中的因變量是非守恒變量。適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程：流動控制方程中的140適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程相比非守恒形式控制方程的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：守恒形式的控制方程為算法設(shè)計(jì)和編程計(jì)算提供了方便。守恒形式的連續(xù)性方程、動量方程和能量方程可以用同一個(gè)通用方程來表達(dá)，這有助于計(jì)算程序的簡化和程序結(jié)構(gòu)的組織。適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程相比非守恒形式控制141適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程組都可以表達(dá)成如下形式：U,F,G,H,J都是列向量。適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程組都可以表達(dá)成如下142適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程組都可以表達(dá)成如下形式：對于無粘或粘性流動：適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程組都可以表達(dá)成如下143適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程組都可以表達(dá)成如下形式：對于無粘流動：適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程組都可以表達(dá)成如下144適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程組都可以表達(dá)成如下形式：對于粘性流動：適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程組都可以表達(dá)成如下145適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程組都可以表達(dá)成如下形式：對于粘性流動：適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程組都可以表達(dá)成如下146適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程組都可以表達(dá)成如下形式：對于粘性流動：適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程組都可以表達(dá)成如下147適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程組都可以表達(dá)成如下形式：列向量U被稱為解向量。列向量F,G,H被稱為通量向量（或通量項(xiàng)）。列向量J代表源項(xiàng)（當(dāng)體積力和體積熱流可忽略時(shí)等于零）適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程組都可以表達(dá)成如下148適合CFD使用的控制方程在某些問題中，非定常的瞬時(shí)流場是我們最感興趣的。這類問題為非定常問題。對其他一些問題，需要得到定常解，這類問題為定常問題。適合CFD使用的控制方程在某些問題中，非定常的瞬時(shí)流場是我們149適合CFD使用的控制方程求解定常問題，最好的方式是求解非定常方程，用長時(shí)間的漸進(jìn)解趨于定常狀態(tài)。這種方法稱為求解定常流動的時(shí)間相關(guān)算法。適合CFD使用的控制方程求解定常問題，最好的方式是求解非定常150適合CFD使用的控制方程上面方程的求解采用了時(shí)間推進(jìn)的方式，也就是說，相關(guān)的流動變量是按時(shí)間步，一步步推進(jìn)求解的。適合CFD使用的控制方程上面方程的求解采用了時(shí)間推進(jìn)的方式，151適合CFD使用的控制方程時(shí)間推進(jìn)的方式解向量U的分量通常就是每一時(shí)間步直接被求解的未知函數(shù)，右邊的空間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)被看成是已知的。通過某種方式求出右邊的空間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，比如可以用上一個(gè)時(shí)間步的結(jié)果計(jì)算出方程右邊的這些項(xiàng)。適合CFD使用的控制方程時(shí)間推進(jìn)的方式解向量U的分量通常就是152適合CFD使用的控制方程在包含激波的流場中，流場的原始變量p,,u,T等在跨過激波時(shí)，會發(fā)生急劇的不連續(xù)變化。采用激波捕捉法計(jì)算含激波的流場時(shí)，是讓激波作為流場計(jì)算的直接結(jié)果，自然而然地出現(xiàn)在計(jì)算區(qū)域里，而不必對激波本身進(jìn)行特殊的處理。適合CFD使用的控制方程在包含激波的流場中，流場的原始變量p153適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程相比非守恒形式控制方程的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)：采用激波捕捉法計(jì)算含激波的流場時(shí)，應(yīng)該采用守恒形式的控制方程，以使計(jì)算結(jié)果光滑、穩(wěn)定。如果采用非守恒形式，流場計(jì)算結(jié)果在激波上下游出現(xiàn)空間振蕩（抖動），激波的位置也可能不對，甚至計(jì)算不穩(wěn)定。適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程相比非守恒形式控制154適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程使用通量變量作為未知函數(shù)，而通量變量在跨過激波時(shí)的變化要么為零，要么很小。適合CFD使用的控制方程守恒形式的控制方程使用通量變量作為未155適合CFD使用的控制方程與把原始變量作為未知函數(shù)的非守恒形式相比，使用守恒形式提高了激波捕捉法數(shù)值解的質(zhì)量。適合CFD使用的控制方程與把原始變量作為未知函數(shù)的非守恒形式156計(jì)算流體力學(xué)CFD(2)計(jì)算流體力學(xué)CFD(2)157離散化的基本方法離散化的基本方法158引言引言159引言理論上，根據(jù)偏微分方程的解能得到流場中任意點(diǎn)上流場變量的值。離散網(wǎng)格點(diǎn)引言理論上，根據(jù)偏微分方程的解能得到流場中任意點(diǎn)上流場變量的160引言實(shí)際上，我們采用代數(shù)差分的方式將偏微分方程組轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組。離散網(wǎng)格點(diǎn)引言實(shí)際上，我們采用代數(shù)差分的方式將偏微分方程組轉(zhuǎn)化為代數(shù)方161引言通過求解代數(shù)方程組獲得流場中離散網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的變量值。離散網(wǎng)格點(diǎn)引言通過求解代數(shù)方程組獲得流場中離散網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的變量值。離散162引言從而，使得原來的偏微分方程組被“離散化”了。離散網(wǎng)格點(diǎn)引言從而，使得原來的偏微分方程組被“離散化”了。離散網(wǎng)格點(diǎn)163引言引言164有限差分基礎(chǔ)有限差分基礎(chǔ)165有限差分基礎(chǔ)離散網(wǎng)格點(diǎn)泰勒級數(shù)展開：有限差分基礎(chǔ)離散網(wǎng)格點(diǎn)泰勒級數(shù)展開：166有限差分基礎(chǔ)泰勒級數(shù)展開：差分表達(dá)式截?cái)嗾`差有限差分基礎(chǔ)泰勒級數(shù)展開：差分表達(dá)式截?cái)嗾`差167有限差分基礎(chǔ)一階向前差分：上述差分表達(dá)式用到了(i,j)點(diǎn)及其右邊(i+1,j)點(diǎn)的信息，沒有左邊(i-1,j)點(diǎn)的信息，且精度為一階有限差分基礎(chǔ)一階向前差分：上述差分表達(dá)式用到了(i,j)點(diǎn)及168有限差分基礎(chǔ)離散網(wǎng)格點(diǎn)泰勒級數(shù)展開：有限差分基礎(chǔ)離散網(wǎng)格點(diǎn)泰勒級數(shù)展開：169有限差分基礎(chǔ)泰勒級數(shù)展開：有限差分基礎(chǔ)泰勒級數(shù)展開：170有限差分基礎(chǔ)一階向后差分：上述差分表達(dá)式用到了(i,j)點(diǎn)及其左邊(i-1,j)點(diǎn)的信息，沒有右邊(i+1,j)點(diǎn)的信息，且精度為一階有限差分基礎(chǔ)一階向后差分：上述差分表達(dá)式用到了(i,j)點(diǎn)及171有限差分基礎(chǔ)兩式相減得：有限差分基礎(chǔ)兩式相減得：172有限差分基礎(chǔ)得：有限差分基礎(chǔ)得：173有限差分基礎(chǔ)二階中心差分：上述差分表達(dá)式用到了左邊(i-1,j)點(diǎn)及右邊(i+1,j)點(diǎn)的信息，(i,j)點(diǎn)位于它們中間，且精度為二階有限差分基礎(chǔ)二階中心差分：上述差分表達(dá)式用到了左邊(i-1,174有限差分基礎(chǔ)Y方向的差分表達(dá)式：有限差分基礎(chǔ)Y方向的差分表達(dá)式：175有限差分基礎(chǔ)兩式相加得：有限差分基礎(chǔ)兩式相加得：176有限差分基礎(chǔ)得：二階中心差分（關(guān)于二階導(dǎo)數(shù)）有限差分基礎(chǔ)得：二階中心差分（關(guān)于二階導(dǎo)數(shù)）177有限差分基礎(chǔ)對Y方向的二階導(dǎo)數(shù)有：二階中心差分（關(guān)于Y方向二階導(dǎo)數(shù)）有限差分基礎(chǔ)對Y方向的二階導(dǎo)數(shù)有：二階中心差分（關(guān)于Y方向二178有限差分基礎(chǔ)下面求二階混合偏導(dǎo)數(shù)上式對y求導(dǎo)得：有限差分基礎(chǔ)下面求二階混合偏導(dǎo)數(shù)上式對y求導(dǎo)得：179有限差分基礎(chǔ)下面求二階混合偏導(dǎo)數(shù)上式對y求導(dǎo)得：有限差分基礎(chǔ)下面求二階混合偏導(dǎo)數(shù)上式對y求導(dǎo)得：180有限差分基礎(chǔ)下面求二階混合偏導(dǎo)數(shù)兩式相減得：6有限差分基礎(chǔ)下面求二階混合偏導(dǎo)數(shù)兩式相減得：6181有限差分基礎(chǔ)下面求二階混合偏導(dǎo)數(shù)6有限差分基礎(chǔ)下面求二階混合偏導(dǎo)數(shù)6182有限差分基礎(chǔ)二階混合偏導(dǎo)數(shù)的二階精度中心差分有限差分基礎(chǔ)二階混合偏導(dǎo)數(shù)的二階精度中心差分183有限差分基礎(chǔ)有限差分基礎(chǔ)184有限差分基礎(chǔ)有限差分基礎(chǔ)185有限差分基礎(chǔ)有限差分基礎(chǔ)186有限差分基礎(chǔ)有限差分基礎(chǔ)187有限差分基礎(chǔ)有限差分基礎(chǔ)188有限差分基礎(chǔ)有限差分基礎(chǔ)189有限差分基礎(chǔ)有限差分基礎(chǔ)190有限差分基礎(chǔ)有限差分基礎(chǔ)191有限差分基礎(chǔ)有限差分基礎(chǔ)192有限差分基礎(chǔ)二階偏導(dǎo)數(shù)，四階精度中心差分高階精度的差分需要更多的網(wǎng)格點(diǎn)，所以計(jì)算中的每一個(gè)時(shí)間步或空間步都需要更多的計(jì)算機(jī)時(shí)間。有限差分基礎(chǔ)二階偏導(dǎo)數(shù)，四階精度中心差分高階精度的差分需要更193有限差分基礎(chǔ)在邊界上怎樣構(gòu)造差分近似？邊界網(wǎng)格點(diǎn)有限差分基礎(chǔ)在邊界上怎樣構(gòu)造差分近似？邊界網(wǎng)格點(diǎn)194有限差分基礎(chǔ)向前差分，只有一階精度。邊界網(wǎng)格點(diǎn)有限差分基礎(chǔ)向前差分，只有一階精度。邊界網(wǎng)格點(diǎn)195有限差分基礎(chǔ)在邊界上如何得到二階精度的有限差分呢？邊界網(wǎng)格點(diǎn)有限差分基礎(chǔ)在邊界上如何得到二階精度的有限差分呢？邊界網(wǎng)格點(diǎn)196有限差分基礎(chǔ)不同于前面的泰勒級數(shù)分析，下面采用多項(xiàng)式來分析。邊界網(wǎng)格點(diǎn)有限差分基礎(chǔ)不同于前面的泰勒級數(shù)分析，下面采用多項(xiàng)式來分析。197有限差分基礎(chǔ)設(shè)邊界網(wǎng)格點(diǎn)在網(wǎng)格點(diǎn)1，在網(wǎng)格點(diǎn)2，在網(wǎng)格點(diǎn)3，有限差分基礎(chǔ)設(shè)邊界網(wǎng)格點(diǎn)在網(wǎng)格點(diǎn)1，在網(wǎng)格點(diǎn)2，在網(wǎng)格點(diǎn)3，198有限差分基礎(chǔ)邊界網(wǎng)格點(diǎn)得有限差分基礎(chǔ)邊界網(wǎng)格點(diǎn)得199有限差分基礎(chǔ)邊界網(wǎng)格點(diǎn)對y求導(dǎo)得：在邊界點(diǎn)1，有限差分基礎(chǔ)邊界網(wǎng)格點(diǎn)對y求導(dǎo)得：在邊界點(diǎn)1，200有限差分基礎(chǔ)邊界網(wǎng)格點(diǎn)得：有限差分基礎(chǔ)邊界網(wǎng)格點(diǎn)得：201有限差分基礎(chǔ)邊界網(wǎng)格點(diǎn)根據(jù)知為三階精度有限差分基礎(chǔ)邊界網(wǎng)格點(diǎn)根據(jù)知為三階精度202有限差分基礎(chǔ)邊界網(wǎng)格點(diǎn)故為兩階精度為三階精度有限差分基礎(chǔ)邊界網(wǎng)格點(diǎn)故為兩階精度為三階精度203有限差分基礎(chǔ)邊界網(wǎng)格點(diǎn)為單側(cè)差分有限差分基礎(chǔ)邊界網(wǎng)格點(diǎn)為單側(cè)差分204差分方程差分方程205差分方程對一個(gè)給定的偏微分方程，如果將其中所有的偏導(dǎo)數(shù)都用有限差分來代替，所得到的代數(shù)方程叫做差分方程，它是偏微分方程的代數(shù)表示。差分方程對一個(gè)給定的偏微分方程，如果將其中所有的偏導(dǎo)數(shù)都用有206差分方程考慮非定常一維熱傳導(dǎo)方程：差分方程考慮非定常一維熱傳導(dǎo)方程：207差分方程差分方程208差分方程差分方程209差分方程差分方程210差分方程偏微分方程：差分方程：截?cái)嗾`差：差分方程偏微分方程：差分方程：截?cái)嗾`差：211差分方程差分方程是一個(gè)代數(shù)方程，如果在右圖所示區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格點(diǎn)上都列出差分方程，就得到一個(gè)聯(lián)立的代數(shù)方程組。差分方程差分方程是一個(gè)代數(shù)方程，如果在右圖所示區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格212差分方程當(dāng)網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)量趨于無窮多，也就是時(shí)，差分方程能否還原為原來的微分方程呢？差分方程當(dāng)網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)量趨于無窮多，也就是時(shí)，差分方程能否還原213差分方程截?cái)嗾`差：截?cái)嗾`差趨于零，從而差分方程確實(shí)趨近于原微分方程。差分方程截?cái)嗾`差：截?cái)嗾`差趨于零，從而差分方程確實(shí)趨近于原微214差分方程從而差分方程確實(shí)趨近于原微分方程，如果，截?cái)嗾`差趨于零，此時(shí)我們說偏微分方程的這個(gè)有限差分表示是相容的。差分方程從而差分方程確實(shí)趨近于原微分方程，如果，截?cái)嗾`差趨于215差分方程原微分方程與相應(yīng)的差分方程之間的區(qū)別截?cái)嗾`差：差分方程原微分方程與相應(yīng)的差分方程之間的區(qū)別截?cái)嗾`差：216差分方程原微分方程的解析解與差分方程的解之間的區(qū)別離散誤差：差分方程原微分方程的解析解與差分方程的解之間的區(qū)別離散誤差：217顯式方法與隱式方法顯式方法與隱式方法218顯式方法顯式方法219顯式方法顯式方法220顯式方法上述方程是拋物型方程，可以推進(jìn)求解，推進(jìn)變量是時(shí)間t顯式方法上述方程是拋物型方程，可以推進(jìn)求解，推進(jìn)變量是時(shí)間t221顯式方法邊界條件已知顯式方法邊界條件已知222顯式方法邊界條件已知顯式方法邊界條件已知223顯式方法顯式方法中每一個(gè)差分方程只包含一個(gè)未知數(shù)，從而這個(gè)未知數(shù)可以用直接計(jì)算的方法顯式地求解。顯式方法是最簡單的方法。顯式方法顯式方法中每一個(gè)差分方程只包含一個(gè)未知數(shù)，從而這個(gè)未224隱式方法隱式方法225隱式方法克蘭克－尼科爾森格式隱式方法克蘭克－尼科爾森格式226隱式方法對于排列在同一時(shí)間層所有網(wǎng)格點(diǎn)上的未知量，必須將它們聯(lián)立起來同時(shí)求解，才能求出這些未知量，這種方法就定義為隱式方法。隱式方法對于排列在同一時(shí)間層所有網(wǎng)格點(diǎn)上的未知量，必須將它們227隱式方法由于需要求解聯(lián)立的代數(shù)方程組，隱式方法通常涉及大型矩陣的運(yùn)算。隱式方法比顯式方法需要更多、更復(fù)雜的計(jì)算。隱式方法由于需要求解聯(lián)立的代數(shù)方程組，隱式方法通常涉及大型矩228隱式方法隱式方法229隱式方法A，B，Ki均為已知量隱式方法A，B，Ki均為已知量230隱式方法A，B，Ki均為已知量隱式方法A，B，Ki均為已知量231隱式方法在網(wǎng)格點(diǎn)2：A，B，Ki均為已知量T1為邊界條件，已知量隱式方法在網(wǎng)格點(diǎn)2：A，B，Ki均為已知量T1為邊界條件232隱式方法在網(wǎng)格點(diǎn)3：A，B，Ki均為已知量在網(wǎng)格點(diǎn)4：在網(wǎng)格點(diǎn)5：隱式方法在網(wǎng)格點(diǎn)3：A，B，Ki均為已知量在網(wǎng)格點(diǎn)4：在網(wǎng)233隱式方法A，B，Ki均為已知量在網(wǎng)格點(diǎn)6：T7為邊界條件，已知量隱式方法A，B，Ki均為已知量在網(wǎng)格點(diǎn)6：T7為邊界條件234隱式方法于是有關(guān)于T2，T3，T4，T5，T6這五個(gè)未知數(shù)的五個(gè)方程A，B，Ki均為已知量隱式方法于是有關(guān)于T2，T3，T4，T5，T6這五個(gè)未知數(shù)的235隱式方法寫成矩陣形式：隱式方法寫成矩陣形式：236隱式方法系數(shù)矩陣是一個(gè)三對角矩陣，僅在三條對角線上有非零元素。求解線性代數(shù)方程組的標(biāo)準(zhǔn)方法是高斯消去法。應(yīng)用于三對角方程組，通常采用托馬斯算法（國內(nèi)稱為追趕法）求解。隱式方法系數(shù)矩陣是一個(gè)三對角矩陣，僅在三條對角線上有非零元素237顯式方法與隱式方法的比較顯式方法與隱式方法的比較238顯式方法與隱式方法的比較對于顯式方法，一旦x取定，那么t的取值必須受到穩(wěn)定性條件的限制，其取值必須小于等于某個(gè)值。否則，計(jì)算不穩(wěn)定。因此，t必須取得很小，才能保持計(jì)算穩(wěn)定，要算到某個(gè)給定的時(shí)間值，程序要運(yùn)行很長時(shí)間。顯式方法與隱式方法的比較對于顯式方法，一旦x取定，那么t239顯式方法與隱式方法的比較隱式方法沒有穩(wěn)定性限制，可以取比顯式方法大得多的t，仍能保持計(jì)算穩(wěn)定。要計(jì)算某個(gè)給定的時(shí)間值，隱式方法所用的時(shí)間步數(shù)比顯式方法少很多。顯式方法與隱式方法的比較隱式方法沒有穩(wěn)定性限制，可以取比顯式240顯式方法與隱式方法的比較對某些應(yīng)用來說，雖然隱式方法一個(gè)時(shí)間步的計(jì)算會比顯式方法花的時(shí)間長，但由于時(shí)間步數(shù)少，總的運(yùn)行時(shí)間可能比顯式方法少。顯式方法與隱式方法的比較對某些應(yīng)用來說，雖然隱式方法一個(gè)時(shí)間241顯式方法與隱式方法的比較另外，當(dāng)t取得較大時(shí)，截?cái)嗾`差就大，隱式方法在跟蹤嚴(yán)格的瞬態(tài)變化（未知函數(shù)隨時(shí)間的變化）時(shí)，可能不如顯式方法精確。不過，對于以定常態(tài)為最終目標(biāo)的時(shí)間相關(guān)算法，時(shí)間上夠不夠精確并不重要。顯式方法與隱式方法的比較另外，當(dāng)t取得較大時(shí)，截?cái)嗾`差就大242顯式方法與隱式方法的比較當(dāng)流場中某些局部區(qū)域的網(wǎng)格點(diǎn)分布很密，采用顯式方法，小的時(shí)間步長會導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間特別長。例如，高雷諾數(shù)粘性流，物面附近的流場會產(chǎn)生急劇的變化，因此，物面附近需要更密的空間網(wǎng)格。在這種情況下，若采用隱式方法，即使對于很密的空間網(wǎng)格，也能采用較大的時(shí)間步長，就會減少程序運(yùn)行時(shí)間。顯式方法與隱式方法的比較當(dāng)流場中某些局部區(qū)域的網(wǎng)格點(diǎn)分布很密243誤差與穩(wěn)定性分析誤差與穩(wěn)定性分析244誤差與穩(wěn)定性分析在從一個(gè)推進(jìn)步進(jìn)行到下一步時(shí)，如果某個(gè)特定的數(shù)值誤差被放大了，那么計(jì)算就變成不穩(wěn)定。如果誤差不增長，甚至在從一個(gè)推進(jìn)步進(jìn)行到下一步時(shí)，誤差還在衰減，那么計(jì)算通常就是穩(wěn)定的。誤差與穩(wěn)定性分析在從一個(gè)推進(jìn)步進(jìn)行到下一步時(shí)，如果某個(gè)特定的245誤差與穩(wěn)定性分析A=偏微分方程的精確解（解析解）D=差分方程的精確解離散誤差=A-D誤差與穩(wěn)定性分析A=偏微分方程的精確解（解析解）D=差分方程246誤差與穩(wěn)定性分析D=差分方程的精確解舍入誤差==N-DN=在某個(gè)有限精度的計(jì)算機(jī)上實(shí)際計(jì)算出來的解（數(shù)值解）N=D+誤差與穩(wěn)定性分析D=差分方程的精確解舍入誤差==N-DN=247誤差與穩(wěn)定性分析數(shù)值解N=精確解D+誤差數(shù)值解N滿足差分方程，于是有誤差與穩(wěn)定性分析數(shù)值解N=精確解D+誤差數(shù)值解N滿足差分方248誤差與穩(wěn)定性分析數(shù)值解N=精確解D+誤差精確解D也必然滿足差分方程，于是有誤差與穩(wěn)定性分析數(shù)值解N=精確解D+誤差精確解D也必然滿足249誤差與穩(wěn)定性分析數(shù)值解N=精確解D+誤差兩式相減得，誤差也滿足差分方程：誤差與穩(wěn)定性分析數(shù)值解N=精確解D+誤差兩式相減得，誤差250誤差與穩(wěn)定性分析當(dāng)求解過程從第n步推進(jìn)到第n+1步時(shí)，如果i衰減，至少是不增大，那么求解就是穩(wěn)定的；反之，如果i增大，求解就是不穩(wěn)定的。也就是說，求解要是穩(wěn)定的，應(yīng)該有：誤差與穩(wěn)定性分析當(dāng)求解過程從第n步推進(jìn)到第n+1步時(shí)，如果251誤差與穩(wěn)定性分析根據(jù)vonNeumann（馮諾伊曼）穩(wěn)定性分析方法，設(shè)誤差隨空間和時(shí)間符合如下Fourier級數(shù)分布：則誤差與穩(wěn)定性分析根據(jù)vonNeumann（馮諾伊曼）穩(wěn)定252誤差與穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性要求故放大因子誤差與穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性要求故放大因子253誤差與穩(wěn)定性分析下面采用vonNeumann（馮諾伊曼）穩(wěn)定性分析方法分析如下差分方程的穩(wěn)定性：由于誤差也滿足差分方程，故有誤差與穩(wěn)定性分析下面采用vonNeumann（馮諾伊曼）254誤差與穩(wěn)定性分析由于誤差也滿足差分方程，故有而則誤差與穩(wěn)定性分析由于誤差也滿足差分方程，故有而則255誤差與穩(wěn)定性分析解得放大因子誤差與穩(wěn)定性分析解得放大因子256誤差與穩(wěn)定性分析要使放大因子必須滿足誤差與穩(wěn)定性分析要使放大因子必須滿足257誤差與穩(wěn)定性分析上式就是差分方程的穩(wěn)定性條件。對于給定的x，t的值必須足夠小，才能滿足上述穩(wěn)定性條件，以保證計(jì)算過程中誤差不會放大。誤差與穩(wěn)定性分析上式就是差分方程的穩(wěn)定性條件。對于給定的x258誤差與穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性條件的具體形式取決于差分方程的形式。的差分方程是無條件不穩(wěn)定的。比如，一階波動方程：誤差與穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性條件的具體形式取決于差分方程的形式。的259誤差與穩(wěn)定性分析但如果用則（Lax方法）誤差與穩(wěn)定性分析但如果用則（Lax方法）260誤差與穩(wěn)定性分析令誤差則放大因子式中誤差與穩(wěn)定性分析令誤差則放大因子式中261誤差與穩(wěn)定性分析則放大因子穩(wěn)定性要求則誤差與穩(wěn)定性分析則放大因子穩(wěn)定性要求則262誤差與穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性要求式中的C稱為柯朗(Courant)數(shù)。誤差與穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性要求式中的C稱為柯朗(Courant)263誤差與穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性要求上式稱為柯朗－弗里德里奇－列維(Courant-Friedrichs-Lewy)條件，一般寫成CFL條件。誤差與穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性要求上式稱為柯朗－弗里德里奇－列維(C264誤差與穩(wěn)定性分析下面來看CFL條件的物理意義。CFL條件：也是二階波動方程：的穩(wěn)定性條件。誤差與穩(wěn)定性分析下面來看CFL條件的物理意義。CFL條件：也265誤差與穩(wěn)定性分析下面來看CFL條件的物理意義。二階波動方程：的特征線為誤差與穩(wěn)定性分析下面來看CFL條件的物理意義。二階波動方程：266CFL條件的物理意義：要保證穩(wěn)定性，數(shù)值解的依賴區(qū)域必須全部包含解析解的依賴區(qū)域。誤差與穩(wěn)定性分析CFL條件的物理意義：要保證穩(wěn)定性，數(shù)值解的依賴區(qū)域必須全部267CFL條件的物理意義：要保證穩(wěn)定性，數(shù)值解的依賴區(qū)域必須全部包含解析解的依賴區(qū)域。誤差與穩(wěn)定性分析CFL條件的物理意義：要保證穩(wěn)定性，數(shù)值解的依賴區(qū)域必須全部268計(jì)算流體力學(xué)CFD(3)計(jì)算流體力學(xué)CFD(3)269網(wǎng)格生成與坐標(biāo)變換網(wǎng)格生成與坐標(biāo)變換270引言引言271引言在CFD里，確定適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格是一件非常重要的事情。網(wǎng)格會影響數(shù)值計(jì)算的成功與失敗。引言在CFD里，確定適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格是一件非常重要的事情。網(wǎng)格會影272引言標(biāo)準(zhǔn)的有限差分方法需要均勻網(wǎng)格。如果在流場內(nèi)生成了非均勻網(wǎng)格，也需要將它變換成均勻分布的矩形網(wǎng)格。引言標(biāo)準(zhǔn)的有限差分方法需要均勻網(wǎng)格。如果在流場內(nèi)生成了非均勻273引言采用均勻網(wǎng)格計(jì)算翼型繞流有如下問題：1）有些網(wǎng)格點(diǎn)落入翼型內(nèi)部，而不是在流場里，如何給定這些點(diǎn)上的流動參量？引言采用均勻網(wǎng)格計(jì)算翼型繞流有如下問題：1）有些網(wǎng)格點(diǎn)落入翼274引言采用均勻網(wǎng)格計(jì)算翼型繞流有如下問題：2）只有少量的網(wǎng)格點(diǎn)落在翼型表面上，這也不好。因?yàn)橐硇捅砻媸菢O其重要的邊界，翼型表面上的邊界條件確定了整個(gè)流動。引言采用均勻網(wǎng)格計(jì)算翼型繞流有如下問題：2）只有少量的網(wǎng)格點(diǎn)275引言1）翼型內(nèi)部沒有網(wǎng)格點(diǎn)2）網(wǎng)格點(diǎn)落在翼型表面上引言1）翼型內(nèi)部沒有網(wǎng)格點(diǎn)2）網(wǎng)格點(diǎn)落在翼型表面上276引言網(wǎng)格既不是矩形的，也不是均勻分布的。通常的差分很難應(yīng)用，必須轉(zhuǎn)換。引言網(wǎng)格既不是矩形的，也不是均勻分布的。通常的差分很難應(yīng)用，277引言控制方程從物理平面(x,y)轉(zhuǎn)換到計(jì)算平面(,)物理平面計(jì)算平面貼體網(wǎng)格引言控制方程從物理平面(x,y)轉(zhuǎn)換到計(jì)算平面(,)物理278方程的一般變換方程的一般變換279方程的一般變換考慮二維非定常流場，從物理平面(x,y,t)計(jì)算平面(,,)物理平面計(jì)算平面方程的一般變換考慮二維非定常流場，從物理平面(x,y,t)計(jì)280方程的一般變換從物理平面(x,y,t)計(jì)算平面(,,)下標(biāo)表示求偏導(dǎo)數(shù)過程中保持不變的量方程的一般變換從物理平面(x,y,t)計(jì)算平面(,,)281方程的一般變換從物理平面(x,y,t)計(jì)算平面(,,)下標(biāo)表示求偏導(dǎo)數(shù)過程中保持不變的量方程的一般變換從物理平面(x,y,t)計(jì)算平面(,,)282方程的一般變換從物理平面(x,y,t)計(jì)算平面(,,)方程的一般變換從物理平面(x,y,t)計(jì)算平面(,,)283方程的一般變換方程的一般變換284方程的一般變換方程的一般變換285方程的一般變換方程的一般變換286方程的一般變換從物理平面(x,y,t)計(jì)算平面(,,)方程的一般變換從物理平面(x,y,t)計(jì)算平面(,,)287方程的一般變換方程的一般變換288方程的一般變換方程的一般變換289方程的一般變換方程的一般變換290度量和雅可比行列式度量和雅可比行列式291度量和雅可比行列式從物理平面(x,y,t)計(jì)算平面(,,)涉及網(wǎng)格幾何性質(zhì)的項(xiàng)，如/x,/y,/x,/y稱為度量。度量和雅可比行列式從物理平面(x,y,t)計(jì)算平面(,,292度量和雅可比行列式從物理平面(x,y,t)計(jì)算平面(,,)如果上述變換式用解析形式給出，則度量也能得到解析值。度量和雅可比行列式從物理平面(x,y,t)計(jì)算平面(,,293度量和雅可比行列式從物理平面(x,y,t)計(jì)算平面(,,)大部分情況下，上述關(guān)系式是用數(shù)值形式給出的，則度量用有限差分計(jì)算。度量和雅可比行列式從物理平面(x,y,t)計(jì)算平面(,,294度量和雅可比行列式從物理平面(x,y,t)計(jì)算平面(,,)逆變換下面推導(dǎo)用逆變換來表示導(dǎo)數(shù)從計(jì)算平面(,,)物理平面(x,y,t)度量和雅可比行列式從物理平面(x,y,t)計(jì)算平面(,,295度量和雅可比行列式令u的全微分為：則：度量和雅可比行列式令u的全微分為：則：296度量和雅可比行列式由得：度量和雅可比行列式由得：297度量和雅可比行列式分母上的行列式稱為雅可比行列式，記作度量和雅可比行列式分母上的行列式稱為雅可比行列式，記作298度量和雅可比行列式由得：度量和雅可比行列式由得：299度量和雅可比行列式度量和雅可比行列式300度量和雅可比行列式寫成更一般的形式：度量和雅可比行列式寫成更一般的形式：301度量和雅可比行列式用逆變換來表示導(dǎo)數(shù)（含J）：度量和雅可比行列式用逆變換來表示導(dǎo)數(shù)（含J）：302度量和雅可比行列式用直接變換來表示導(dǎo)數(shù)(不含J)：下面根據(jù)逆度量和直接度量之間的關(guān)系式來推導(dǎo)怎么用逆變換來表示導(dǎo)數(shù)。度量和雅可比行列式用直接變換來表示導(dǎo)數(shù)(不含J)：下面根據(jù)逆303度量和雅可比行列式考慮二維的直接變換：有：度量和雅可比行列式考慮二維的直接變換：有：304度量和雅可比行列式即：度量和雅可比行列式即：305度量和雅可比行列式再考慮二維的逆變換：有：度量和雅可比行列式再考慮二維的逆變換：有：306度量和雅可比行列式即：度量和雅可比行列式即：307度量和雅可比行列式由：得：度量和雅可比行列式由：得：308度量和雅可比行列式由：和得：度量和雅可比行列式由：和得：309度量和雅可比行列式即：度量和雅可比行列式即：310度量和雅可比行列式因?yàn)樾辛惺睫D(zhuǎn)置后，其值不變，則：故：度量和雅可比行列式因?yàn)樾辛惺睫D(zhuǎn)置后，其值不變，則：故：311度量和雅可比行列式于是就得到了直接度量和逆度量之間的關(guān)系式：直接度量逆度量度量和雅可比行列式于是就得到了直接度量和逆度量之間的關(guān)系式：312度量和雅可比行列式用直接變換來表示導(dǎo)數(shù)(不含J)：代入得到用逆變換表示的導(dǎo)數(shù)：度量和雅可比行列式用直接變換來表示導(dǎo)數(shù)(不含J)：代入得到用313再論適合CFD使用的控制方程再論適合CFD使用的控制方程314再論適合CFD使用的控制方程在物理平面，流動方程的強(qiáng)守恒形式在計(jì)算平面，還能寫成如下的形式嗎？再論適合CFD使用的控制方程在物理平面，流動方程的強(qiáng)守恒形式315再論適合CFD使用的控制方程在物理平面，流動方程的強(qiáng)守恒形式答案是能。在計(jì)算平面，可以寫成以下形式：再論適合CFD使用的控制方程在物理平面，流動方程的強(qiáng)守恒形式316拉伸（壓縮）網(wǎng)格拉伸（壓縮）網(wǎng)格317拉伸（壓縮）網(wǎng)格流過平板的粘性流直接變換（解析變換）逆變換（解析變換）拉伸（壓縮）網(wǎng)格流過平板的粘性流直接變換（解析變換）逆變換（318拉伸（壓縮）網(wǎng)格直接變換（解析變換）逆變換（解析變換）拉伸（壓縮）網(wǎng)格直接變換（解析變換）逆變換（解析變換）319拉伸（壓縮）網(wǎng)格物理平面上的連續(xù)性方程計(jì)算平面上的連續(xù)性方程：拉伸（壓縮）網(wǎng)格物理平面上的連續(xù)性方程計(jì)算平面上的連續(xù)性方程320拉伸（壓縮）網(wǎng)格得：直接變換（解析變換）拉伸（壓縮）網(wǎng)格得：直接變換（解析變換）321拉伸（壓縮）網(wǎng)格計(jì)算平面上的連續(xù)性方程：拉伸（壓縮）網(wǎng)格計(jì)算平面上的連續(xù)性方程：322拉伸（壓縮）網(wǎng)格物理平面上的連續(xù)性方程計(jì)算平面上的連續(xù)性方程：拉伸（壓縮）網(wǎng)格物理平面上的連續(xù)性方程計(jì)算平面上的連續(xù)性方程323拉伸（壓縮）網(wǎng)格逆變換（解析變換）下面根據(jù)逆變換關(guān)系式來推導(dǎo)計(jì)算平面上的連續(xù)性方程。拉伸（壓縮）網(wǎng)格逆變換（解析變換）下面根據(jù)逆變換關(guān)系式來推導(dǎo)324拉伸（壓縮）網(wǎng)格物理平面上的連續(xù)性方程用逆變換來表示導(dǎo)數(shù)（含J）：拉伸（壓縮）網(wǎng)格物理平面上的連續(xù)性方程用逆變換來表示導(dǎo)數(shù)（含325拉伸（壓縮）網(wǎng)格逆變換（解析變換）計(jì)算平面上的連續(xù)性方程：拉伸（壓縮）網(wǎng)格逆變換（解析變換）計(jì)算平面上的連續(xù)性方程：326貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成327貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成a)物理平面b)計(jì)算平面擴(kuò)張管道內(nèi)流物理平面中貼體曲線坐標(biāo)系計(jì)算平面內(nèi)均勻矩形網(wǎng)格貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成a)物理平面b)計(jì)算平面擴(kuò)328貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成a)物理平面O型網(wǎng)格qp和sr是同一條曲線割縫貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成a)物理平面O型網(wǎng)格qp和sr329貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成b)計(jì)算平面貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成b)計(jì)算平面330貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成b)計(jì)算平面a)物理平面四周邊界條件給定，采用橢圓型方程來生成網(wǎng)格，稱為橢圓型網(wǎng)格生成最簡單的橢圓型方程是Laplace方程：貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成b)計(jì)算平面a)物理平面四331貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成Laplace方程：貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成Laplace方程：332貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成計(jì)算平面（標(biāo)出了邊界條件，并畫了一個(gè)內(nèi)點(diǎn)）貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成計(jì)算平面（標(biāo)出了邊界條件，并畫了一333貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成b)計(jì)算平面a)物理平面變換沒有解析式，而是一組數(shù)值控制方程中所要求的度量可以用有限差分計(jì)算，并且常常采用中心差分貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成b)計(jì)算平面a)物理平面變334貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成b)計(jì)算平面a)物理平面這里生成網(wǎng)格采用的是橢圓型方程，和流動的性質(zhì)無關(guān)流動的控制方程無論是橢圓型、雙曲型還是拋物型的，都可以采用這種橢圓型的方程來生成網(wǎng)格。貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成b)計(jì)算平面a)物理平面這335貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成采用橢圓型方程生成的繞翼型C型網(wǎng)格在亞聲速流中，擾動會傳播得非常遠(yuǎn)，因此網(wǎng)格的外邊界放在了離翼型非常遠(yuǎn)的地方。貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成采用橢圓型方程生成的繞翼型C型網(wǎng)格336貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成翼型附近網(wǎng)格分布的細(xì)節(jié)貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成翼型附近網(wǎng)格分布的細(xì)節(jié)337自適應(yīng)網(wǎng)格自適應(yīng)網(wǎng)格338自適應(yīng)網(wǎng)格邊界層內(nèi)沒有網(wǎng)格點(diǎn)邊界層內(nèi)至少有一些網(wǎng)格點(diǎn)應(yīng)該將大量的、密集的網(wǎng)格點(diǎn)分布在流場變量存在大的梯度的那部分流動區(qū)域內(nèi)，從而改進(jìn)CFD計(jì)算的數(shù)值精度。自適應(yīng)網(wǎng)格邊界層內(nèi)沒有網(wǎng)格點(diǎn)邊界層內(nèi)至少有一些網(wǎng)格點(diǎn)應(yīng)該將大339自適應(yīng)網(wǎng)格邊界層內(nèi)沒有網(wǎng)格點(diǎn)邊界層內(nèi)至少有一些網(wǎng)格點(diǎn)因?yàn)槊芫W(wǎng)格能夠減小截?cái)嗾`差，而且要想捕捉流動的物理特性，梯度大的地方就需要更多的網(wǎng)格點(diǎn)。自適應(yīng)網(wǎng)格邊界層內(nèi)沒有網(wǎng)格點(diǎn)邊界層內(nèi)至少有一些網(wǎng)格點(diǎn)因?yàn)槊芫W(wǎng)340自適應(yīng)網(wǎng)格邊界層內(nèi)沒有網(wǎng)格點(diǎn)邊界層內(nèi)至少有一些網(wǎng)格點(diǎn)沒有捕捉到邊界層更真實(shí)地表現(xiàn)了邊界層自適應(yīng)網(wǎng)格邊界層內(nèi)沒有網(wǎng)格點(diǎn)邊界層內(nèi)至少有一些網(wǎng)格點(diǎn)沒有捕捉341自適應(yīng)網(wǎng)格它利用求解的流場特征確定網(wǎng)格點(diǎn)在物理平面中的位置。自適應(yīng)網(wǎng)格是能夠自動向流場中大梯度區(qū)域聚集的網(wǎng)格。自適應(yīng)網(wǎng)格它利用求解的流場特征確定網(wǎng)格點(diǎn)在物理平面中的位置。342自適應(yīng)網(wǎng)格自適應(yīng)網(wǎng)格是一種隨時(shí)間變化的網(wǎng)格。網(wǎng)格的調(diào)整與流場變量同步。自適應(yīng)網(wǎng)格自適應(yīng)網(wǎng)格是一種隨時(shí)間變化的網(wǎng)格。網(wǎng)格的調(diào)整與流場343自適應(yīng)網(wǎng)格自適應(yīng)網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)：1）當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量固定時(shí)，可以提高計(jì)算精度。2）給定精度時(shí)，可以用較少的網(wǎng)格點(diǎn)來達(dá)到這一精度。自適應(yīng)網(wǎng)格自適應(yīng)網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)：1）當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量固定時(shí)，可以提高計(jì)344自適應(yīng)網(wǎng)格a)物理平面B和C是比例因子，b和c是梯度放大因子g是流場原始變量，如p,或T自適應(yīng)網(wǎng)格a)物理平面B和C是比例因子，g是流場原始變量，345自適應(yīng)網(wǎng)格b)計(jì)算平面B和C是比例因子，b和c是梯度放大因子g是流場原始變量，如p,或T自適應(yīng)網(wǎng)格b)計(jì)算平面B和C是比例因子，g是流場原始變量，346自適應(yīng)網(wǎng)格a)物理平面自適應(yīng)網(wǎng)格a)物理平面347自適應(yīng)網(wǎng)格a)物理平面自適應(yīng)網(wǎng)格a)物理平面348自適應(yīng)網(wǎng)格a)物理平面為物理平面固定點(diǎn)(x,y)處的時(shí)間變化率，其值不為零。自適應(yīng)網(wǎng)格a)物理平面為物理平面固定點(diǎn)(x,y)處的時(shí)間349自適應(yīng)網(wǎng)格a)物理平面為物理平面固定點(diǎn)(x,y)處的時(shí)間變化率，其值不為零。自適應(yīng)網(wǎng)格a)物理平面為物理平面固定點(diǎn)(x,y)處的時(shí)間350自適應(yīng)網(wǎng)格自適應(yīng)網(wǎng)格351自適應(yīng)網(wǎng)格自適應(yīng)網(wǎng)格352自適應(yīng)網(wǎng)格b)計(jì)算平面流動控制方程在計(jì)算平面求解。相應(yīng)導(dǎo)數(shù)項(xiàng)采用下列式子計(jì)算：自適應(yīng)網(wǎng)格b)計(jì)算平面流動控制方程在計(jì)算平面求解。相應(yīng)導(dǎo)數(shù)353網(wǎng)格生成的進(jìn)展覆蓋F-20飛機(jī)外形的橢圓型自適應(yīng)網(wǎng)格用橢圓型網(wǎng)格生成，結(jié)合自適應(yīng)網(wǎng)格，生成的三維貼體網(wǎng)格網(wǎng)格生成的進(jìn)展覆蓋F-20飛機(jī)外形的橢圓型自適應(yīng)網(wǎng)格用橢圓型354求解三維歐拉方程的計(jì)算結(jié)果F-20上表面壓力系數(shù)的等值線分布網(wǎng)格生成的進(jìn)展求解三維歐拉方程的計(jì)算結(jié)果F-20上表面壓力系數(shù)的等值線分布355求解三維歐拉方程的計(jì)算結(jié)果F-20機(jī)翼展向不同位置處壓力系數(shù)沿機(jī)翼截面上下表面的變化網(wǎng)格生成的進(jìn)展求解三維歐拉方程的計(jì)算結(jié)果F-20機(jī)翼展向不同位置處壓力系數(shù)356求解三維歐拉方程的計(jì)算結(jié)果CFD計(jì)算給出的F-20上的機(jī)翼渦網(wǎng)格生成的進(jìn)展求解三維歐拉方程的計(jì)算結(jié)果CFD計(jì)算給出的F-20上的機(jī)翼渦357網(wǎng)格由多個(gè)網(wǎng)格塊組成，每一個(gè)網(wǎng)格塊都互相獨(dú)立，網(wǎng)格塊之間由交界面分開。覆蓋F-16飛機(jī)的分塊網(wǎng)格網(wǎng)格生成的進(jìn)展網(wǎng)格由多個(gè)網(wǎng)格塊組成，每一個(gè)網(wǎng)格塊都互相獨(dú)立，網(wǎng)格塊之間由交358有限體積網(wǎng)格生成的進(jìn)展有限體積網(wǎng)格生成的進(jìn)展359有限體積網(wǎng)格生成的進(jìn)展結(jié)構(gòu)網(wǎng)格：物理平面上的網(wǎng)格盡管是非均勻的，但它們都有一定的“規(guī)律性”，物理平面上的網(wǎng)格線與計(jì)算平面中,等于常數(shù)的線對應(yīng)，而且同族坐標(biāo)線互不相交。有限體積網(wǎng)格生成的進(jìn)展結(jié)構(gòu)網(wǎng)格：物理平面上的網(wǎng)格盡管是非均勻360有限體積網(wǎng)格生成的進(jìn)展結(jié)構(gòu)網(wǎng)格：等于常數(shù)的線互不相交，等于常數(shù)的線互不相交。有限體積網(wǎng)格生成的進(jìn)展結(jié)構(gòu)網(wǎng)格：等于常數(shù)的線互不相交，等361有限體積網(wǎng)格生成的進(jìn)展結(jié)構(gòu)網(wǎng)格：這些網(wǎng)格存在著某種“結(jié)構(gòu)”，這樣的網(wǎng)格稱為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。有限體積網(wǎng)格生成的進(jìn)展結(jié)構(gòu)網(wǎng)格：這些網(wǎng)格存在著某種“結(jié)構(gòu)”，362有限體積網(wǎng)格生成的進(jìn)展非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格：有限體積法不需要結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，它可以應(yīng)用于任意形狀的網(wǎng)格單元，可以用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。環(huán)繞多元翼型的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有限體積網(wǎng)格生成的進(jìn)展非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格：有限體積法不需要結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，363有限體積網(wǎng)格生成的進(jìn)展非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格：非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格沒有任何的規(guī)律性，沒有對應(yīng)于，等于常數(shù)的坐標(biāo)線。壓縮拐角上的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有限體積網(wǎng)格生成的進(jìn)展非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格：非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格沒有任何的規(guī)律性364有限體積網(wǎng)格生成的進(jìn)展有限體積網(wǎng)格單元遠(yuǎn)離物體的網(wǎng)格單元是矩形的，與物體相鄰的那些單元?jiǎng)t可以按物體的形狀修改，使每個(gè)單元有一條邊沿著物體表面。物面附近的笛卡兒網(wǎng)格有限體積網(wǎng)格生成的進(jìn)展有限體積網(wǎng)格單元遠(yuǎn)離物體的網(wǎng)格單元是矩365有限體積網(wǎng)格生成的進(jìn)展有限體積網(wǎng)格單元遠(yuǎn)離物體的網(wǎng)格單元是矩形的，與物體相鄰的那些單元?jiǎng)t可以按物體的形狀修改，使每個(gè)單元有一條邊沿著物體表面。計(jì)算多元翼型亞聲速繞流的笛卡兒網(wǎng)格有限體積網(wǎng)格生成的進(jìn)展有限體積網(wǎng)格單元遠(yuǎn)離物體的網(wǎng)格單元是矩366計(jì)算流體力學(xué)CFD(1)計(jì)算流體力學(xué)CFD(1)367引言流體力學(xué)的三種研究方法引言流體力學(xué)的三種研究方法368流體力學(xué)的控制方程組流體力學(xué)的控制方程組369基本物理學(xué)原理基本物理學(xué)原理370基本物理學(xué)原理流體力學(xué)基本控制方程連續(xù)性方程質(zhì)量守恒定律動量方程牛頓第二定律能量方程能量守恒定律基本物理學(xué)原理流體力學(xué)基本控制方程連續(xù)性方程質(zhì)量守恒定律動量371流動模型流動模型372流動模型1）有限控制體模型對于有連續(xù)性的流體，有下面兩種模型：2）無窮小流體微團(tuán)我們不是同時(shí)觀察整個(gè)流場，而是將物理學(xué)基本原理用在這些流動模型上，從而得到流體流動方程。流動模型1）有限控制體模型對于有連續(xù)性的流體，有下面兩種模型373流動模型有限控制體模型空間位置固定的有限控制體，流體流過控制體隨流體運(yùn)動的有限控制體，同一批流體質(zhì)點(diǎn)始終位于同一控制體內(nèi)流動模型有限控制體模型空間位置固定的有限控制體，流體流過控制374流動模型無窮小流體微團(tuán)模型空間位置固定的無窮小流體微團(tuán)，流體流過微團(tuán)沿流線運(yùn)動的無窮小流體微團(tuán)，其速度等于流線上每一點(diǎn)的當(dāng)?shù)厮俣攘鲃幽Ｐ蜔o窮小流體微團(tuán)模型空間位置固定的無窮小流體微團(tuán)，流體375物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流動控制方程經(jīng)常用物質(zhì)導(dǎo)數(shù)來表達(dá)。物質(zhì)導(dǎo)數(shù)（運(yùn)動流體微團(tuán)的時(shí)間變化率）流動控制方程經(jīng)常