計(jì)算流體力學(xué)課件

計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是一個(gè)強(qiáng)大的工具，可以用來模擬和分析流體的行為，例如空氣、水和油。課程概述介紹這門課將涵蓋計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的基礎(chǔ)知識，它結(jié)合了流體力學(xué)原理和數(shù)值方法來解決流體流動問題。實(shí)踐您將學(xué)習(xí)如何使用CFD軟件工具來模擬和分析現(xiàn)實(shí)世界中的流體流動現(xiàn)象，例如飛機(jī)機(jī)翼周圍的氣流或管道中的液體流動。應(yīng)用CFD在各種工程領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，包括航空航天、汽車、能源和生物醫(yī)學(xué)工程。課程目標(biāo)掌握計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)理解流體力學(xué)基本概念，掌握數(shù)值模擬方法。提升流體問題建模能力運(yùn)用CFD軟件進(jìn)行流體流動模擬，解決實(shí)際工程問題。預(yù)備知識微積分理解偏微分方程和數(shù)值方法線性代數(shù)矩陣運(yùn)算和求解線性方程組流體力學(xué)基礎(chǔ)流體性質(zhì)、質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒緒論計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是一個(gè)強(qiáng)大的工具，用于模擬和分析流體流動。它利用數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法來解決流體力學(xué)方程，從而預(yù)測流體的行為。CFD在航空航天、汽車、能源、天氣預(yù)報(bào)等各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。通過模擬流體的運(yùn)動，CFD可以幫助工程師優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高效率、降低成本。基本概念流體一種能夠流動并改變形狀的物質(zhì)，比如液體和氣體。壓力流體作用在單位面積上的力，單位為帕斯卡(Pa)。速度流體運(yùn)動的速度，單位為米每秒(m/s)。瑞諾數(shù)1流體粘性描述流體抵抗流動的趨勢2慣性力描述流體流動時(shí)抵抗變化的趨勢湍流無序運(yùn)動流體粒子隨機(jī)運(yùn)動，形成復(fù)雜漩渦和不規(guī)則流動模式。高雷諾數(shù)湍流通常發(fā)生在流體速度高、粘度低或流體通道尺寸大時(shí)。混合增強(qiáng)湍流促進(jìn)流體混合，提高傳熱和傳質(zhì)效率。湍流模型k-ε模型該模型最廣泛使用，計(jì)算效率高，適用于大多數(shù)工程問題。雷諾平均Navier-Stokes方程基于時(shí)間平均的流動變量，用于解決湍流平均速度場。大渦模擬只模擬大尺度渦，減少計(jì)算量，精度較高，適用于高雷諾數(shù)流動。邊界層流體粘性影響的區(qū)域物體表面附近速度梯度顯著擴(kuò)散和對流擴(kuò)散物質(zhì)從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的遷移過程，由濃度梯度驅(qū)動。對流物質(zhì)通過流體運(yùn)動進(jìn)行遷移，由流體速度驅(qū)動。混合擴(kuò)散和對流共同作用，導(dǎo)致物質(zhì)在流體中的混合和傳播。質(zhì)量守恒概念封閉系統(tǒng)中，質(zhì)量保持不變。公式ρinvinAin=ρoutvoutAout應(yīng)用用于計(jì)算流體流動中的流量變化，如噴嘴和擴(kuò)散器。動量守恒動量守恒定律在封閉系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總動量保持不變。也就是說，如果沒有外力作用，系統(tǒng)的動量不會改變。應(yīng)用動量守恒定律被廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)問題，例如計(jì)算飛機(jī)升力、分析流體流動，以及預(yù)測流體運(yùn)動軌跡。能量守恒1動能流體運(yùn)動的能量。2勢能流體位置的能量。3內(nèi)能流體溫度的能量。偏微分方程1基礎(chǔ)描述流體運(yùn)動的方程組2復(fù)雜性非線性、耦合、復(fù)雜邊界條件3數(shù)值解精確解難以獲得，需要數(shù)值方法求解差分格式1中心差分二階精度2向前差分一階精度3向后差分一階精度網(wǎng)格設(shè)計(jì)網(wǎng)格類型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，混合網(wǎng)格網(wǎng)格質(zhì)量正交性，光滑性，均勻性，網(wǎng)格間距網(wǎng)格生成自動生成，手動生成，自適應(yīng)網(wǎng)格邊界條件1Dirichlet條件指定邊界上的值，例如速度或壓力。2Neumann條件指定邊界上的梯度，例如速度或壓力的梯度。3Robin條件是Dirichlet和Neumann條件的組合，指定了邊界上的值和梯度。求解算法迭代法逐步逼近解，直到滿足誤差要求。直接法通過矩陣運(yùn)算直接求解方程組。松弛法通過加速收斂速度來提高效率。有限體積法控制體積將計(jì)算域劃分為有限個(gè)控制體積，每個(gè)控制體積包含一個(gè)節(jié)點(diǎn)。積分守恒方程對每個(gè)控制體積上的控制方程進(jìn)行積分，得到離散方程。數(shù)值求解使用數(shù)值方法求解離散方程，得到流場信息。有限元法將連續(xù)的物理域劃分為有限個(gè)互不相交的單元，每個(gè)單元上用插值函數(shù)來近似求解域上的未知函數(shù)。將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組，使用矩陣方法求解，得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的解。通過插值函數(shù)，將節(jié)點(diǎn)上的解插值到整個(gè)域，得到整個(gè)域上的解。有限差分法核心思想用有限差分代替導(dǎo)數(shù)，將偏微分方程離散化，轉(zhuǎn)換為線性代數(shù)方程組。優(yōu)勢計(jì)算效率高，易于理解和實(shí)現(xiàn)，適合處理規(guī)則幾何形狀和簡單邊界條件。局限性對復(fù)雜幾何形狀和邊界條件處理較困難，可能存在數(shù)值穩(wěn)定性問題。數(shù)值穩(wěn)定性數(shù)值穩(wěn)定性是指數(shù)值解在計(jì)算過程中是否會隨著迭代次數(shù)的增加而發(fā)散或出現(xiàn)錯(cuò)誤積累。網(wǎng)格收斂性網(wǎng)格密度計(jì)算精度計(jì)算成本較低較低較低中等中等中等較高較高較高湍流模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證將數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。數(shù)值驗(yàn)證對不同湍流模型進(jìn)行數(shù)值比較，分析模型的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇最適合的模型。CFD建模實(shí)例CFD模擬廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，從飛機(jī)設(shè)計(jì)到天氣預(yù)報(bào)，從汽車制造到醫(yī)療器械開發(fā)。常見的CFD應(yīng)用實(shí)例包括：飛機(jī)機(jī)翼氣動性能分析汽車風(fēng)阻系數(shù)測試水力發(fā)電站水輪機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如人造心臟流場模擬應(yīng)用領(lǐng)域航空航天飛機(jī)設(shè)計(jì)，發(fā)動機(jī)性能，飛行器氣動優(yōu)化等。汽車工業(yè)汽車造型設(shè)計(jì)，燃油效率優(yōu)化，空氣動力學(xué)測試等。能源與環(huán)境風(fēng)能發(fā)電，污染物擴(kuò)散模擬，氣候變化研究等。前沿進(jìn)展1高性能計(jì)算不斷提高的計(jì)算能力和并行計(jì)算技術(shù)，使得模擬更加復(fù)雜和逼真的流體流動成為可能。2人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)算法在優(yōu)化網(wǎng)格生成、湍流建模和求解算法方面發(fā)揮著重要作用。3多