第一章 绪 论
在交错网格基础上，提出了同位网格方法，其吸取交错 网格的成功经验，又将求解变量布置在同一套网格上， 在非正交曲线坐标系中得到了广泛的应用。
在SIMPLE算法基础上，先后提出了SIMPLER和 SIMPLEC等改进算法。 这一阶段NHT已经开始走向工业界，经典著作、 商用软件、网格生成技术、更好的算法等等这些为日后 岁计算机工业的快速发展而NHT兴旺发达奠定了坚实的 理论基础、人员基础和物质基础。
第一章 绪 论
计算流体力学的问题 △流动机理不明的问题，数值工作无法进 行 △数值工作自身仍然有许多理论问题有待 解决 △离散化不仅引起定量的误差，同时也会 引起定性的误差，所以数值工作仍然离不 开实验的验证
第一章 绪 论
计算传热学发展简史
早在1933年，英国科学家THOM应用手摇计算机完 成了对一个外掠园流动的数值计算，但真正应用计 算机和数值计算方法求解流动问题，并在全世界范 围内形成规模而且得到有益的结果，大致始于60年 代
2u 2u 2u ˆ u u u u p u v w 2 2 2 t x y z x y z x 2v 2v 2v ˆ v v v v p u v w 2 2 2 t x y z y y z x
计 算 流 体 力 学
Computational Fluid Dynamics
第一章 绪 论
授课人：钱 昆 船舶工程学院
2-18周 研教楼506
第一章 绪 论
1 计算流体力学简介 什么是计算流体力学？
利用数值计算方法通过计算机求解描述 流体运动的控制方程，研究流体运动及 其同其它介质相互作用的各种复杂问题 的学科。 ★数值解而不是解析解 ★计算理论和计算技术起关键作用 ★与计算机的发展紧密相关
第一章 绪 论
计算流体力学的要素
• • • • • • 数学模型 离散方法 计算网格(也有无网格方法，但尚未成熟) 求解方法 计算结果的后处理 Verification & Validation
第一章 绪 论
第一章 绪 论
计算流体力学问题的计算步骤
• 前处理 • 求解 • 计算结果的后处理
第一章 绪 论 计算流体力学的研究方程 N-S方程
宏观特性 积分特性
简单问题 小扰动法 流函数 特征线法
简单问题，理想化条件
第一章 绪 论 理论研究的不足
(1)不论是流体力学，传热学，还是燃烧学都是以实际中 并不存在的理想情况或简单问题为研究对象。
(2)这些研究在理想条件和简单问题基础之上，应用积分、 保角变换、小扰动线化理论和特征线理论等一些数学手 段进行演绎和推导，最终给出所能考虑的过程变量之间 相互制约的一个解析的或近似的表达式。 (3)一方面它们的研究手段或成果难于或无法应用于复杂 的问题，另一方面它们对实践的指导意义比较宏观和笼 统，难以或无法微观和具体。
第一章 绪 论
◇在汽车工程中的应用
第一章 绪 论
◇在海洋工程中的应用
第一章 绪 论
◇在传热学中的应用
第一章 绪 论
◇在传热学中的应用
第一章 绪 论
◇在水力学中的应用
第一章 绪 论
◇在医学中的应用
第一章 绪 论
◇在体育中的应用
第一章 绪 论
◇CFD用来解决的问题
• • • • • • • • • • 稳态/瞬态流动 层流/湍流流动 单相/多相流动 (欧拉多相流，拉格朗日多相流) 不可压流动/可压缩流动 传热/流固共扼传热 表面张力驱动 非牛顿流 多组分流动 燃烧和辐射 化学反应
第一章 绪 论
第三阶段---进一步兴旺发展
1985年Singhal对NHT的现状进行了总结，并提出NHT有 能力求解的十类问题。这十类问题涉及范围十分广泛， 从纯导热问题到气、固、液并存的流动和换热问题。指 出NHT远没有发挥它力所能及的程度，主要原因在于： 计算方法和模型有待完善以及软件使用不够方便和友好。 其中后者是主要原因，其为NHT软件的发展起到了积极 的促进作用。
Adv Appl Mech Annu Rev Fluid Mech J Rheology
2001 Total Impact 2001 Cites factor Articles
728 2Hale Waihona Puke 96 2818第一章 绪 论
为了适应这一变化，使NHT为工业界和科研人员所接受 和掌握，并成为他们改进设计和研究问题的一个有效手 段，1981年CHAM公司把原先局限于帝国理工CFD研究 组应用的PHOENICS软件正式投放市场。开创了CFD/ NHT商用软件的先河。其后商用软件业蓬勃发展，到目 前已有几十种，其中著名的有FLUENT， STAR-CD CFX等。 随着计算机工业的不断发展，NHT逐步由二维向三维、 由规则区域向不规则区域、由正交坐标系向非正交坐 标系发展
第一章 绪 论
试验方法 因问题的不同可以采用不同的试验方法， 主要分为实物试验和模型试验两种方法。 试验实施的关键技术在于： ◆ 权衡相似准则 ◆ 保证边界条件
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计算流体力学 是理论方法与试验方法的结合，是以理论 方法为基础辅以试验方法的一种数值方法。
■ 所谓以理论方法为基础，是以数值差 商代替微商，以数值方程代替微分方 程，以代数运算代替微分运算，最终 得到微分方程在离散点上的数值解。 ■ 所谓辅以试验方法，是指以试验方法 得到某些水动力系数，实现数值方程 组的封闭。
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参考书目
陶文铨《数值传热学》
张廷芳《计算流体力学》
傅德薰《计算流体力学》 J. D. Anderson 《Computational Fluid Dynamics - The Basics with Applications》
第一章 绪 论
参考书目
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Journal Title
流体力学理论方法
理想流体流动 不可压 基本特性 应用研究 伯 努 理 定 理 拉 格 朗 日 定 理 一 元 流 动 可压 粘性流体流动
解析解 近似解 勃拉修斯解
定无 常界 层平 流板 流管 动内 极 慢 滑 动 轴 承 圆 球 绕 流 边 界 层 流 动
平 面 流 动
空 间 流 动
一 元 流 动
平 面 流 动
第一章 绪 论
计算流体力学、理论流体力学、实验流体力学 是流体力学研究工作的三种主要手段――既互 相独立又相辅相成
▲ 理论分析具有普遍性――各种影响因素清晰可 见、为实验和计算研究提供依据 ▲实验研究是研究工作的基石，数值研究的许多 方面都密切依赖于实验研究：实验提供数据；计 算结果需由实验验证；观察实验现象分析实验数 据以建立计算模型等等
第一章 绪 论
1972年SIMPLE算法问世 1974年美国学者Thompson, Thames及Mastin提出采用 微分方程来生成适体坐标的方法(TTM方法)，后来逐 渐形成为CFD/NTH领域的一个重要分支---网格生成 技术
第一章 绪 论
第二阶段---开始走向工业应用阶段
1979年Spalding及其合作者开发的流动与传热问题的大 型通用软件PHOENICS第一版问世。 PHOENICS是英语 Parabolic, Hyperbolic or Elliptic Numerical Intergration Code Series的缩写。 1979年Leonard发表了具有良好稳定性和高精度的 QUICK格式，使数值计算往精益求精的方向迈出了重 要的一步，其后来得到了广泛的认识。 随着NHT不断成功地应用于各种问题，工业界和热科 学领域的研究方法也产生改变，由传统的依靠实验， 转而采用实验和计算并举的方法。
2w 2w 2w ˆ w w w w p u v w 2 2 2 t x y z z y z x
加速度
对流项
压力项
u v w 0 t x y z
粘性项
为使用方便和友好，前后处理软件迅速发展
巨型机的发展促使了并行算法以及人们用数值计算方法 认识湍流现象的可能。如：DNS，LES等。
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第三阶段---进一步兴旺发展
PC机逐渐成为NHT研究领域的一种重要工具，也使NHT更 进一步走向普及。
一批CFD/NHT新教材、参考书和期刊出版或创刊。 Int J Numerical Methods in Heat and Fluids Flow
椭圆型或 椭圆-双曲型(定常) 双曲-抛物型(非定常)
连续方程
状态方程
Rayleigh 方程
p RT
p p D 2 R 3 DR 2 R ( ) v Dt 2 2 Dt L
第一章 绪 论
Euler 方程
( v ) 0 t v ( v v ) p 0 t E [v ( E p )] 0 t E： totale n e rgy r u n i t m ass pe 状态方程 p p ( , e), 理想气体 p ( 1) e
第一章 绪 论
第一阶段---萌芽初创时期 1965年美国科学家Harlow/Welch提出了交错网格 1966年Gentry/Martin/Daly及Barakat/Clark确认 了迎风格式的意义 1966年世界上第一本介绍CFD的刊物Journal of Computational Physics创刊 1967年Patankar和Spalding发表了求解抛物型流动 P-S方法。
第一章 绪 论
解决流体力学问题的方法
理论流体力学
试验流体力学 计算流体力学
理论研究
实践
实验研究
数值模拟
第一章 绪 论
理论方法主要包括：
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