2013年6月飛行器流動仿真ComputationalFluidDynamicsTheBasicswithApplications課程概述性質(zhì)：專業(yè)選修課地位：現(xiàn)代飛行器工程設(shè)計必備知識學(xué)分：2教材：約翰D安德森.計算流體力學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用.機械工業(yè)出版社，2007先修課程：有關(guān)流體力學(xué)課程（黏性流體力學(xué)、氣體動力學(xué)、工程流體力學(xué)基礎(chǔ)等）教學(xué)目標(biāo)了解流動數(shù)值模擬的作用和方法；掌握流體力學(xué)控制方程組的各種形式及其物理意義；掌握有限差分離散的基本格式和實施步驟；掌握網(wǎng)格生成和數(shù)據(jù)處理的基本方法。教學(xué)基本要求掌握有限差分離散基本格式和實施步驟，掌握網(wǎng)格生成和數(shù)據(jù)繪圖處理的基本方法；編寫擬一維噴管流動的數(shù)值模擬程序；掌握流動數(shù)值仿真程序的調(diào)試手段與技巧。考核方式平時成績30%：課堂筆記、作業(yè)；考試成績70%：面試編程計算。第1章緒論第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程一、現(xiàn)代飛行器流動的復(fù)雜性二、解決飛行器流動問題的方法三、計算流體力學(xué)的作用四、計算流體力學(xué)的應(yīng)用范圍第1.2節(jié)課程的主要內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法一、課程主要內(nèi)容二、課程學(xué)習(xí)方法第1章緒論第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程一、現(xiàn)代飛行器流動的復(fù)雜性工質(zhì)流過推進(jìn)裝置內(nèi)部航天飛機飛行器火箭導(dǎo)彈飛機載人飛船大氣層內(nèi)大氣層外空氣流過飛行器周圍外流繞流流場內(nèi)流內(nèi)部流場第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程高穩(wěn)定性飛行器追求目標(biāo)高升阻比高推重比高速高效外流內(nèi)流極為復(fù)雜推進(jìn)劑或燃料燃燒三維流動非定常流動復(fù)雜流動邊界空氣離解、電離高超聲速高溫效應(yīng)復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)美國空天飛機示意圖民用飛機直升機航天飛機第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程航空發(fā)動機液體火箭火箭發(fā)射第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程二、解決飛行器流動問題的方法飛行器性能預(yù)測和工程設(shè)計深刻理解外流、內(nèi)流的現(xiàn)象、影響因素及其與飛行器的相互作用理論流體力學(xué)用基本概念、基本定律和數(shù)學(xué)工具分析流動，以主要影響因素為研究對象抽象出流動模型，通過定量分析獲得一般規(guī)律。無法獲得復(fù)雜流動的解析解所起作用有限第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程二、解決飛行器流動問題的方法飛行器性能預(yù)測和工程設(shè)計深刻理解外流、內(nèi)流的現(xiàn)象、影響因素及其與飛行器的相互作用實驗流體力學(xué)通過測量、顯示等技術(shù)提供感性知識和定量數(shù)據(jù)，分析流動規(guī)律。費時費力，無法獲得流場任意細(xì)節(jié)，受設(shè)備、測量儀器等限制有些實驗無法開展。第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程二、解決飛行器流動問題的方法飛行器性能預(yù)測和工程設(shè)計深刻理解外流、內(nèi)流的現(xiàn)象、影響因素及其與飛行器的相互作用計算流體力學(xué)用某種離散方法將偏微分控制方程組轉(zhuǎn)化為離散方程組，可求解復(fù)雜流動規(guī)律。必須經(jīng)過理論或?qū)嶒灥尿炞C第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程二、解決飛行器流動問題的方法深刻理解流動現(xiàn)象、影響因素及其與飛行器的相互作用計算流體力學(xué)實驗流體力學(xué)理論流體力學(xué)第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用CFD的作用研究工具提供設(shè)計所需數(shù)據(jù)設(shè)計工具數(shù)值實驗研究研究工具數(shù)值風(fēng)洞可保證實驗條件完全相同的“吹風(fēng)”實驗，真正的風(fēng)洞實驗常常難以實現(xiàn)。第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用研究工具觀察流動現(xiàn)象激波管問題二維無黏Euler方程，三階MUSCL和AUSMPW+迎風(fēng)格式非定常流動第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程突然抽開隔板三、計算流體力學(xué)的作用研究工具觀察流動現(xiàn)象密度：有接觸間斷壓強：無接觸間斷第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用研究工具觀察流動現(xiàn)象Emery問題二維無黏Euler方程，三階MUSCL和AUSMPW+迎風(fēng)格式定常流動第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用研究工具觀察流動現(xiàn)象密度馬赫數(shù)第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用研究工具膛口流場二維軸對稱無黏含化學(xué)反應(yīng)Euler方程三階MUSCL和AUSMPW+迎風(fēng)格式觀察流動現(xiàn)象第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用研究工具觀察流動現(xiàn)象溫度馬赫數(shù)第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用研究工具觀察流動現(xiàn)象溫度馬赫數(shù)膛口流場（含運動彈丸）第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用研究工具觀察流動現(xiàn)象CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)膛口流場（含運動彈丸）第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用研究工具觀察流動現(xiàn)象旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機典型流場結(jié)構(gòu)第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用研究工具觀察流動現(xiàn)象溫度二維計算（剪開的環(huán)形燃燒室）第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用研究工具觀察流動現(xiàn)象壓強二維計算（剪開的環(huán)形燃燒室）第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用研究工具觀察流動現(xiàn)象H2質(zhì)量分?jǐn)?shù)二維計算（剪開的環(huán)形燃燒室）第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用研究工具觀察流動現(xiàn)象溫度三維計算第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用研究工具觀察流動現(xiàn)象壓強三維計算第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用研究工具可以輕松獲得層流與湍流的差別，只需在計算時關(guān)閉和打開湍流模型選項即可。a)層流b)湍流第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用研究工具有助于解釋、甚至確認(rèn)流動現(xiàn)象。湍流計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)一致

第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用提供設(shè)計所需數(shù)據(jù)設(shè)計工具對飛行器新設(shè)計方案進(jìn)行流場數(shù)值模擬，可以仔細(xì)觀察波系結(jié)構(gòu)、分離流、漩渦等流動情況，獲得飛行軌跡計算所需的氣動力等參數(shù)。第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用提供設(shè)計所需數(shù)據(jù)設(shè)計工具NorthropF-20全機表面壓力系數(shù)等值線分布第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用提供設(shè)計所需數(shù)據(jù)設(shè)計工具NorthropF-20全機繞流的機翼渦第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用提供設(shè)計所需數(shù)據(jù)設(shè)計工具風(fēng)洞中的M6跨聲速機翼表面與側(cè)面上的壓強云圖第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程三、計算流體力學(xué)的作用提供設(shè)計所需數(shù)據(jù)設(shè)計工具不同攻角距彈底0.5D截面處壓強分布弧形翼彈箭表面壓強云圖

第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程四、計算流體力學(xué)的應(yīng)用范圍

汽車發(fā)動機工業(yè)制造土木工程環(huán)境工程航空宇航推進(jìn)裝置應(yīng)用極其廣泛參見教材實例第1.1節(jié)為什么學(xué)習(xí)本課程第1章緒論第1.2節(jié)課程的主要內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法一、課程主要內(nèi)容第2章流體力學(xué)控制方程組控制方程組形式與區(qū)別、封閉與物理邊界條件第4章控制方程組離散化的基本方法有限差分、差分方程、誤差與穩(wěn)定性分析必要的流體力學(xué)基礎(chǔ)第3章控制方程組的數(shù)學(xué)性質(zhì)及其對CFD的影響特征線，偏微分方程分類，偏微分方程性質(zhì)必要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)必要的有限差分基礎(chǔ)第7章擬一維噴管流動的數(shù)值模擬亞聲速—超聲速等熵流、全亞聲速等熵流、含激波流動必要的連續(xù)求解域離散基礎(chǔ)典型CFD方法的學(xué)習(xí)CFD知識的應(yīng)用第5章網(wǎng)格生成與坐標(biāo)變換笛卡爾直角網(wǎng)格，曲線貼體網(wǎng)格，方程變換第6章計算流體力學(xué)的基本方法Lax-Wendroff法、MacCormack法、壓力修正法、有限體積法第1.2節(jié)課程的主要內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法二、課程學(xué)習(xí)方法理解并掌握流體力學(xué)控制方程組的基本形式和性質(zhì)掌握幾種經(jīng)典的數(shù)值格式通過噴管流動數(shù)值模擬，建立初步的CFD能力：準(zhǔn)確提出流動模型：合理簡化、適定性考慮生成高質(zhì)量的網(wǎng)格選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)值格