計算流體力學(xué)

(ComputationalFluidDynamics)

課程代碼：02410028

學(xué)分：2

學(xué)時：32（其中：課堂教學(xué)學(xué)時：32實(shí)驗(yàn)學(xué)時：0上機(jī)學(xué)時：0課程實(shí)踐學(xué)時：0）

先修課程：微積分、線性代數(shù)、物理、流體力學(xué)等

適用專業(yè)：能源與動力工程等專業(yè)

教材：計算流體力學(xué)及應(yīng)用；中國人民總裝備部軍事訓(xùn)練教材編輯工作委員會；國防工業(yè)出

版社；2003年

一、課程性質(zhì)與課程目標(biāo)

（-）課程性質(zhì)（需說明課程對人才培養(yǎng)方面的貢獻(xiàn)）

本課程是能源與動力工程（流體機(jī)械及工程）專業(yè)的一門主要的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程主要介紹

流體力學(xué)問題的計算機(jī)數(shù)值計算方法，包括計算流體力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、控制方程、離散化方法、有

限差分法、單元與插值函數(shù)、流體力學(xué)典型問題的數(shù)值分析等。使學(xué)生掌握計算流體力學(xué)的基礎(chǔ)理

論、方法和技能，為今后從事本專業(yè)的科學(xué)研究工作和工程技術(shù)工作打下基礎(chǔ)。

（二）課程目標(biāo)（根據(jù)課程特點(diǎn)和對畢業(yè)要求的貢獻(xiàn)，確定課程目標(biāo)。應(yīng)包括知識目標(biāo)和能力

目標(biāo)。）

總目標(biāo)

在學(xué)習(xí)完本課程后，學(xué)生應(yīng)該應(yīng)掌握以下技能：（1）熟悉流動現(xiàn)象的微分方程和近似求解的數(shù)

值方法，并且能設(shè)計數(shù)值解決方案，使用和開發(fā)流動模擬軟件對工程和科學(xué)的領(lǐng)域中的重要流動現(xiàn)

象進(jìn)行模擬；（二）能夠通過建立正確合理的數(shù)學(xué)模型，選擇有效的計算方法進(jìn)行流動模擬；（三）

利用現(xiàn)有的最佳模型進(jìn)行數(shù)值模擬，對模擬結(jié)果進(jìn)行合理分析評價，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)和將來從

事科學(xué)研究和專業(yè)技術(shù)工作打下良好基礎(chǔ)。

階段目標(biāo)

1.理解對于可壓，不可壓，粘性及無粘流體流動的基本流體力學(xué)控制方程的數(shù)學(xué)描述及數(shù)學(xué)

特性。

2.對數(shù)值分析中穩(wěn)定性，逼近和收斂性和代數(shù)方程組的數(shù)值解的概念和基本原則有深刻的理

解.

3.了解對于可壓及不可壓流體流動的數(shù)值模擬求解方法及在工程實(shí)踐基礎(chǔ)研究中的應(yīng)川。

4.理解數(shù)值模擬的原理和技術(shù)，并且明白模擬的局限性。

5.通過商用CFD軟件包（ANSYS或COMSOL）,解決實(shí)際工程問題。

二、課程內(nèi)容與教學(xué)要求（按章撰寫）

第一章計算流體力學(xué)的基本原理（2學(xué)時）

（一）課程內(nèi)容

1.什么是計算流體力學(xué)

2.計算流體力學(xué)的工作步驟

3.計算流體力學(xué)解決的問題

4.計算流體力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域

（-）教學(xué)要求

1.了解計算流體力學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)知識。

2.掌握計算流體力學(xué)的工作步驟。

（三）重點(diǎn)與難點(diǎn)（若不單獨(dú)列出，需在教學(xué)要求中適當(dāng)注明）

第二章流體力學(xué)的控制方程組（4學(xué)時）

（一）課程內(nèi)容

1.流動模型

2.連續(xù)性方程

3.動量方程

4.能量方程

5.流體力學(xué)控方程的控制與注釋

6.物理邊界條件

（二）教學(xué)要求

1.掌握流動模型分析方法

2.學(xué)習(xí)物質(zhì)導(dǎo)數(shù)、速度散度定義、旋度定義及其各自物理意義

3.掌握三大控制方程的推導(dǎo)基礎(chǔ)及推導(dǎo)過程

4.掌握守恒性方程和非守恒性方程的區(qū)別及各自的優(yōu)點(diǎn)

5.學(xué)習(xí)常用的幾種控制方程簡化形式

6.學(xué)習(xí)控制方程組的封閉條件和邊界條件

（三）重點(diǎn)與難點(diǎn)（若不單獨(dú)列出,需在教學(xué)要求中適當(dāng)注明）

第三章偏微分方程的數(shù)學(xué)性質(zhì)對CFD的影響（4學(xué)時）

（一）課程內(nèi)容

1.擬線性偏微分方程的分類

2.確定偏微分方程的特征值法

3.不同偏微分方程的一般性質(zhì)

4.定解問題的適定性

（二）教學(xué)要求

1.掌握擬線性偏微分方程的分類

2.學(xué)習(xí)擬線性偏微分方程分類的基本方法-克萊默法則

3.學(xué)習(xí)擬線性偏微分方程分類的方法二-特征值法

4.掌握雙曲型方程的形式、特點(diǎn)及代表性方程

5.掌握拋物型方程的形式、特點(diǎn)及代表性方程

6.掌握橢圓型方程的形式、特點(diǎn)及代表性方程

（三）重點(diǎn)與難點(diǎn)（若不單獨(dú)列出，需在教學(xué)要求中適當(dāng)注明）

第四章離散化的基本方法（4學(xué)時）

（一）課程內(nèi)容

1.有限差分基礎(chǔ)

2.差分方程

3.顯示方法與隱式方法

4.誤差與穩(wěn)定性分析

（二）教學(xué)要求

1.掌握有限差分的基本思想

2.學(xué)習(xí)各階導(dǎo)數(shù)的不同差分格式的推導(dǎo)及其各自的特點(diǎn)

3.學(xué)習(xí)差分方程和偏微分方程的相容關(guān)系

4.掌握顯式方法的形式和特點(diǎn)

5.掌握隱式方法的形式和特點(diǎn)

6.掌握顯式和隱式方法的誤差和穩(wěn)定性分析方法

（三）重點(diǎn)與難點(diǎn)（若不單獨(dú)列出，需在教學(xué)要求中適當(dāng)注明）

第五章網(wǎng)格生成與坐標(biāo)變換（6學(xué)時）

（一）課程內(nèi)容

1.方程的一般變換

2.度量和雅可比行列式

3.網(wǎng)格生成技術(shù)

4.自適應(yīng)網(wǎng)格

（二）教學(xué)要求

1.掌握網(wǎng)格的一般變換方法

2.學(xué)習(xí)度量和雅可比行列式的計算和使用

3.學(xué)習(xí)拉伸（壓縮）網(wǎng)格的生成和使

4.學(xué)習(xí)貼體坐標(biāo)系（橢圓型網(wǎng)格）的生成和使用

5.學(xué)習(xí)自適應(yīng)網(wǎng)格的生成及使用

6.了解網(wǎng)格技術(shù)的最新進(jìn)展以及網(wǎng)格類型的分類

（三）重點(diǎn)與難點(diǎn)（若不單獨(dú)列出，需在教學(xué)要求中適當(dāng)注明）

第六章計算流體力學(xué)的基本方法（6學(xué)時）

（一）課程內(nèi)容

1.Lax-Wcndroff方法

2.MacCormack方法

3.粘性流動、守恒形式及空間推進(jìn)

4.松弛法及其在低速無粘流動中的應(yīng)用

5.數(shù)值耗散、色散及人工粘性

6.交替方向隱式方法

7.壓力修正法及其在不可壓縮流動中的應(yīng)用

8.CFI）的計算機(jī)可視化技術(shù)

（二）教學(xué)要求

1.掌握拉克斯-溫德羅夫方法

2.學(xué)習(xí)麥考馬克方法的內(nèi)容和特點(diǎn)

3.學(xué)習(xí)松弛法及其在低速無粘流動中的應(yīng)用

4.掌握數(shù)值耗散、色散及人工粘性的定義及特點(diǎn)

5.掌握交替方向隱式（ADI）方法

6.掌握壓力修正法的基本思想和方法

7.掌握計算機(jī)繪圖的類型及其各自特點(diǎn)

（三）重點(diǎn)與難點(diǎn)（若不單獨(dú)列出，需在教學(xué)要求中適當(dāng)注明）

第七章計算流體力學(xué)的應(yīng)用（6學(xué)時）

（一）課程內(nèi)容

1.通用商業(yè)軟件包介紹

2.二維空腔流動的求解應(yīng)用實(shí)例

3.多相流數(shù)值求解應(yīng)用實(shí)例

4.泵內(nèi)復(fù)雜流場求解應(yīng)用實(shí)例

（二）教學(xué)要求

1.掌握運(yùn)用商'業(yè)軟件解決包括空腔流動，多相流，泵內(nèi)穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)流動的工程實(shí)例。

（三）重點(diǎn)與難點(diǎn)（若不單獨(dú)列出，需在教學(xué)要求中適當(dāng)注明）

四、學(xué)時分配及教學(xué)方法

章

教學(xué)形式及學(xué)時分配主要教學(xué)方法支撐的課程目標(biāo)

（按序填寫）

課堂實(shí)上課程小

教學(xué)驗(yàn)機(jī)實(shí)踐計

第一章22講授法階段目標(biāo)

第二章44講授法階段目標(biāo)

第三章44講授法、討論法階段目標(biāo)

講授法、研究型教學(xué)階段目標(biāo)

第四章44

方法

第五章66講授法階段目標(biāo)

第六章66講授法、、演示法階段目標(biāo)

第七章66講授法、演示法階段目標(biāo)

合計3232

注：1.課程實(shí)踐學(xué)時按相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)計劃列入表格；

2.主要教學(xué)方法包括講授法、討論法、演示法、研究型教學(xué)方法（基于問題、項(xiàng)目、案例

等教學(xué)方法）等。

五、課程考核

考核形式考核要求考核權(quán)重備注

課后作業(yè)完成10-15個習(xí)題，

主要考核學(xué)生對每節(jié)課知識

點(diǎn)的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，

占平時成績的30%。此外，

平時成績40%

每個學(xué)生需通過商業(yè)軟件完

成一個以工程應(yīng)用為背景的

模擬分析，并作口頭發(fā)表，比

大作業(yè)占平時成績的70%o

試卷題型包括簡答題和綜合

分析應(yīng)用題等，以卷面成績的

期末考試60%計入課程總成績。其中考60%

核基礎(chǔ)知識型題目占60%,

考核應(yīng)用實(shí)例綜合分析與驗(yàn)

證的能力題目占40%o

注：1.分學(xué)期設(shè)置和考核的課程應(yīng)按學(xué)期分別填寫上表。

2.考核形式主要包括課堂表現(xiàn)、平時作業(yè)、階段測試、期中考試、期末考試、大作業(yè)、小

論文、項(xiàng)目設(shè)計和作品等。

3.考核要求包括作業(yè)次數(shù)、考