第一章緒論：工程流體力學數(shù)值解法的時代背景與發(fā)展趨勢第二章基礎(chǔ)理論：有限差分法、有限體積法與有限元法的核心機制第三章湍流數(shù)值模擬：雷諾平均法與大渦模擬的工程實踐第四章多相流數(shù)值模擬：氣液、液固與氣固兩相流的工程應(yīng)用第五章高維復(fù)雜問題數(shù)值模擬：多物理場耦合與實時仿真的工程實踐第六章未來趨勢：人工智能、數(shù)字孿生與工程流體力學數(shù)值解法的發(fā)展方向101第一章緒論：工程流體力學數(shù)值解法的時代背景與發(fā)展趨勢第1頁引言：工程流體力學面臨的挑戰(zhàn)復(fù)雜化工程設(shè)計的挑戰(zhàn)案例分析：某超大型風力發(fā)電機葉片氣動載荷分布解析解法的局限性數(shù)據(jù)精度不足導(dǎo)致驗證成本增加國際標準的要求ISO10816-4:2021對大型橋梁抗風性能的要求3第2頁分析：數(shù)值解法的技術(shù)演進路徑有限差分法（FDM）的演進從1976年馮·卡門塔架風洞實驗數(shù)據(jù)首次采用有限體積法（FVM）的演進1995年NASA采用有限體積法優(yōu)化火箭發(fā)射姿態(tài)控制有限元素法（FEM）的演進當前主流方法，在多個工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用4第3頁論證：現(xiàn)代工程案例的數(shù)值方法驗證FDM模擬隧道開挖引起的地下水位變化某橋梁抗風設(shè)計案例RANS與LES模擬橋梁渦激振動的對比某化工廠管道反應(yīng)器設(shè)計案例FVM與LES模擬反應(yīng)器內(nèi)流場分布的對比某城市地鐵隧道施工案例5第4頁總結(jié)：數(shù)值方法的核心優(yōu)勢與局限1）時空任意性（某地鐵隧道施工案例）數(shù)值方法的局限性1）計算資源依賴性（某百米高煙囪模擬）改進方向1）自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)（某橋梁抗風模擬）數(shù)值方法的核心優(yōu)勢602第二章基礎(chǔ)理論：有限差分法、有限體積法與有限元法的核心機制第5頁引言：三種數(shù)值方法的工程應(yīng)用場景有限差分法（FDM）的應(yīng)用場景適用于處理一維滲流問題（某地鐵4號線施工案例）有限體積法（FVM）的應(yīng)用場景適用于模擬復(fù)雜流場邊界條件（某橋梁抗風設(shè)計案例）有限元素法（FEM）的應(yīng)用場景適用于模擬結(jié)構(gòu)變形（某飛機機翼氣動彈性仿真案例）8第6頁分析：三種方法的數(shù)學原理與特性對比有限差分法（FDM）的數(shù)學原理通過差分代替微分實現(xiàn)離散化（某水壩溢洪道模擬案例）有限體積法（FVM）的數(shù)學原理基于控制體積積分的守恒性（某核電冷卻堆芯模擬案例）有限元素法（FEM）的數(shù)學原理通過形函數(shù)構(gòu)建單元插值（某飛機機翼氣動彈性仿真案例）9第7頁論證：不同方法的工程驗證對比某跨海大橋樁基施工案例FDM與FVM模擬土體沉降的對比某地鐵隧道施工案例FDM與FEM模擬襯砌應(yīng)力的對比某港口船舶靠泊案例FVM與LES模擬船舶靠泊響應(yīng)的對比10第8頁總結(jié)：方法選擇準則與混合應(yīng)用策略1）物理問題維度（一維滲流優(yōu)先FDM，三維湍流優(yōu)先FVM/FEM）混合應(yīng)用策略1）CFD-DEM（燃料沸騰）+CFD-FEM（結(jié)構(gòu)應(yīng)力）+ALE（熱傳遞）的混合方法未來趨勢1）AI驅(qū)動的相間傳遞模型（某煉油爐模擬案例）方法選擇準則1103第三章湍流數(shù)值模擬：雷諾平均法與大渦模擬的工程實踐第9頁引言：湍流模擬的工程挑戰(zhàn)與需求工程挑戰(zhàn)案例某百米級高煙囪設(shè)計中的湍流模擬挑戰(zhàn)工程需求案例某風電場葉片設(shè)計中的湍流模擬需求工程應(yīng)用案例某地鐵隧道施工中的湍流模擬需求13第10頁分析：雷諾平均法（RANS）與大渦模擬（LES）的數(shù)學機理與特性對比雷諾平均法（RANS）的數(shù)學機理通過時均方程簡化湍流問題（某城市快速路模擬案例）大渦模擬（LES）的數(shù)學機理通過直接求解大尺度渦（某水輪機尾流模擬案例）特性對比RANS與LES在計算效率和精度上的對比（某飛機機翼氣動彈性仿真案例）14第11頁論證：不同工況下的工程驗證對比某跨海大橋風振分析案例RANS與LES模擬渦激振動的對比某地鐵隧道施工案例RANS與FEM模擬襯砌應(yīng)力的對比某港口船舶靠泊案例RANS與LES模擬船舶靠泊響應(yīng)的對比15第12頁總結(jié)：方法選擇與驗證策略方法選擇1）工程精度要求（抗震設(shè)計優(yōu)先LES，空調(diào)氣流組織優(yōu)先RANS）驗證策略1）CFD-DEM（燃料沸騰）+CFD-FEM（結(jié)構(gòu)應(yīng)力）+ALE（熱傳遞）的混合方法未來趨勢1）AI驅(qū)動的相間傳遞模型（某煉油爐模擬案例）1604第四章多相流數(shù)值模擬：氣液、液固與氣固兩相流的工程應(yīng)用第13頁引言：多相流模擬的工程挑戰(zhàn)與需求某煉油廠重油裂解爐設(shè)計中的多相流模擬挑戰(zhàn)工程需求案例某水電站混流式水輪機設(shè)計中的多相流模擬需求工程應(yīng)用案例某化工廠漿料管道輸送中的多相流模擬需求工程挑戰(zhàn)案例18第14頁分析：不同多相流模型的數(shù)學機理與特性對比通過界面追蹤實現(xiàn)相間傳遞（某煉油爐模擬案例）Eulerian-Eulerian模型的數(shù)學機理基于控制體積積分的守恒性（某水電站模擬案例）Eulerian-Lagrangian模型的數(shù)學機理處理顆粒運動的機理（某水泥窯模擬案例）Vof模型的數(shù)學機理19第15頁論證：不同工況下的工程驗證對比Vof模型與Eulerian-Eulerian模型模擬NOx排放的對比某水電站混流式水輪機設(shè)計案例Vof模型與Eulerian-Lagrangian模型模擬空化數(shù)的對比某化工廠漿料管道輸送案例Vof模型與Eulerian-Eulerian模型模擬壓降的對比某百萬噸乙烯裝置設(shè)計案例20第16頁總結(jié)：方法選擇與驗證策略1）相態(tài)復(fù)雜度（純氣液優(yōu)先Vof，含顆粒優(yōu)先Eulerian-Lagrangian）驗證策略1）PINN（核心區(qū)）+傳統(tǒng)CFD-FEM（邊界層）的混合方法未來趨勢1）AI驅(qū)動的相間傳遞模型（某煉油爐模擬案例）方法選擇2105第五章高維復(fù)雜問題數(shù)值模擬：多物理場耦合與實時仿真的工程實踐第17頁引言：多物理場耦合的工程應(yīng)用場景工程挑戰(zhàn)案例某百萬噸乙烯裝置設(shè)計中的多物理場耦合挑戰(zhàn)工程需求案例某水電站混流式水輪機設(shè)計中的多物理場耦合需求工程應(yīng)用案例某化工廠漿料管道輸送中的多物理場耦合需求23第18頁分析：多物理場耦合的數(shù)學機理與特性對比CFD-DEM模型的數(shù)學機理通過拉格朗日方法處理顆粒運動（某水泥窯模擬案例）CFD-FEM模型的數(shù)學機理通過罰函數(shù)法處理界面（某水輪機模擬案例）ALE模型的數(shù)學機理處理變形網(wǎng)格的機理（某核電站模擬案例）24第19頁論證：不同工況下的工程驗證對比某核電反應(yīng)堆設(shè)計案例CFD-DEM模型與CFD-FEM模型模擬燃料沸騰的對比某水電站混流式水輪機設(shè)計案例CFD-FEM模型與ALE模型模擬結(jié)構(gòu)應(yīng)力的對比某化工廠漿料管道輸送案例CFD-DEM模型與ALE模型模擬壓降的對比25第20頁總結(jié)：方法選擇與驗證策略1）變形程度（大變形優(yōu)先ALE，小變形優(yōu)先FEM）驗證策略1）PINN（核心區(qū)）+傳統(tǒng)CFD-FEM（邊界層）的混合方法未來趨勢1）AI驅(qū)動的耦合模型（某煉油爐模擬案例）方法選擇2606第六章未來趨勢：人工智能、數(shù)字孿生與工程流體力學數(shù)值解法的發(fā)展方向第21頁引言：AI與數(shù)字孿生技術(shù)的工程應(yīng)用場景工程挑戰(zhàn)案例某百萬噸乙烯裝置設(shè)計中的AI代理模型挑戰(zhàn)工程需求案例某水電站混流式水輪機設(shè)計中的AI代理模型需求工程應(yīng)用案例某化工廠漿料管道輸送中的AI代理模型應(yīng)用28第22頁分析：AI在流體力學中的應(yīng)用機制通過最小化數(shù)據(jù)擬合+物理方程殘差（某百萬噸乙烯裝置模擬案例）傳統(tǒng)代理模型對比顯示誤差<5%的情況（某飛機機翼氣動彈性仿真案例）PINN模型的特性對初始條件敏感（某煉油爐模擬顯示初始條件變化±10%導(dǎo)致誤差>15%）基于物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PINN）的AI代理模型29第23頁論證：AI與數(shù)字孿生的工程驗證對比PINN模型與數(shù)字孿生模型模擬燃料沸騰的對比某水電站混流式水輪機設(shè)計案例PINN模型與數(shù)字