第一章工程流體力學(xué)模型的背景與意義第二章工程流體力學(xué)的基本方程第三章非定常流動(dòng)的建模技術(shù)第四章多相流的建模技術(shù)第五章計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的數(shù)值方法第六章工程流體力學(xué)模型的工程應(yīng)用01第一章工程流體力學(xué)模型的背景與意義第1頁(yè)引言：工程流體力學(xué)的重要性工程流體力學(xué)作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，在現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)中扮演著至關(guān)重要的角色。以2025年全球能源消耗數(shù)據(jù)為例，全球能源消耗量已達(dá)到前所未有的高度，其中約60%的能源消耗與流體力學(xué)密切相關(guān)。例如，水力發(fā)電站作為清潔能源的重要來(lái)源，其效率直接受到流體力學(xué)模型的優(yōu)化影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過精確的流體力學(xué)模型，水力發(fā)電站的效率可以提升5%-10%，這對(duì)于緩解全球能源危機(jī)具有重要意義。此外，高速鐵路的氣動(dòng)阻力優(yōu)化也是流體力學(xué)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。2024年的一項(xiàng)研究表明，通過優(yōu)化列車頭部的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，可以減少高達(dá)15%的氣動(dòng)阻力，從而顯著降低能源消耗。最后，城市排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)同樣依賴于流體力學(xué)模型。一個(gè)合理的排水系統(tǒng)可以避免城市內(nèi)澇，保障城市安全。因此，工程流體力學(xué)在現(xiàn)代社會(huì)中具有不可替代的重要性。第2頁(yè)工程流體力學(xué)的研究對(duì)象與方法流體力學(xué)的基本概念流動(dòng)現(xiàn)象流體與結(jié)構(gòu)的相互作用流體力學(xué)的基本概念是研究流體力學(xué)的基礎(chǔ)，包括流體的定義、分類和基本性質(zhì)。流動(dòng)現(xiàn)象是流體力學(xué)研究的重要內(nèi)容，包括層流、湍流、邊界層流動(dòng)等。流體與結(jié)構(gòu)的相互作用是工程流體力學(xué)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，包括流固耦合振動(dòng)、流致振動(dòng)等。第3頁(yè)工程流體力學(xué)模型的建立步驟確定研究目標(biāo)確定研究目標(biāo)是指明確研究的問題和目的，例如減少飛機(jī)機(jī)翼阻力。收集物理參數(shù)收集物理參數(shù)是指收集與流體相關(guān)的物理參數(shù)，例如密度、粘度等。選擇數(shù)學(xué)框架選擇數(shù)學(xué)框架是指選擇合適的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述流體行為，例如Navier-Stokes方程。模擬驗(yàn)證模擬驗(yàn)證是指通過實(shí)驗(yàn)或計(jì)算驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。第4頁(yè)本章小結(jié)與問題提出總結(jié)工程流體力學(xué)在現(xiàn)代社會(huì)中具有不可替代的重要性。流體力學(xué)模型可以顯著提升能源利用效率。流體力學(xué)模型在多個(gè)工程領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。問題提出如何在極端溫度下保持模型精度？多尺度模型如何處理從微觀到宏觀的轉(zhuǎn)換？新型材料（如石墨烯流體）的建模挑戰(zhàn)。2026年智能交通系統(tǒng)中的流體動(dòng)力學(xué)實(shí)時(shí)模擬需求。02第二章工程流體力學(xué)的基本方程第5頁(yè)引言：流體運(yùn)動(dòng)的描述方式流體運(yùn)動(dòng)的描述方式是工程流體力學(xué)的基礎(chǔ)，主要包括歐拉描述法和拉格朗日描述法。歐拉描述法是將流體視為連續(xù)介質(zhì)，描述流體在空間中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；而拉格朗日描述法則是跟蹤流體粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。這兩種描述方法在工程應(yīng)用中各有優(yōu)劣。例如，在管道流動(dòng)中，歐拉描述法更為常用，因?yàn)樗梢院?jiǎn)化計(jì)算。然而，在研究氣泡上升等非定常流動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，拉格朗日描述法更為適用。因此，選擇合適的描述方法對(duì)于流體力學(xué)模型的建立至關(guān)重要。第6頁(yè)連續(xù)性方程的推導(dǎo)與意義連續(xù)性方程的推導(dǎo)連續(xù)性方程的意義連續(xù)性方程的應(yīng)用連續(xù)性方程的推導(dǎo)基于質(zhì)量守恒定律，通過積分形式推導(dǎo)出微分形式。連續(xù)性方程的意義在于描述了流體質(zhì)量在空間中的分布和變化。連續(xù)性方程在工程應(yīng)用中廣泛用于分析管道流動(dòng)、噴嘴流動(dòng)等。第7頁(yè)動(dòng)量方程與Navier-Stokes方程動(dòng)量方程動(dòng)量方程描述了流體動(dòng)量的變化，是流體力學(xué)的基本方程之一。Navier-Stokes方程N(yùn)avier-Stokes方程是動(dòng)量方程在流體力學(xué)中的應(yīng)用，描述了流體的運(yùn)動(dòng)。流體性質(zhì)流體性質(zhì)對(duì)動(dòng)量方程和Navier-Stokes方程的求解有重要影響。第8頁(yè)能量方程與熱力學(xué)關(guān)聯(lián)能量方程熱力學(xué)關(guān)聯(lián)能量方程的應(yīng)用能量方程描述了流體能量的變化，包括內(nèi)能、動(dòng)能和勢(shì)能。能量方程與熱力學(xué)有密切關(guān)聯(lián)，例如比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)等熱力學(xué)參數(shù)。能量方程在工程應(yīng)用中廣泛用于分析熱傳遞、熱對(duì)流等問題。03第三章非定常流動(dòng)的建模技術(shù)第9頁(yè)引言：非定常流動(dòng)的工程實(shí)例非定常流動(dòng)是指流體的性質(zhì)隨時(shí)間變化的現(xiàn)象，在工程應(yīng)用中廣泛存在。例如，2025年風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片振動(dòng)問題就是一個(gè)典型的非定常流動(dòng)問題。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在旋轉(zhuǎn)過程中，會(huì)受到氣流的作用力，導(dǎo)致葉片振動(dòng)。通過非定常流動(dòng)模型，可以預(yù)測(cè)葉片的振動(dòng)情況，從而優(yōu)化葉片設(shè)計(jì)，減少振動(dòng)，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率。此外，水龍頭開關(guān)過程中的壓力變化也是一個(gè)典型的非定常流動(dòng)問題。當(dāng)水龍頭關(guān)閉時(shí)，水流突然停止，導(dǎo)致管道內(nèi)的壓力迅速變化。通過非定常流動(dòng)模型，可以預(yù)測(cè)壓力變化的情況，從而優(yōu)化水龍頭設(shè)計(jì)，減少水錘現(xiàn)象。因此，非定常流動(dòng)的建模技術(shù)在工程應(yīng)用中具有重要意義。第10頁(yè)拉格朗日方法在非定常流動(dòng)中的應(yīng)用拉格朗日方法應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)拉格朗日方法是一種描述非定常流動(dòng)的方法，通過跟蹤流體粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)描述流體的運(yùn)動(dòng)。拉格朗日方法在研究氣泡上升、液滴運(yùn)動(dòng)等非定常流動(dòng)現(xiàn)象時(shí)尤為適用。拉格朗日方法的優(yōu)點(diǎn)是可以精確描述流體粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，但缺點(diǎn)是計(jì)算量較大。第11頁(yè)時(shí)均法與雷諾時(shí)均方程時(shí)均法時(shí)均法是一種處理非定常流動(dòng)的方法，通過平均流體的性質(zhì)來(lái)描述流體的運(yùn)動(dòng)。雷諾時(shí)均方程雷諾時(shí)均方程是時(shí)均法在流體力學(xué)中的應(yīng)用，描述了流體的平均運(yùn)動(dòng)。湍流模型雷諾時(shí)均方程中使用的湍流模型對(duì)非定常流動(dòng)的描述有重要影響。第12頁(yè)脈動(dòng)流的建模方法脈動(dòng)流建模方法應(yīng)用場(chǎng)景脈動(dòng)流是指流體的性質(zhì)隨時(shí)間周期性變化的現(xiàn)象，例如氣流中的壓力波動(dòng)。脈動(dòng)流的建模方法包括直接數(shù)值模擬（DNS）、大渦模擬（LES）和雷諾平均法（RANS）等。脈動(dòng)流的建模方法在研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片振動(dòng)、燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室等工程問題時(shí)廣泛使用。04第四章多相流的建模技術(shù)第13頁(yè)引言：多相流的工程實(shí)例多相流是指由兩種或多種不同相態(tài)的流體組成的流動(dòng)，在工程應(yīng)用中廣泛存在。例如，2025年煤漿輸送管道堵塞問題就是一個(gè)典型的多相流問題。煤漿輸送管道中的煤漿由煤炭和水組成，其流動(dòng)狀態(tài)受到煤炭顆粒的影響。通過多相流模型，可以預(yù)測(cè)煤漿的流動(dòng)狀態(tài)，從而優(yōu)化管道設(shè)計(jì)，減少堵塞，提高輸送效率。此外，水力壓裂中的多相流也是一個(gè)典型的多相流問題。水力壓裂是一種石油開采技術(shù)，通過注入高壓水來(lái)裂縫地層，從而釋放油氣。通過多相流模型，可以預(yù)測(cè)水力壓裂過程中的流體流動(dòng)狀態(tài)，從而優(yōu)化壓裂工藝，提高油氣開采效率。因此，多相流的建模技術(shù)在工程應(yīng)用中具有重要意義。第14頁(yè)Euler-Euler模型的推導(dǎo)與應(yīng)用Euler-Euler模型推導(dǎo)過程應(yīng)用場(chǎng)景Euler-Euler模型是一種描述多相流的方法，通過將流體視為連續(xù)介質(zhì)來(lái)描述多相流的運(yùn)動(dòng)。Euler-Euler模型的推導(dǎo)基于質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律，推導(dǎo)出多相流的控制方程。Euler-Euler模型在研究水力壓裂、煤漿輸送等多相流問題時(shí)廣泛使用。第15頁(yè)Euler-Lagrange模型的推導(dǎo)與應(yīng)用Euler-Lagrange模型Euler-Lagrange模型是一種描述多相流的方法，通過跟蹤流體粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)描述多相流的運(yùn)動(dòng)。粒子跟蹤Euler-Lagrange模型通過跟蹤流體粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)描述多相流的運(yùn)動(dòng)。應(yīng)用場(chǎng)景Euler-Lagrange模型在研究氣泡上升、液滴運(yùn)動(dòng)等多相流問題時(shí)廣泛使用。第16頁(yè)顆粒-流體相互作用建模顆粒-流體相互作用建模方法應(yīng)用場(chǎng)景顆粒-流體相互作用是多相流建模中的重要問題，包括顆粒與流體的碰撞、摩擦等。顆粒-流體相互作用的建模方法包括彈性碰撞模型、摩擦耦合模型和傳熱模型等。顆粒-流體相互作用的建模方法在研究煤漿輸送、水力壓裂等工程問題時(shí)廣泛使用。05第五章計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的數(shù)值方法第17頁(yè)引言：CFD的工程應(yīng)用現(xiàn)狀計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是一種通過數(shù)值模擬方法研究流體運(yùn)動(dòng)的學(xué)科，在工程應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用。以2025年跨海高鐵氣動(dòng)穩(wěn)定性問題為例，CFD可以模擬氣流與高鐵之間的相互作用，從而預(yù)測(cè)高鐵的氣動(dòng)穩(wěn)定性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過CFD模擬，可以減少高達(dá)15%的氣動(dòng)阻力，從而顯著降低高鐵的能源消耗。此外，CFD在汽車設(shè)計(jì)、航空航天、能源工程等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。因此，CFD在工程應(yīng)用中具有不可替代的重要性。第18頁(yè)有限差分法（FDM）的原理與應(yīng)用有限差分法原理應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)缺點(diǎn)有限差分法原理是將連續(xù)問題離散化求解的方法，通過差分公式近似偏微分方程。有限差分法在模擬管道流動(dòng)、噴嘴流動(dòng)等問題中廣泛使用。有限差分法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是精度有限。第19頁(yè)有限元法（FEM）的原理與應(yīng)用有限元法原理有限元法原理是將連續(xù)問題離散化求解的方法，通過單元?jiǎng)澐趾托魏瘮?shù)構(gòu)建來(lái)近似偏微分方程。應(yīng)用場(chǎng)景有限元法在模擬熱傳導(dǎo)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)等問題中廣泛使用。優(yōu)點(diǎn)有限元法的優(yōu)點(diǎn)是精度高，缺點(diǎn)是計(jì)算復(fù)雜。第20頁(yè)有限體積法（FVM）的原理與應(yīng)用有限體積法原理應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)點(diǎn)有限體積法原理是將連續(xù)問題離散化求解的方法，通過控制體積守恒來(lái)近似偏微分方程。有限體積法在模擬管道流動(dòng)、噴嘴流動(dòng)等問題中廣泛使用。有限體積法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，精度高。06第六章工程流體力學(xué)模型的工程應(yīng)用第21頁(yè)引言：流體力學(xué)模型在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用流體力學(xué)模型在現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)中扮演著至關(guān)重要的角色。以2025年全球能源消耗數(shù)據(jù)為例，全球能源消耗量已達(dá)到前所未有的高度，其中約60%的能源消耗與流體力學(xué)密切相關(guān)。例如，水力發(fā)電站作為清潔能源的重要來(lái)源，其效率直接受到流體力學(xué)模型的優(yōu)化影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過精確的流體力學(xué)模型，水力發(fā)電站的效率可以提升5%-10%，這對(duì)于緩解全球能源危機(jī)具有重要意義。此外，高速鐵路的氣動(dòng)阻力優(yōu)化也是流體力學(xué)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。2024年的一項(xiàng)研究表明，通過優(yōu)化列車頭部的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，可以減少高達(dá)15%的氣動(dòng)阻力，從而顯著降低能源消耗。最后，城市排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)同樣依賴于流體力學(xué)模型。一個(gè)合理的排水系統(tǒng)可以避免城市內(nèi)澇，保障城市安全。因此，工程流體力學(xué)在現(xiàn)代社會(huì)中具有不可替代的重要性。第22頁(yè)航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用案例飛機(jī)翼型設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)模擬飛行器顫振分析飛機(jī)翼型設(shè)計(jì)是航空航天領(lǐng)域流體力學(xué)模型的重要應(yīng)用，通過優(yōu)化翼型形狀可以減少氣動(dòng)阻力，提高飛機(jī)的燃油效率。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)模擬是航空航天領(lǐng)域流體力學(xué)模型的另一重要應(yīng)用，通過模擬發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)情況，可以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。飛行器顫振分析是航空航天領(lǐng)域流體力學(xué)模型的應(yīng)用，通過分析飛行器的顫振情況，可以避免飛行器的顫振現(xiàn)象，提高飛行器的安全性。第23頁(yè)能源工程領(lǐng)域的應(yīng)用案例水力發(fā)電優(yōu)化水力發(fā)電優(yōu)化是能源工程領(lǐng)域流體力學(xué)模型的重要應(yīng)用，通過優(yōu)化水輪機(jī)葉片形狀可以提高水力發(fā)電站的效率。核電站冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)核電站冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)是能源工程領(lǐng)域流體力學(xué)模型的另一重要應(yīng)用，通過設(shè)計(jì)高效的冷卻系統(tǒng)，可以保證核電站的安全運(yùn)行。太陽(yáng)能熱發(fā)電塔氣流模擬太陽(yáng)能熱發(fā)電塔氣流模擬是能源工程領(lǐng)域流體力學(xué)模型的應(yīng)用，通過模擬氣流情況，可以優(yōu)化太陽(yáng)能熱發(fā)電塔的設(shè)計(jì)，提高發(fā)電效率。第24頁(yè)機(jī)械與化工領(lǐng)域的應(yīng)用案例汽車散熱器設(shè)計(jì)化工管道反應(yīng)器模擬風(fēng)力渦輪機(jī)密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)汽車散熱器設(shè)計(jì)是機(jī)械與化工領(lǐng)域流體力學(xué)模型的重要應(yīng)用，通過優(yōu)化散熱器的設(shè)計(jì)，可以提高汽車的動(dòng)力性能。化工管道反應(yīng)器模擬是機(jī)械與化工領(lǐng)域流體力學(xué)模型的另一重要應(yīng)用，通過模擬反應(yīng)器內(nèi)部的流動(dòng)情況，可以優(yōu)化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，提高反應(yīng)效率。風(fēng)力渦輪機(jī)密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)械與化工領(lǐng)域流體力學(xué)模型的應(yīng)用，通過設(shè)計(jì)高效的密封系統(tǒng)，可以減少風(fēng)力渦輪機(jī)的能量損失。07第七章總結(jié)與展望第25頁(yè)