第一章流體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)概述第二章二維流體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)分析第三章三維流體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)分析第四章多相流流體動(dòng)力學(xué)分析第五章非牛頓流體流體動(dòng)力學(xué)分析第六章流體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)101第一章流體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)概述第1頁(yè)引言：流體動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用場(chǎng)景流體動(dòng)力學(xué)作為一門研究流體（液體和氣體）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，在工程、環(huán)境、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。以全球每年因海洋航運(yùn)損失約300億美元為例，優(yōu)化船舶設(shè)計(jì)可以顯著減少能耗?，F(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)通過(guò)CFD模擬，能夠在建造前預(yù)測(cè)船舶在不同海況下的性能，從而降低20%的能耗。此外，流體動(dòng)力學(xué)在能源領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。例如，風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)通過(guò)CFD模擬可以提升效率15%，而水力發(fā)電站通過(guò)優(yōu)化渦輪設(shè)計(jì)可以提高發(fā)電效率10%。在環(huán)境領(lǐng)域，流體動(dòng)力學(xué)被用于模擬污染物的擴(kuò)散和治理，如城市污水處理廠的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。在航空航天領(lǐng)域，飛機(jī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)和優(yōu)化依賴于流體動(dòng)力學(xué)的原理，通過(guò)CFD模擬可以預(yù)測(cè)飛機(jī)在不同飛行條件下的升力和阻力，從而提高燃油效率。本章將深入探討流體動(dòng)力學(xué)的基本概念和研究方法，為后續(xù)章節(jié)的分析奠定基礎(chǔ)。3第2頁(yè)流體動(dòng)力學(xué)基本概念納維-斯托克斯方程流體運(yùn)動(dòng)的基本方程判斷流態(tài)（層流/湍流）的關(guān)鍵參數(shù)流體內(nèi)部摩擦力的度量液體表面收縮的趨勢(shì)雷諾數(shù)粘性表面張力4第3頁(yè)流體動(dòng)力學(xué)研究方法計(jì)算流體力學(xué)（CFD）通過(guò)數(shù)值模擬研究流體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)通過(guò)風(fēng)洞和水槽等設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)理論流體力學(xué)通過(guò)解析解研究流體運(yùn)動(dòng)5第4頁(yè)本章總結(jié)流體動(dòng)力學(xué)的基本概念流體動(dòng)力學(xué)的研究方法納維-斯托克斯方程是流體動(dòng)力學(xué)的基本方程，描述了流體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律。雷諾數(shù)是判斷流態(tài)（層流/湍流）的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)流體運(yùn)動(dòng)有重要影響。粘性和表面張力是流體內(nèi)部摩擦力和液體表面收縮的趨勢(shì)，對(duì)流體行為有顯著影響。CFD通過(guò)數(shù)值模擬研究流體運(yùn)動(dòng)，具有高效、靈活的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)通過(guò)風(fēng)洞和水槽等設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠提供實(shí)際流體運(yùn)動(dòng)的直觀數(shù)據(jù)。理論流體力學(xué)通過(guò)解析解研究流體運(yùn)動(dòng)，具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摶A(chǔ)。602第二章二維流體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)分析第5頁(yè)引言：淺水波模擬案例淺水波模擬在預(yù)測(cè)水位變化中有著廣泛的應(yīng)用。以亞馬遜河為例，通過(guò)二維淺水波模型可以預(yù)測(cè)水位變化，為防洪提供重要數(shù)據(jù)。淺水波方程（ShallowWaterEquations）的簡(jiǎn)化假設(shè)使其適用于描述水深較淺的流體運(yùn)動(dòng)。在模擬過(guò)程中，可以通過(guò)二維網(wǎng)格模型展示水流從高水位區(qū)域向低水位區(qū)域流動(dòng)的過(guò)程，并標(biāo)注流速梯度。此外，淺水波模型還可以用于預(yù)測(cè)堤壩潰決風(fēng)險(xiǎn)，如虛擬潰壩實(shí)驗(yàn)中，潰壩波速可達(dá)15m/s。淺水波模型的應(yīng)用不僅限于防洪，還可以用于水利工程、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。8第6頁(yè)淺水波方程推導(dǎo)描述流體質(zhì)量守恒的方程動(dòng)量方程描述流體動(dòng)量變化的方程簡(jiǎn)化假設(shè)忽略粘性和表面張力的影響連續(xù)性方程9第7頁(yè)數(shù)值模擬方法有限差分法（FDM）通過(guò)離散化求解偏微分方程有限體積法（FVM）通過(guò)控制體積積分求解偏微分方程有限元法（FEM）通過(guò)將求解區(qū)域劃分為小單元求解偏微分方程10第8頁(yè)本章總結(jié)淺水波模型的應(yīng)用數(shù)值模擬方法淺水波模型可以預(yù)測(cè)水位變化，為防洪提供重要數(shù)據(jù)。淺水波模型還可以用于預(yù)測(cè)堤壩潰決風(fēng)險(xiǎn)，如虛擬潰壩實(shí)驗(yàn)中，潰壩波速可達(dá)15m/s。有限差分法（FDM）通過(guò)離散化求解偏微分方程。有限體積法（FVM）通過(guò)控制體積積分求解偏微分方程。有限元法（FEM）通過(guò)將求解區(qū)域劃分為小單元求解偏微分方程。1103第三章三維流體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)分析第9頁(yè)引言：潛艇水動(dòng)力案例潛艇水動(dòng)力在潛艇設(shè)計(jì)中的應(yīng)用至關(guān)重要。以美國(guó)海狼級(jí)潛艇為例，通過(guò)三維流體動(dòng)力學(xué)模型可以預(yù)測(cè)潛艇在不同海況下的性能，從而提高潛艇的隱蔽性和作戰(zhàn)能力。在模擬過(guò)程中，可以通過(guò)三維網(wǎng)格模型展示潛艇周圍的流場(chǎng)，并標(biāo)注不同角度的升力系數(shù)變化。此外，潛艇運(yùn)動(dòng)方程（六自由度模型）可以描述潛艇的縱向運(yùn)動(dòng)、橫向運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的耦合關(guān)系，為潛艇設(shè)計(jì)提供重要數(shù)據(jù)。13第10頁(yè)三維流體動(dòng)力學(xué)方程描述三維不可壓縮流體的運(yùn)動(dòng)湍流模型描述湍流現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型多參考系方法處理旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)方法納維-斯托克斯方程14第11頁(yè)數(shù)值模擬挑戰(zhàn)計(jì)算成本高三維模型需要大量的計(jì)算資源網(wǎng)格質(zhì)量要求嚴(yán)格需要高質(zhì)量的網(wǎng)格才能達(dá)到精度要求模型驗(yàn)證難度大需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型15第12頁(yè)本章總結(jié)三維流體動(dòng)力學(xué)方程數(shù)值模擬挑戰(zhàn)納維-斯托克斯方程描述了三維不可壓縮流體的運(yùn)動(dòng)。湍流模型描述了湍流現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型。多參考系方法處理旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)方法。三維模型需要大量的計(jì)算資源。需要高質(zhì)量的網(wǎng)格才能達(dá)到精度要求。需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型。1604第四章多相流流體動(dòng)力學(xué)分析第13頁(yè)引言：氣泡兩相流案例氣泡兩相流在核電站冷卻池、啤酒發(fā)酵等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。以核電站冷卻池為例，通過(guò)氣泡兩相流模型可以預(yù)測(cè)冷卻池中氣泡的上升速度和分布，從而優(yōu)化冷卻池的設(shè)計(jì)。在模擬過(guò)程中，可以通過(guò)三維網(wǎng)格模型展示氣泡在冷卻池中的運(yùn)動(dòng)軌跡，并標(biāo)注不同直徑氣泡的終端速度。此外，氣泡兩相流模型還可以用于預(yù)測(cè)氣泡聚并和破碎的過(guò)程，為冷卻池的設(shè)計(jì)提供重要數(shù)據(jù)。18第14頁(yè)兩相流模型推導(dǎo)描述兩相流的連續(xù)性和動(dòng)量方程歐拉-拉格朗日模型描述兩相流的粒子軌跡赫克特模型描述非牛頓流體的行為歐拉-歐拉模型19第15頁(yè)數(shù)值模擬方法歐拉-歐拉模型描述兩相流的連續(xù)性和動(dòng)量方程歐拉-拉格朗日模型描述兩相流的粒子軌跡赫克特模型描述非牛頓流體的行為20第16頁(yè)本章總結(jié)兩相流模型的應(yīng)用數(shù)值模擬方法歐拉-歐拉模型描述兩相流的連續(xù)性和動(dòng)量方程。歐拉-拉格朗日模型描述兩相流的粒子軌跡。赫克特模型描述非牛頓流體的行為。歐拉-歐拉模型通過(guò)離散化求解偏微分方程。歐拉-拉格朗日模型通過(guò)跟蹤粒子軌跡求解偏微分方程。赫克特模型通過(guò)描述非牛頓流體的行為求解偏微分方程。2105第五章非牛頓流體流體動(dòng)力學(xué)分析第17頁(yè)引言：高分子聚合物熔體案例高分子聚合物熔體在注塑成型、擠出成型等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。以聚丙烯（PP）注塑成型為例，通過(guò)非牛頓流體模型可以預(yù)測(cè)熔體在模具中的流動(dòng)行為，從而優(yōu)化注塑成型工藝。在模擬過(guò)程中，可以通過(guò)三維網(wǎng)格模型展示熔體在模具中的流動(dòng)軌跡，并標(biāo)注不同區(qū)域的剪切速率。此外，非牛頓流體模型還可以用于預(yù)測(cè)熔體的剪切稀化現(xiàn)象，為注塑成型工藝提供重要數(shù)據(jù)。23第18頁(yè)非牛頓流體本構(gòu)模型冪律模型描述剪切稀化流體的行為賓漢模型描述屈服應(yīng)力的流體行為赫克特模型描述非牛頓流體的行為24第19頁(yè)數(shù)值模擬方法冪律模型描述剪切稀化流體的行為賓漢模型描述屈服應(yīng)力的流體行為赫克特模型描述非牛頓流體的行為25第20頁(yè)本章總結(jié)非牛頓流體的本構(gòu)模型數(shù)值模擬方法冪律模型描述剪切稀化流體的行為。賓漢模型描述屈服應(yīng)力的流體行為。赫克特模型描述非牛頓流體的行為。冪律模型通過(guò)離散化求解偏微分方程。賓漢模型通過(guò)跟蹤粒子軌跡求解偏微分方程。赫克特模型通過(guò)描述非牛頓流體的行為求解偏微分方程。2606第六章流體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)第21頁(yè)引言：風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片案例風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電效率至關(guān)重要。以中國(guó)三峽風(fēng)機(jī)為例，通過(guò)CFD模擬可以預(yù)測(cè)葉片在不同風(fēng)速下的性能，從而優(yōu)化葉片設(shè)計(jì)。在模擬過(guò)程中，可以通過(guò)三維網(wǎng)格模型展示葉片周圍的流場(chǎng)，并標(biāo)注不同角度的升力系數(shù)變化。此外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)流程包括翼型選擇、葉片形狀優(yōu)化和氣動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)，通過(guò)CFD模擬可以優(yōu)化葉片的氣動(dòng)性能，提高風(fēng)力發(fā)電效率。28第22頁(yè)葉片翼型設(shè)計(jì)常見(jiàn)的翼型系列之一DU系列另一種常見(jiàn)的翼型系列RA系列適用于特定應(yīng)用場(chǎng)合的翼型系列NACA系列29第23頁(yè)葉片形狀優(yōu)化參數(shù)化建模通過(guò)參數(shù)化方法優(yōu)化葉片形狀遺傳算法通過(guò)遺傳算法優(yōu)化葉片形狀拓?fù)鋬?yōu)化通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化方法優(yōu)化葉片形狀30第24頁(yè)本章總結(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的設(shè)計(jì)葉片形狀優(yōu)化方法通過(guò)CFD模擬可以預(yù)測(cè)葉片在不同風(fēng)速下的性能。通過(guò)優(yōu)化葉片的氣動(dòng)性能，提高風(fēng)力發(fā)電效率。參數(shù)化建模通過(guò)參數(shù)化方法優(yōu)化葉片形狀。遺傳算法通過(guò)遺傳算法優(yōu)化葉片形狀。拓?fù)鋬?yōu)化通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化方法優(yōu)化葉