计算流体力学  080103M04001H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:专业核心课 | 任课教师:李新亮,申义庆
授课时间: 星期四,第5、6、7 节
授课地点: 教一楼009
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16
课程编号: 080103M04001H 课时: 60 学分: 3.00
课程属性: 专业核心课 主讲教师:李新亮,申义庆 助教:
英文名称: Computational Fluid Dynamics 召集人:

教学目的、要求

本课程包含基础及应用两个部分。基础部分讲述流体力学方程组及其物理含义,双曲型方程组的数理性质,有限差分法及有限体积法的理论基础及计算方法等;应用部分介绍国内外当前流行的高速流动和不可压缩流动的主要解法,网格生成技术,湍流计算以及计算流体力学当前的热点问题、新方法及发展动向等。此外还介绍了并行计算的基础知识。
通过学习这一课程,可对计算流体力学有一个系统深入的理解,并具有一定的理论基础和解决实际问题的能力。 同时,在这一课程中也注意把课程学习和研究所的工作结合起来,使学生到研究所后能立即开展和计算流体力学有关的研究工作。力求学生们学完该课程后,能够独立编写计算流体力学程序。

预修课程

流体力学;空气动力学;偏微分方程数值解法

教 材

1. J. Blazek, Computational Fluid Dynamics. Principles and Applications, Elsevier,2005. 
2. 计算流体力学 (傅德薰、马延文) 高等教育出版社,2002.

主要内容

第一讲 引论及流体力学基本方程
   1.1 计算流体力学简述
1.2 流体力学基本方程

第二讲 双曲型方程及其间断解 (重点内容)
2.1 偏微方程的分类及特征
2.2 双曲型方程组的初边值问题
2.3 Riemann 间断解

第三讲 有限差分法 (1)差分方法基本理论
3.1 差分方法基本概念
3.2 线性差分格式
3.2 差分方法理论基础

第四讲 有限差分法(2)高精度激波捕捉格式   (重点内容)
  
      4.1 人工粘性方法
4.2 TVD格式
      4.3 群速度控制格式
      4.4 其他高精度激波捕捉格式简介

第五讲 有限差分法(3)通量技术及时间推进
     5.1通量分裂技术
     5.2时间推进方法

第六讲 有限差分法(4)WENO格式及粘性项离散方法研究进展
     6.1 WENO格式研究进展
6.2 激波判别方法及混合格式研究
6.3 粘性项高精度离散方法

第七讲 有限体积法(1): 有限体积法概述(重点内容)
7.1 结构网格有限体积法      
7.2 边界条件及网格分块
7.3 非结构网格有限体积法

第八讲 有限体积法(2): 高精度有限体积方法及间断有限元
 
8.1 通量技术
  8.2 加速收敛技术
  8.3 新型计算方法简介(间断有限元法、直角网格法等)

第九讲 代数方程组求解及网格生成
     9.1 代数方程组求解技术
     9.2 网格生成

第十讲 常微分方程数值解法
   10.1 单步法(Runge-Kutta方法)
10.2 线性多步法
10.3 刚性常微分方程数值解法

第十一讲 不可压缩NS方程求解
     11.1 不可压缩NS方程的特点
     11.2 人工压缩法
     11.3 压力Poisson方程法
     11.4 涡流函数法
     11.5 SIMPLE法

第十二讲 湍流与转捩 (1)  (重点内容)
      12.1 流动稳定性
      12.2 转捩预测方法
      12.3 湍流模式理论(RANS)
      12.4   大涡模拟(LES)

第十三讲  湍流与转捩(2)         
      13.1  直接数值模拟(DNS)
      13.2   湍流及转捩过程中的拟序结构


第十四讲 并行程序设计初步(1)   (重点内容)
14.1 基本概念
14.2 MPI并行编程入门     

第十五讲 并行程序设计初步(2)
  15.1 MPI并行程序设计
  15.2 OpenMP程序设计

第十六讲 程序设计实践
   16.1  CFD中验证与确认
   16.2  CFD程序设计实践

教学手段与方法:以课堂讲授为主、配合课程结合实例进行编程练习。安排一到两次以编程解决实际问题为主的大作业。
考核方式:闭卷考试与开卷考试结合。

参考文献

1.计算流体力学方法及应用 (阎超).北京航空航天大学出版社. 2006.
2.一维流体力学差分方法 (水鸿寿).国防工业出版社,1998.
3. 计算空气动力学 (傅德薰、马延文). 国防工业出版社,1996.
4. 可压缩湍流直接数值模拟(傅德薰、马延文、李新亮、王强),科学出版社,2011.