计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)

仙仙

        课程名：计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)  学分：2  学时：32  
课程类别：专业教育选修课  
开课学院：海洋科学学院  所属基层教学组织：
曾任课教师：
        课程大纲：
一、课程性质与目的
    本课程是为热能与动力工程专业本科生开设的一门选修课程，利用数值方法通过计算机求解描述流体流动的数学方程，获得空间和时间离散位置处的数值解，揭示流动的物理规律和研究流动的物理特性。本课程是研究流体流动、传热和传质的重要方法，也是流体工程中分析和设计流动元件的重要手段。通过讲授计算流体力学的基本概念、理论和方法，培养学生利用计算流体力学方法，解决工程中遇到的流动问题的能力。
二、课程简介
    计算流体力学以计算机作为模拟手段，运用一定的计算技术寻求流体力学各种复杂问题的离散化数值解。主要内容为有限差分法，有限体积法，流动问题的数值解法及常用计算流体力学软件介绍。通过各种教学环节，使学生掌握计算流体力学的基本概念、理论和方法，
    侧重于利用计算流体力学方法分析问题，同时还应注意结合实验和工程实际问题进行讲解，全面培养学生解决实际问题的能力。
三、教学内容
第一章  计算流体力学基础理论（4学时）
主要内容：计算流体力学现代进展简介；通用控制方程组及其定解条件；计算流体力学基本步骤。
学习要求：了解计算流体力学现代进展；了解计算流体力学的方程及求解基本步骤；理解粘性流动方程的定解条件。
第二章  有限差分法（6学时）
主要内容：有限差分法的基本概念；差分方程，截断误差和相容性；收敛性和稳定性；常用的差分格式。
学习要求：理解有限差分方法；了解相容性、收敛性及稳定性；了解求解流体流动问题的几种常用差分格式及其特性的分析方法。
第三章  有限体积法（6学时）
主要内容：有限体积法的基本概念；常用离散形式；代数方程组求解方法。
学习要求：了解对流扩散问题的有限体积法；熟悉对流扩散方程的常用离散形式；了解常用的方程组求解方法。
第四章  流动问题的数值解法（6学时）
主要内容：流动控制方程组的对流扩散形式；时间推进法；交错网格方法；Navier-Stokes方程的压力修正方法及其改进方法。
学习要求：了解流动控制方程组的对流扩散形式；认识到数值求解流动控制方程组的几个困难；理解时间推进法基本思想；了解交错网格上的压力修正方程；理解并掌握Navier-Stokes方程的压力修正方法。
第五章  常用计算流体力学软件介绍（10学时）
主要内容：计算流体力学软件分类及其算法简介；利用Fluent软件求解流动问题的基本步骤；利用Gambit软件生成网格；利用Fluent软件求解简单流动问题案例分析。
学习要求：了解计算流体力学软件分类；熟悉并掌握利用Fluent软件求解流动问题的基本步骤；熟悉并掌握利用Gambit软件生成网格；掌握利用Fluent软件求解简单流动问题。
四、教学基本要求
    教学过程中要求教师侧重于流体力学分析问题、解决问题的方法培养，同时还应注意结合实验和工程实际问题进行讲解，全面培养学生解决实际问题的能力。
  本课程要求学生具备较好的数学、物理和力学基础，需先修课程应包括流体力学、数理方程、数值分析。教学过程中重点要求学生掌握（1）对流扩散方程的有限体积法；（2）流动方程组的压力修正算法；（3）利用计算流体力学软件求解简单流动问题。
五、教学方法
    本课程教学过程中采用多媒体教学和黑板板书相结合的方法，考试方式采用有条件的开卷考试方式，并结合平时成绩综合考核。
1.平时成绩：上课出勤率、上课听讲和交流的积极态度、习题作业等，占30％；
2.期末考试成绩：占70％。
六、参考教材和阅读书目
参考教材：
1.顾尔祚。流体力学有限差分法基础。上海交通大学出版社，1988
2.傅德薰，马延文编。计算流体力学。高等教育出版社，2002
3.水鸿寿著。一维流体力学差分方法。国防工业出版社。1998
4.苏铭德，黄素逸。计算流体力学基础。清华大学出版社。1997
5.吴江航，韩庆书。计算流体力学的理论、方法及应用。科学出版社，1988
6.王福军。计算流体动力学学分析。清华大学出版社。2004
七、本课程与其它课程的联系与分工
    本课程要求学生具备较好的数学、物理和力学基础，需先修课程应包括流体力学、数理方程、数值分析；该课程是进一步学习《力学实验（流体力学部分）》等后续课程的基础，又是热能与动力工程专业学生从事工程技术工作必备的基础知识。