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1、计算流体力学基础讲义 1 第一章 绪论 同学们好!本节课我们学习计算流体力学概述的第二部分。我们要介绍计算流体力学的研究内容,计算流体力学在虚拟样机技术环境中的地位,计算流体力学的基本流程。1.1 计算流体力学概述(2)张涵信院士对计算流体力学的研究内容用五个 M 和一个 A 来概括1:第一个 M 是 Machine 的缩写,它表示计算机,即 Computer,由上节课我们给出的计算流体力学的定义,我们知道,电子计算机是进行流动数值模拟的必备工具。第二个 M 代表 Mesh,或 Grid,表示网格生成技术,必须把流场空间化分成离散的点或微元体积(单元),才能在这些点或微元体积(单元)上对流动控
2、制进行方程离散。第三个 M 即 Method,表示各种与求解离散化流动控制方程有关的计算方法研究。第四个 M 表示 Mechanism,即机理,利用 CFD 解决流动问题,特别是复杂流动问题,所得结果是海量数据,也称为数据的海洋。从大量数据中找出流动的机理和规律并发现新的物理现象,是 CFD的重要研究内容。第五个 M 为 Mapping,即作图,把计算结果按需要作出静态的或动态的图形或图像。由于数值结果通过数据可视化处理后,可以使人们清楚地看到流体流过物体的真实图画,因此计算流体力学方法通常也被称为数值模拟或数值仿真。这五方面的研究的最终目标是应用,就像人手的五个指头,可以握成一个拳头来解决各
3、种问题。即一个 A,代表 Application,具有两方面的含义,一方面用来解决各种工程的流动问题,另一方面用来阐明流动自身的机理和规律。图 1.1f 计算流体力学的研究内容 计算流体力学基础讲义 2 第一个研究内容为适合计算流体力学的大规模并行计算机集群和量子计算机的设计与运行。有关流动控制方程数值求解的理论和方法早在 20 世纪初就开始得到了,例如,Richardson 在 1910 年就提出了数值求解 LAPLACE 方程的迭代格式和松弛求解方法,Courant、Friedirchs 和 Lewy 提出特征线方法,并给出了著名的稳定性判据-CFL 条件,等等;尽管如此,这早期提出的方法
4、在计算机出现后才得以真正实现。公认的计算流体力学开始形成的时间大约是电子计算机开始实际应用的 20 世纪60 年代中后期,所以说计算流体力学研究的一个重要物质基础是计算机,随着计算机性能的不断提升,计算流体力学能够解决的问题越来越多,越来越复杂。计算流体力学的每一个新阶段的出现,都强烈依赖于计算机的计算速度、内存、外围设备。计算机技术发展中计算速度和存储量方面的每一次大的提高,都会推动计算流体力学向更前沿发展。图 1.1g 计算流体力学的第一个研究内容:适合计算流体力学的大规模并行计算机集群和量子计算机的设计与运行 由于现代 CFD 需要实现复杂流动问题的数值求解,高性能计算机是关键的硬件条件
5、。因此大规模并行计算机集群和量子计算机的设计与运行与计算流体力学的内容密切相关。这里给出的是最新发布的超级大规模并行计算机集群的世界前五名排名。我们国家的神威太湖之光和天河 2A 分列第三和第四。在这里介绍计算机的目是请同学们了解,计算机是计算流体力学的最重要的工具,只要有运算速度更快、存储量更大的计算机出现,CFD 所能解决的问题范围才会不断扩大。计算流体力学基础讲义 3 图 1.1h 世界级超级计算前 5 名及主要性能 第二个研究内容为网格生成技术。数值求解流动控制方程的第一步就是将连续求解域离散成点或微元体积(单元)的集合,然后在此集合内构造一个代数方程组来逼近需要求解的流动控制方程,如
6、何将连续求解域离散成适当的点或微元体积的集合,就是网格生成技术研究。网格质量和网格点数量对于控制方程的离散数值解的精度有重要的影响。由于复杂外形的网格生成在 CFD 计算任务中占用了全部人力的 60%-80%,经常被称为 CFD 的瓶颈技术,因此各个国家都投入专门的人力物力开发网格生成软件,代表性商用软件有 Pointwise 的 GRIDGEN 和 ANSYS 的 ICEM/CFD。现代 CFD 网格生成的基本流程是如图中所示,首先从 CAD 模型输出描述研究对象的几何外形,然后转换为 CFD 计算所需的几何描述,进而生成表面网格,然后再根据需要生成与流动控制方程数值求解方法相适应的空间网格
7、。根据网格节点之间的邻接关系,网格类型主要分为结构网格、非结构网格和混合网格、笛卡尔网格。我们这里显示的是全机结构网格和非结构网的示例。本课程作为计算流体力学的基础入门课程,将简要介绍网格生成的基本原理、结构化网格和非结构网格的几种生成方法,以及混合网格和笛卡尔网格的原理。计算流体力学基础讲义 4 图 1.1i 计算流体力学的第二个研究内容:网格生成技术 第三个研究内容为 CFD 的方法研究。计算流体力学求解方法的大分类方法是按控制方程的离散方式来分的,主要有:有限差分方法、有限体积方法、有限元法、谱方法等。而针对这些方法又有各种空间离散格式和时间离散格式(时间推进格式),针对数值离散格式需要
8、进行相容性、稳定性、精度、误差、耗散色散特性分析。对离散后的方程需要给出迭代求解方法和加速收敛技术研究,这些都属于 CFD 的方法研究。图 1.1j 计算流体力学的第三个研究内容:各种与求解离散化流动控制方程有关的计算、分析方法 CFD 的第四个研究内容是机理研究。目的是发现机理,解决流动问题。利用 CFD 解决复杂流动问题,得到的是大量数据,这些数据常被称为数据的海洋,我们不仅仅可以得到流体作用于研究对象的表面压力、升力、阻力、力矩等特性,还可以从大量的数据中发现流动的机理和规律。计算流体力学基础讲义 5 图 1.1l 计算流体力学的第四个研究内容:流动机理 第五个M代表的研究内容是作图,即
9、计算流体力学结果的图形显示。正如我们刚才提到的那样,利用计算流体力学解决问题,得到的结果是数据的海洋,要展示各种流动变量的变化规律,反映流体流过物体的流线、涡量以及非定常流动等,需要研究 CFD 的图形显示。目前已有的常用图像后处理软件是 Teplot 公司的 Tecplot。该软件可以用曲线、等值云图、流线、涡量图、动态电影等展示 CFD的计算结果。图 1.1m 计算流体力学的第五个研究内容:作图 以上五方面研究的最终目的是应用。CFD 的应用领域非常广泛,随着计算机和计算技术的迅速发展,计算流体力学已逐渐走向成熟,可以这样说,只要存在流体与固体相互作用的地方,就有 CFD的应用需求。CFD
10、 在航空、航天、气象、舰船、武器装备、水利、化工、建筑、机械、汽车、海洋、体育、环境、医学等领域都得到了应用。计算流体力学基础讲义 6 图 1.1n 计算流体力学研究内容应用:解决各种工程流动问题 由计算流体力学(CFD)的主要研究内容,我们可以了解到计算流体力学的多学科属性。计算流体力学是计算机科学、数学、流体力学、航空/航天等具体行业工程的交叉学科。图 1.1o 计算流体力学的多学科属性 随着计算机的快速发展和各种仿真技术的不断出现,形成了产品制造生产的虚拟样机技术。下面,我们介绍一下 CFD 在虚拟样机技术中的地位。虚拟样机(Virtual Protyping)技术软件工具中最重要的是:
11、计算机辅助设计(CAD-Computational Aided Design)、计算机辅助工程(CAE-Computational Aided Engineering)和计算机辅助制造(CAM-Computational Aided Manufacture)。CAD/CAE/CAM 软件系统构成了虚拟样机环境不同阶段的基础。为了了解计算流体力学在现代技术领域中的作用和重要性,我们可以从计算机辅助工程(CAE)的角度来看。CAE 是指在初始设计阶段和最终生产制造之间支持工程师工作的模拟工具的集合。通过使用各种软件工具,整个生产周期得以计算机化,大大加速了工业生产过程。CFD 在虚拟样机技术环境里
12、的地位如图 1.1p 所示。计算流体力学(CFD)属计算流体力学基础讲义 7 于计算机辅助工程的范畴,与其并列的还有,用于结构分析的计算结构力学(Computational Structure DynamicsCSD),用于气动噪声分析的计算气动声学(Computational Aero-Acoustics CAA),用于电磁特性分析的计算电磁学(Computational electromagneticsCEM)。现代产品设计借助于计算机已经可以做到整个过程的完全数字化,例如,飞机设计已经实现了全机数字化设计。计算流体力学作为一种强有力的工具,在产品设计阶段占据了十分重要的地位。图 1.1p
13、 CFD 在虚拟样机技术中的地位 下面我们来了解一下计算流体力学的基本流程。第一步为前处理,输入所需要研究的几何外形(CATIA、UG 等 CAD 数模)及计算区域,将所要研究的计算区域离散成一个个的网格点或网格单元,并给出边界条件、初始条件和流动条件。第二步是流场计算,利用有限差分或有限体积等方法,在离散的网格上构造逼近流动控制方程的近似离散方程,通过计算机和 CFD 计算软件求解这些近似离散方程,得到网格点上物理量的近似解,如压力、密度、速度等的近似解。第三步是后处理,对这些近似数值解进行处理,得到所关心的计算结果,画出流动图像,如等压线、流线)和流动参数(如每一点流动速度、压力、密度、温
14、度等),积分得到物体气动力和力矩等受力特性。计算流体力学基础讲义 8 图 1.1q 计算流体力学的基本流程 CFD 的三个基本步中,前处理约耗费 80%的人工工作量。流场计算求解过程主要依靠高性能计算机,人工工作量约占 10%,后处理人工工作量约占到 10%。图 1.1r 现代 CFD 计算各阶段所需人工计算量 小结一下,本次课我们介绍了 1.计算流体力学的研究内容计算流体力学的研究内容:五个五个 M(Machine、Mesh、Method、Mechanism、Mapping););一个一个 A(Application)。2.计算流体力学的基本流程计算流体力学的基本流程:1)前处理前处理(几何
15、描述几何描述、网格生成网格生成)2)CFD 流场求解流场求解(控制方程控制方程、离散代数方程离散代数方程、CFD 软件软件)3)后处理后处理(流动图像流动图像、流动数据流动数据)这是 1.1 节相关的参考文献和教材,请同学们根据需要查阅。计算流体力学基础讲义 9 参考文献参考文献 1 张涵信 沈孟育等,计算流体力学差分方法的原理和应用,近代空气动力学丛书,国防工业出版社,2003.2 Antony Jameson,Computational Fluid Dynamics,Past,Present and Future,AMS Seminar,October 30th,2012.http:/aerocomlab.stanford.edu/jameson/presentations.html 3 Hirsch,Charles,Numerical Computation of Internal and External Flows,vol.I:Fundamentals of Numerical Discretization,Elsevier,2007,First published by John Wiley&Sons,Ltd,1988.4阎超编著,计算流体力学方法及应用,北京航空航天大学出版社,2006.本次课就到这里,谢谢大家。
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