计算流体力学第一章绪论.ppt

第一章 绪论 1.3 模型方程以及在计算流体力学中 的应用 1.4 计算流体力学的控制方程 1.2 流体力学微分方程的数学性质 1.1 计算流体力学简介 Date1 1.1 计算流体力学简介 （一） 什么是计算流体力学 1.以电子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。 数值解而不是解析解 计算理论和计算技术起关键作用 与计算机的发展紧密相关 Date2 2计算流体力学、理论流体力学、实验流体 力学是流体力学研究工作的三种主要手段 既互相独立又相辅相成 理论分析具有普遍性各种影响因 素清晰可见、为实验和计算研究提供依据 实验研究仍是研究工作的基石，数值 研究的许多方面都密切依赖于实验研究：实 验提供数据；计算结果需由实验验证；观察 实验现象分析实验数据以建立计算模型等等 数值模拟是特殊意义下的实验，也称数 值实验 Date3 (二）计算流体力学研究工作的方向 与计算理论、计算技术的发展相关联的研 究方向：（基本方程与计算物理，计算力学发展、 图形学、网格技术等） 基本方程性质、简化、改型等 座标变换理论 网格技术 分区处理技术、并行处理与计算技术 Date4 与离散数学的理论研究相关连的研究方向 ； 离散化与精度分析理论 稳定性分析理论，特别是边界条件数值处理 的稳定性分析理论 守恒性及其数值分析中的守恒性理论 数值分析的收敛性理论 Date5 解决众多相关学科的的科研工作和工程 实际提出的与流体力学问题有关的各类复杂 的问题 在一些相关学科的边缘上寻求新的发 展点 机械、航天航空、气象、海洋、船舶、车 辆、石油、化工、环境（包括气动噪音控制）、建 筑、土木、水利、核能等等 与计算机技术的发展相关的一些领域 交通流、信息流、生物流等的数值模拟 Date6 Wind around Cooling Towers Date7 （三） 计算流体力学研究工作的优势 、存在的问题和困难 1优势： “数值实验”比“物理实验”具有更大的自由 度和灵活性，例如“自由”地选取各种参数等 “数值实验”可以进行“物理实验”不可能或 很难进行的实验；例如：天体内部地温度场 数值模拟，可控热核反应地数值模拟 “数值实验”的经济效益极为显著，而且将 越来越显著 Date8 Date9 Date10 2问题与不足 流动机理不明的问题，数值工作无法进 行 数值工作自身仍然有许多理论问题有待 解决 离散化不仅引起定量的误差，同时也会 引起定性的误差，所以数值工作仍然离不 开实验的验证 Date11 1.2 流体力学微分方程的数学性质 当微分方程转化为差分方程并用数值 方法求解时，不同类型的微分方程，其 数值处理方法各异，其中包括提法的适 定性、物理解的性质、差分格式的适用 性等 在一些特殊的问题中，甚至通过差分 格式的特技巧来改变方程的数学性质 Date12 （一） 一阶拟线性微分方程组的分类 对于一阶拟线性微分方程组的向量形式： 其中：U为n阶向量， A 为n 阶矩阵 若：A的特征值为: Date13 .当 n个特征值全部为复数时，称方程在 (t , xi ) 平面上为纯椭圆型； .n个特征值全部为互不相等的实数时，称方 程在(t , xi ), 平面上为纯双曲型；而当n个特征 值全部为实数，但有部分为相等的实数时，称 方程(t , xi )在 平面上为双曲型； .当n个特征值全部为零时，称方程在 (t , xi ) 平面上为纯抛物型； 当n个特征值部分为复数、部分为实数时 ，称方程在(t , xi )平面上为双曲椭圆型； 二阶拟线性方程组，可以通过降阶法进行类似的分析。(例见后) Date14 1. 二维定常理想流体流动的Euler方程 写成向量形式： （一） 流体力学控制方程数学分类的举例 ： Date15 Date16 求矩阵C的特征值得： 如果： Date17 2。二维非定常理想流体流动的Euler方程 求C的特征值，结论与定常相同： 得到在X-Y平面的方程性质； Date18 求D的特征值,得: 为四个实根，即方程在 x-t平面为双曲型； 所以Euler 方程可以在时间座标方向推进， 而在定常问题中能否推进计算，必须根据 流动是否为超音速（M与1的关系）来定。 Date19 3.定常不可压缩 NavierStokes 方程的数学分类 降阶法,令： Date20 Date21 接下来的分析与一阶拟线性方 程组的讨论相似，结论为定常N -S方程为椭圆型。 Date22 4非定常不可压缩 Navier Stokes方程 5定常可压缩 Navier Stokes方程 6非定常可压缩 Navier Stok