《计算流体力学》课程教学大纲(本科)

计算流体力学(ComputationalFluidDynamics)课程代码：02410028学分：2学时：32（其中：课堂教学学时：32实验学时：0上机学时：0课程实践学时：0）先修课程：微积分、线性代数、物理、流体力学等适用专业：能源与动力工程等专业教材：计算流体力学及应用；中国人民总装备部军事训练教材编辑工作委员会；国防工业出版社；2003年一、课程性质与课程目标（一）课程性质（需说明课程对人才培养方面的贡献）本课程是能源与动力工程（流体机械及工程）专业的一门主要的专业基础课。本课程主要介绍流体力学问题的计算机数值计算方法，包括计算流体力学的数学基础、控制方程、离散化方法、有限差分法、单元与插值函数、流体力学典型问题的数值分析等。使学生掌握计算流体力学的基础理论、方法和技能，为今后从事本专业的科学研究工作和工程技术工作打下基础。（二）课程目标（根据课程特点和对毕业要求的贡献，确定课程目标。应包括知识目标和能力目标。）总目标在学习完本课程后，学生应该应掌握以下技能：（1）熟悉流动现象的微分方程和近似求解的数值方法，并且能设计数值解决方案，使用和开发流动模拟软件对工程和科学的领域中的重要流动现象进行模拟；（二）能够通过建立正确合理的数学模型，选择有效的计算方法进行流动模拟；（三）利用现有的最佳模型进行数值模拟，对模拟结果进行合理分析评价，为后续专业课的学习和将来从事科学研究和专业技术工作打下良好基础。阶段目标.理解对于可压，不可压，粘性及无粘流体流动的基本流体力学控制方程的数学描述及数学特性。.对数值分析中稳定性，逼近和收敛性和代数方程组的数值解的概念和基本原则有深刻的理解。.了解对于可压及不可压流体流动的数值模拟求解方法及在工程实践基础研究中的应用。.理解数值模拟的原理和技术，并且明白模拟的局限性。.通过商用CFD软件包（ANSYS或COMSOL）,解决实际工程问题。、课程内容与教学要求（按章撰写）第一章计算流体力学的基本原理（2学时）（一）课程内容.什么是计算流体力学.计算流体力学的工作步骤.计算流体力学解决的问题.计算流体力学的应用领域（二）教学要求.了解计算流体力学的相关基础知识。.掌握计算流体力学的工作步骤。（三）重点与难点（若不单独列出，需在教学要求中适当注明）第二章流体力学的控制方程组（4学时）（一）课程内容.流动模型.连续性方程.动量方程.能量方程.流体力学控方程的控制与注释.物理边界条件（二）教学要求.掌握流动模型分析方法.学习物质导数、速度散度定义、旋度定义及其各自物理意义.掌握三大控制方程的推导基础及推导过程.掌握守恒性方程和非守恒性方程的区别及各自的优点.学习常用的几种控制方程简化形式.学习控制方程组的封闭条件和边界条件（三）重点与难点（若不单独列出，需在教学要求中适当注明）第三章偏微分方程的数学性质对CFD的影响（4学时）（一）课程内容.拟线性偏微分方程的分类.确定偏微分方程的特征值法.不同偏微分方程的一般性质.定解问题的适定性（二）教学要求.掌握拟线性偏微分方程的分类.学习拟线性偏微分方程分类的基本方法-克莱默法则.学习拟线性偏微分方程分类的方法二-特征值法.掌握双曲型方程的形式、特点及代表性方程.掌握抛物型方程的形式、特点及代表性方程.掌握椭圆型方程的形式、特点及代表性方程（三）重点与难点（若不单独列出，需在教学要求中适当注明）第四章离散化的基本方法（4学时）（-）课程内容.有限差分基础.差分方程.显示方法与隐式方法.误差与稳定性分析（二）教学要求.掌握有限差分的基本思想.学习各阶导数的不同差分格式的推导及其各自的特点.学习差分方程和偏微分方程的相容关系.掌握显式方法的形式和特点.掌握隐式方法的形式和特点.掌握显式和隐式方法的误差和稳定性分析方法（三）重点与难点（若不单独列出，需在教学要求中适当注明）第五章网格生成与坐标变换（6学时）（一）课程内容.方程的一般变换.度量和雅可比行列式.网格生成技术.自适应网格（二）教学要求.掌握网格的一般变换方法.学习度量和雅可比行列式的计算和使用.学习拉伸（压缩）网格的生成和使.学习贴体坐标系（椭圆型网格）的生成和使用.学习自适应网格的生成及使用.了解网格技术的最新进展以及网格类型的分类（三）重点与难点（若不单独列出，需在教学要求中适当注明）第六章计算流体力学的基本方法（6学时）（一）课程内容.Lax-Wendroff方法.MacCormack方法.粘性流动、守恒形式及空间推进.松弛法及其在低速无粘流动中的应用.数值耗散、色散及人工粘性.交替方向隐式方法.压力修正法及其在不可压缩流动中的应用.CFD的计算机可视化技术（二）教学要求.掌握拉克斯-温德罗夫方法.学习麦考马克方法的内容和特点.学习松弛法及其在低速无粘流动中的应用.掌握数值耗散、色散及人工粘性的定义及特点.掌握交替方向隐式（ADI）方法.掌握压力修正法的基本思想和方法.掌握计算机绘图的类型及其各自特点（三）重点与难点（若不单独列出，需在教学要求中适当注明）第七章计算流体力学的应用（6学时）（-）课程内容.通用商业软件包介绍.二维空腔流动的求解应用实例.多相流数值求解应用实例.泵内复杂流场求解应用实例（二）教学要求.掌握运用商业软件解决包括空腔流动，多相流，泵内稳态及非稳态流动的工程实例。（三）重点与难点（若不单独列出，需在教学要求中适当注明）四、学时分配及教学方法章（按序填写）教学形式及学时分配主要教学方法支撑的课程目标课堂教学实验上机课程实践小计第一章22讲授法阶段目标第二章44讲授法阶段目标第二早44讲授法、讨论法阶段目标第四章44讲授法、研究型教学方法阶段目标第五章66讲授法阶段目标第八章66讲授法、、演示法阶段目标第七章66讲授法、演示法阶段目标合计3232注：1.课程实践学时按不法、研究型教学方法（基于问等教学方法）等。日天专业题、项上培养目、计划列入表格；.主要教学方法包括讲授法、讨论法、演示例五、课程考核考核形式考核要求考核权重备注平时成绩课后作业完成10-15个习题，主要考核学生对每节课知识点的复习、理解和掌握程度，占平时成绩的30%。此外，每个学生需通过商业软件完成一个以工程应用为背景的模拟分析，并作口头发表，此大作业占平时成绩的70%o40%期末考试试卷题型包括简答题和综合分析应用题等，以卷面成绩的60%计入课程总成绩。其中考核基础知识型题目占60%,考核应用实例综合分析与验60%证的能力题目占40%o注：1,分学期设置和考核的课程应按学期分别填写上表。.考核形式主要包括课堂表现、平时作业、阶段测试、期中考试、期末考试、大作业、小论文、项目设计和作品等。.考核要求包括作业次数、考试方式（开卷、闭卷）、项目设计要求等。.考核权重指该考核方式或途径在总成绩中所占比重。六、参考书目及学习资料（书名，主编，出版社，出版时间及版次）•.1、《计算流体力学基础》，苏铭德，清华大学出版社，19972、《计算流体力学基本原理》，吴子牛，科学出版社，2001JohnD.Anderson,JR.ComputationalFluidDynamics:ThebasicswithApplications,McGraw-Hillcompanies.FrankM.White,Visco