CFD软件应用

课程信息

课程名称／课程号	适用范围与修读要求
CFD软件应用 ENER4001M	低温 · 25级及以前、26级 专业选修 · 模块选修

课程简介

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Navier-Stokes（N-S）方程是计算流体力学的基本方程组，本课程第一部分首先基于微元控制体的质量、动量和能量守恒详细推导N-S方程。然后详细讲解基于有限体积法思想将N-S方程的非稳态项、对流项及扩散项离散成代数方程组的方法，并详细讲解由离散过程带来的稳定性、假扩散及棋盘现象的消除等问题，从而引出处理非稳态项、源项、一阶导数、二阶导数项的数值模型。接下来讲解代数方程组的求解方法。第二部分讲解基于软件Gambit的几何体网格生成方法以及基于计算流体力学软件Fluent的N-S方程求解过程。第三部分为课堂实践部分，在老师的帮助下，在课堂上同学们求解3个不同的计算流体力学过程物理过程，分别是：非稳态边界问题，多孔介质流问题以及动网格的设置问题。通过该课程的学习，使学生基本掌握基于Gambit及Fluent解决计算流体力学问题的方法，并对流体物理有更深层次的理解。

来源：教务网。

课程内容

分数构成

学生提交计算实例及结果分析。

总成绩=平时成绩*30%+期末考试成绩*70%

平时成绩：

平时成绩共计30%，根据随堂提问、到课情况（10%）和布置的CFD模拟作业完成情况进行考核（20%）。每学期布置1~2次CFD模型实例练习，主要考核对CFD几何和物理模型的简化，网格的建立质量，模型求解器的设置。侧重点为网格、模型设置的掌握情况。提交模型的网格和计算cas文件。

期末成绩：

期末考试的形式为CFD模拟实例计算及综合报告，主要考核对采用CFD解决实际问题的全面认知情况。自行建立一个CFD模型进行计算，分析计算结果，并写成详细的CFD模拟报告。侧重点为对实际问题的分析，模型的选择和计算结果的分析。最终根据提交模型的cas文件、dat文件和报告评定期末成绩。

课程大纲

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布置有关文献调研和文献阅读作业；

每周课堂教学3学时，共8周。

第一周：计算流体动力学基础知识

计算流体动力学基础知识，包括计算流体动力学概述，流体与流动的基本特性，流体动力学控制方程，CFD的求解过程，CFD软件结构，常用的CFD商用软件介绍等。

第二周：基于有限体积法的控制方程离散

基于有限体积法的控制方程离散，包括离散化概述，有限体积法及网格简介，常用的离散格式，一维、二维、三维问题的离散。

第三周：基于SIMPLE算法的流场数值计算

基于SIMPLE算法的流场数值计算，包括流场数值解法，交错网格及其应用，流场计算的SIMPLE算法，SIMPLER/SIMPLEC/PISO算法，瞬态问题的数值计算，基于同位网格的SIMPLE算法，基于非结构网格的SIMPLE算法，离散方程组的基本解法。

第四周：三维湍流模型及其在CFD中的应用

三维湍流模型及其在CFD中的应用，包括湍流及其数学描述，湍流的数值模拟方法简介（直接模拟DNS，大涡模拟LES，雷诺平均RANS），雷诺平均RANS中的零方程及一方程模型，两方程模型等。边界条件的应用，包括流动进出口边界条件，壁面条件，对称边界条件和周界边界条件。

第五周：网格的生成

网格的生成，包括网格及其生成概述，网格生成软件GAMBit介绍, Gambit的基本用法， 边界条件的基本定义。

第六周：Fluent建模的基本流程和模块划分介绍，多孔介质模型的介绍

第七周：CFD综合应用实例操作

脉管制冷机热物理过程CFD计算（非稳态问题、多孔介质问题、低温物性设置问题）。

第八周：CFD应用实例操作

G-M制冷机CFD计算，动网格的设置介绍与演示。

附：授课时间表（总计24课时）

周次	学时	教学内容（要点）	课程思政融入点和实施方法	教学形式（理论、讨论、实践、实验、测试等）
1	3	计算流体动力学基础知识	案例：计算流体力学是我国重大工程技术发展的有力支撑，结合航天流体计算和能源系统计算案例介绍，传达计算流体力学工具的重要性	理论讲授
2	3	基于有限体积法的控制方程离散		理论讲授
3	3	基于SIMPLE算法的流场数值计算		理论讲授
4	3	三维湍流模型及其在CFD中的应用		理论讲授
5	3	网格的生成		理论讲授
6	3	Fluent建模的基本流程和模块划分介绍，多孔介质模型的介绍		理论讲授
7	3	CFD综合应用实例操作	案例：结合脉管制冷机的CFD模拟案例，讲述航天军事用低温制冷机的现状和CFD技术的作用，提高学生的使命感	实践操作
8	3	CFD应用实例操作	案例：结合GM制冷机的CFD模拟案例，讲述我国GM制冷机的发展现状，培养学生科技兴国的责任感	实践操作