CFD技术在船舶推进中的应用-第一章ppt课件.ppt

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1、CFD技术在船舶推进中的应用主讲教师：沈海龙设课部门：水下机器人技术重点实验室第一章绪论1.1CFD技术的基本知识1.1.1什么是CFD？CFD是computationalfluiddynamics的简称，准确的中文译名为计算流体动力学，目前大家习惯的称谓是计算流体力学，它是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型独立学科，通过计算机数值计算和计算结果的后处理技术，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统进行分析，在时间和空间上定量描述流场各物理量的近似解。第一章绪论1.1.1什

2、么是CFD？CFD的基本思想可以归结为：用时间域及空间域上有限个离散点上的变量值构成的集合，来替代在时间域及空间域上连续的物理量的场，借助质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律等流体流动遵循的基本定律建立反映流体流动问题本质的数学模型，寻求高效精确的数值计算方法，通过编写程序和数值计算来实现数学模型的离散化和求解，最后通过结果后处理技术获得流场各变量的近似解。第一章绪论1.1.2为什么要学习CFD技术在流体力学中，常用的研究方法有理论研究方法、CFD方法、实验测量与观察，他们构成了研究流体流动

3、问题的完整体系,三种方法取长补短，相互促进。实验研究是理论研究和CFD的基础，是建立运动规律与理论模型的依据；理论研究反过来指导实验研究和验证新的数值计算方法；而CFD则是建立在理论研究和实验研究的基础上，它借助实验研究分析流体流动问题的物理特性，借助理论研究建立反映流体流动问题本质的数学模型。第一章绪论1.1.2为什么要学习CFD技术理论研究方法的特点:通过实验测量与观察对流体的物理性质及运动特性进行分析研究，设计出合理的理论模型，根据流体流动遵循的普遍定律及相关公式，建立描述流体运动规律的封

4、闭方程组（积分形式或微分形式）以及与之相应的初始条件和边界条件，利用各种数学工具准确地解出方程组的精确解或解析解，进而清晰、普遍地揭示出流体流动的内在规律，但该方法只局限于少数比较简单的理论模型，目前还不能处理较复杂的流动问题。第一章绪论1.1.2为什么要学习CFD技术实验研究方法的特点：能够针对所研究的问题，设计完全相同或满足相似理论的试验模型进行观测，所得到的结果真实可信，但是实验方法往往受到模型尺寸、流场扰动、测量精度等因素的限制，有些问题（碳酸岩油田的渗流）还无法在实验室进行实验研究，此

5、外，实验还会遇到经费、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。第一章绪论1.1.2为什么要学习CFD技术而CFD方法恰好克服了前两种方法的缺点，能够解决理论研究方法无法解决的复杂流动问题，与实验方法相比，它所需的费用和时间都比较少，并且不受模型尺寸的限制，很容易模拟特殊尺寸、有毒、高温、易燃等真实条件以及实验中只能接近而无法达到的理想条件。但它自身也具有一定的局限性，要求对问题的物理特性有足够的了解，并能建立较精确的数学模型。第一章绪论1.1.3CFD方法的分支经过半个世纪的发展，CFD出现了多

6、种数值解法。这些方法之间的主要差别在于对控制方程的离散方式。根据离散原理的不同，CFD大体上可分为三个分支：(1)有限差分法（finitedifferencemethod，FDM）;(2)有限元法（finiteelementmethod，FEM）;(3)有限体积法（finitevolumemethod，FVM）。第一章绪论1.1.3CFD方法的分支(1)有限差分法(FDM)是数值解法中最经典的方法。它将求解区域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分方程(控制方程)的导数用

7、差商代替，推导出离散点上未知数的差分方程组。第一章绪论1.1.3CFD方法的分支(2)有限元法(FEM)是将一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微小单元，在各小单元上构造插值函数，然后根据极值原理(变分或加权余量法)，将物理问题的控制方程转化为所有单元上的有限元方程，把总体的极值作为各单元极值之和，形成嵌入了指定边界条件的代数方程组，求解该方程组就得到各节点上待求的函数值。第一章绪论1.1.3CFD方法的分支(3)有限体积法(FVM)又称为控制体积法，是将计算区域划分为网格，并使每个网格点周围

8、有一个互不重复的控制体积，将待解的微分方程对每个控制体积积分，从而得到一组离散方程，其中的未知数是网格节点上的因变量。有限体积法得出的离散方程，要求因变量的积分守恒适用于任意一组控制体积，从而对整个计算区域，因变量的积分守恒自然也得到满足，这是有限体积法吸引人的优点。第一章绪论1.1.3CFD方法的分支有一些离散方法，例如有限差分法，仅当网格极其细密时，离散方程才满足积分守恒；而有限体积法即使在粗网格情况下，也显示出准确的积分守恒，而且计算量相对较小，是目前CFD应用最广的一种方法，如CFX、F