悉尼大學(xué)AMME5202計算流體動力學(xué)課程為學(xué)生提供使用商業(yè)計算流體動力學(xué)軟件包以及在計算流體動力學(xué)領(lǐng)域開展研究的必要技能。學(xué)習(xí)完該課程后，學(xué)生將很好地理解計算流體動力學(xué)的基礎(chǔ)理論，包括離散性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。他們將能夠編寫簡單的求解器并使用復(fù)雜的商業(yè) CFD 軟件包。

一、預(yù)期學(xué)習(xí)成果

1.撰寫咨詢報告。

2.計劃并管理一項重要的團隊項目。

3.評估工業(yè)和環(huán)境環(huán)境中常見的流體力學(xué)問題，構(gòu)建和應(yīng)用計算模型，確定關(guān)鍵的控制參數(shù)并將其與期望的結(jié)果聯(lián)系起來，并撰寫報告。

4.使用先進的商業(yè)計算流體動力學(xué)軟件包。

5.撰寫基本的Navier-Stokes求解器，并評估Navier-Stokes求解器的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和收斂性。

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二、流體動力學(xué)基本知識點補習(xí)

1.什么是流體動力學(xué)?

流體動力學(xué)是“涉及液體和氣體運動的應(yīng)用科學(xué)分支”。流體動力學(xué)是流體力學(xué)的兩個分支之一，流體力學(xué)是研究流體及其受力影響的學(xué)科。(另一個分支是流體靜力學(xué)，處理靜止的流體。)

來自多個領(lǐng)域的科學(xué)家研究流體動力學(xué)。流體動力學(xué)提供了研究恒星演化、海洋洋流、天氣模式、板塊構(gòu)造甚至血液循環(huán)的方法。流體動力學(xué)的一些重要技術(shù)應(yīng)用包括火箭發(fā)動機、風(fēng)力渦輪機、油管道和空調(diào)系統(tǒng)。

2.流體的類型有哪些?

a.理想流體：當(dāng)流體無法被壓縮且粘度不屬于理想流體范疇時，稱之為理想流體。它是一種在現(xiàn)實中不存在的虛構(gòu)流體。

b.實際流體：所有流體都是實際的，因為所有流體都具有粘度。

c.牛頓流體：當(dāng)流體遵循牛頓的粘度定律時，稱其為牛頓流體。

d.非牛頓流體：當(dāng)流體不遵循牛頓的粘度定律時，稱其為非牛頓流體。

e.理想塑性流體：當(dāng)剪切應(yīng)力與速度梯度成正比且剪切應(yīng)力大于屈服值時，稱之為理想塑性流體。

f.不可壓縮流體：當(dāng)流體的密度不隨外部力的施加而變化時，稱之為不可壓縮流體。

g.可壓縮流體：當(dāng)流體的密度隨外部力的施加而變化時，稱之為可壓縮流體。

3.伯努利定理

速度較高的流體比速度較低的流體壓力更低。這一現(xiàn)象最早由丹尼爾·伯努利于1738年在他的著作《流體力學(xué)》中描述，通常被稱為伯努利定理。它可以應(yīng)用于測量流動在管道、渠道或表面上的液體或氣體的速度。

這一原理也解釋了飛機機翼產(chǎn)生升力的原因，這就是為什么飛機能夠飛行。因為機翼底部是平的，頂部是彎曲的，空氣必須在頂部表面上行駛更長的距離而不是在底部。為了做到這一點，它必須在頂部表面上更快地運動，導(dǎo)致其壓力降低。這使得底部的高壓空氣向上推動機翼。

4.流體動力學(xué)中的問題

科學(xué)家經(jīng)常試圖使用稱為流線、流線和路徑線的圖形來可視化流動。麥克唐納將流線定義為“在流體內(nèi)的連續(xù)線，使得每個點處的切線都是該點處的速度矢量的方向。”換句話說，流線顯示了流動在任何特定點處的方向。根據(jù)麥克唐納的說法，流線是“通過給定點的所有流體元素的軌跡”。路徑線(或粒子路徑)，他寫道，“是流體個體元素的軌跡。”如果流動隨時間不變，則路徑線將與流線相同。然而，在湍流或非穩(wěn)定流動的情況下，這些線可能會有很大的不同。

大多數(shù)流體動力學(xué)問題都太復(fù)雜，無法通過直接計算來解決。在這些情況下，問題必須通過使用計算機模擬的數(shù)值方法來解決。這一研究領(lǐng)域稱為數(shù)值或計算流體動力學(xué)(CFD)，南薩德將其定義為“提供流體流動數(shù)值預(yù)測的計算機科學(xué)分支”。然而，由于湍流流動往往是非線性和混沌的，因此在設(shè)置這些模擬的規(guī)則和初始條件時必須特別小心。一開始的微小變化可能導(dǎo)致結(jié)果的很大差異。

通過將體積劃分為較小的區(qū)域并使用較小的時間步長可以提高模擬的準(zhǔn)確性，但這會增加計算時間。因此，隨著計算能力的增加，CFD應(yīng)該得到發(fā)展。

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