悉尼大学AMME5202计算流体动力学课程学习指南

悉尼大学AMME5202计算流体动力学课程为学生提供使用商业计算流体动力学软件包以及在计算流体动力学领域开展研究的必要技能。学习完该课程后，学生将很好地理解计算流体动力学的基础理论，包括离散性、准确性和稳定性。他们将能够编写简单的求解器并使用复杂的商业 CFD 软件包。

一、预期学习成果

1.撰写咨询报告。

2.计划并管理一项重要的团队项目。

3.评估工业和环境环境中常见的流体力学问题，构建和应用计算模型，确定关键的控制参数并将其与期望的结果联系起来，并撰写报告。

4.使用先进的商业计算流体动力学软件包。

5.撰写基本的Navier-Stokes求解器，并评估Navier-Stokes求解器的稳定性、准确性和收敛性。

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二、流体动力学基本知识点补习

1.什么是流体动力学?

流体动力学是“涉及液体和气体运动的应用科学分支”。流体动力学是流体力学的两个分支之一，流体力学是研究流体及其受力影响的学科。(另一个分支是流体静力学，处理静止的流体。)

来自多个领域的科学家研究流体动力学。流体动力学提供了研究恒星演化、海洋洋流、天气模式、板块构造甚至血液循环的方法。流体动力学的一些重要技术应用包括火箭发动机、风力涡轮机、油管道和空调系统。

2.流体的类型有哪些?

a.理想流体：当流体无法被压缩且粘度不属于理想流体范畴时，称之为理想流体。它是一种在现实中不存在的虚构流体。

b.实际流体：所有流体都是实际的，因为所有流体都具有粘度。

c.牛顿流体：当流体遵循牛顿的粘度定律时，称其为牛顿流体。

d.非牛顿流体：当流体不遵循牛顿的粘度定律时，称其为非牛顿流体。

e.理想塑性流体：当剪切应力与速度梯度成正比且剪切应力大于屈服值时，称之为理想塑性流体。

f.不可压缩流体：当流体的密度不随外部力的施加而变化时，称之为不可压缩流体。

g.可压缩流体：当流体的密度随外部力的施加而变化时，称之为可压缩流体。

3.伯努利定理

速度较高的流体比速度较低的流体压力更低。这一现象最早由丹尼尔·伯努利于1738年在他的著作《流体力学》中描述，通常被称为伯努利定理。它可以应用于测量流动在管道、渠道或表面上的液体或气体的速度。

这一原理也解释了飞机机翼产生升力的原因，这就是为什么飞机能够飞行。因为机翼底部是平的，顶部是弯曲的，空气必须在顶部表面上行驶更长的距离而不是在底部。为了做到这一点，它必须在顶部表面上更快地运动，导致其压力降低。这使得底部的高压空气向上推动机翼。

4.流体动力学中的问题

科学家经常试图使用称为流线、流线和路径线的图形来可视化流动。麦克唐纳将流线定义为“在流体内的连续线，使得每个点处的切线都是该点处的速度矢量的方向。”换句话说，流线显示了流动在任何特定点处的方向。根据麦克唐纳的说法，流线是“通过给定点的所有流体元素的轨迹”。路径线(或粒子路径)，他写道，“是流体个体元素的轨迹。”如果流动随时间不变，则路径线将与流线相同。然而，在湍流或非稳定流动的情况下，这些线可能会有很大的不同。

大多数流体动力学问题都太复杂，无法通过直接计算来解决。在这些情况下，问题必须通过使用计算机模拟的数值方法来解决。这一研究领域称为数值或计算流体动力学(CFD)，南萨德将其定义为“提供流体流动数值预测的计算机科学分支”。然而，由于湍流流动往往是非线性和混沌的，因此在设置这些模拟的规则和初始条件时必须特别小心。一开始的微小变化可能导致结果的很大差异。

通过将体积划分为较小的区域并使用较小的时间步长可以提高模拟的准确性，但这会增加计算时间。因此，随着计算能力的增加，CFD应该得到发展。

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