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高等计算流体力学

一、课程介绍

《高等计算流体力学》是船舶与海洋工程系船舶与海洋工程专业及相关学科（流体力学、航空航天、生物医学、环境等）研究生的专业基础课程之一。它是通过数值方法求解流体力学的控制方程，得到流场的离散的定量描述，并以此预测流体运动规律的学科。它主要介绍计算流体动力学使用的主要方法和步骤，包括网格生成技术（结构化网格、非结构化网格、分块网格），自适应网格技术，运动界面数值方法（界面捕获方法、界面跟踪方法、VOF方法、Level Set方法、MAC方法、CIP方法、动网格技术、overset grid技术），时间步离散方法，空间离散方法（有限差分、有限体积、有限元、谱方法），高性能离散格式（紧致格式、迎风格式、TVD格式、FCT格式、WENO格式），压力-速度解耦计算（人工可压缩法、PISO, SIMPLE、压力修正法、投影法），无网格技术（SPH方法、MPS方法），高雷诺数流动数值模型（RANS方法、大涡模拟、多尺度大涡模拟），各种湍流模式及其应用，并行计算编程技术。本课程要求学生了解现代计算流体动力学(CFD)技术，以及了解现代CFD技术所使用的主要方法和步骤，掌握计算流体力学的最新知识和相应的程序开发技术。通过本课程的学习，学生不仅对计算流体力学的理论体系有全面的了解，而且学会用计算流体力学方法去研究和分析船舶与海洋工程中遇到的各类流动现象，有效地解决工程实际问题。

二、教学大纲

(1)、课程基本信息
课程代码： NA6024
课程名称(中/英文)：高等计算流体力学/ Advanced Computational Fluid Dynamics
学时/学分：48/3
先修课程：《流体力学》《高等数学》《计算方法》
(2)、教学内容和基本要求
《高等计算流体力学》课程分为十六周，其中十一周(33学时)为理论课，五周(15学时)为实践课。具体课程内容包括：

序号	课程性质	学时	教学内容
1	理论课	3	绪论建立数学模型的一般方法；流动现象的数学描述；守恒形式和非守恒形式基本方程；偏微分方程的物理分类和数学分类；离散方法及基本理论基础；偏微分方程的差分近似；差分方程的相容性；差分格式的稳定性；差分方程的稳定性分析方法；数值解的稳定性与精度；模型方程的解析解。
2	理论课	3	典型模型方程（双曲型、抛物型、椭圆型）的典型差分格式波动方程的差分方程；热传导方程的典型差分格式；双曲型方程的特征差分法；边界条件与特征线和传播过程；特征线、特征相容条件、特征变换、系数矩阵分裂法；多维问题的通量分裂法。
3	理论课	3	无粘流动的典型解法有势流动的有限元法；有限元法的理论基础；有限元法的技术难点；边界元法的理论基础；边界元法与有限元法结合；欧拉方程的有限体法简介；有限差分法。
4	理论课	3	扩散问题的有限体解法有限体方法的理论基础；有限体方法的离散原则；有限体方法的稳定性分析；非恒定热传导问题的有限体处理；非恒定多维热传导问题的有限体处理。
5	理论课	3	对流扩散问题的有限体解法中心差分格式；迎风格式；中心差分离散与迎风格式的比较；指数格式；幂函数格式；混合格式；各种格式的通用表达式。交错网格问题
6	理论课	3	谱方法谱方法的基本原理；谱方法的离散过程及原则；伪谱法；三角函数以外的其他完备函数族。（自学）
7	理论课	3	粘性流动的数值解不可压N-S 方程及其特点；不可压N-S 方程的原始变量形式；求解N-S的抛物化方法(自学)；求解N-S方程的人工压缩性方法(自学)；求解N-S方程的压力校正法；SIMPLE 系列方法；压力poisson方程法；投影法。
8	理论课	3	紊流模型简介大涡模拟；雷诺应力模型；雷诺平均法；涡粘模型：标准k-ε模型；其他双方程模型。
9	理论课	3	代数方程求解 Jacobi 迭代；GS迭代法；SOR迭代法；共轭梯度法；多层网格法。
10	理论课	3	自适应网格与并行计算现代计算流体力学新技术；自适应网格技术；并行计算技术。
11	实践课	3	自由界面和运动物体数值模拟计算。介绍界面捕获方法，界面跟踪方法，VOF方法，Level Set方法， MAC方法，CIP方法，动网格技术，overset grid技术。
12	实践课	3	学生PPT汇报自学内容。
13	实践课	3	学生PPT汇报自学内容。
14	实践课	3	学生PPT汇报自学内容。
15	实践课	3	学生PPT汇报自学内容。
16	实践课	3	学生PPT汇报自学内容。

(3)、考核方式
总评成绩由两部分组成：其中，平时成绩依据考勤率和课堂表现综合打分，占30%；期末成绩依据实践课的PPT汇报和文献阅读大作业打分，占70%。
(4)、参考资料
1. 傅德薰, 马延文.《计算流体力学》. 高等教育出版社, 2002.
2. 阎超.《计算流体力学方法及应用》. 北京航空航天大学出版社, 2006.
3. 任玉新, 陈海昕.《计算流体力学基础》. 清华大学出版社, 2006.
4. 刘儒勋, 舒其望.《计算流体力学的若干新方法》. 科学出版社, 2003.
5. 苏铭德, 黄素逸. 《计算流体力学基础》. 清华大学出版社, 1997.
6. J. D. Anderson著, 吴颂平, 刘赵森译. 《计算流体力学基础及其应用》. 机械工业出版社, 2007.
7. 计算流体力学清华大学PPT.
8. 中科院力学所《计算流体力学》课程.
9. R. Peyret, T. D. Taylor. Computational Methods for Fluid Flow. Springer, 1983.
10. C. A. J. Fletcher. Computational Techniques for Fluid Dynamics Vol. I and II.
11. C. Hirsch. Numerical Computation of Internal and External Flows. Vol. I and II. Wiley, 1990.
12. P. Wesseling. Principles of Computational Fluid Dynamics. Springer, 2001.
13. C. Cuvelier, A. Segal, A. A. Van Steenhoven. Finite Element Methods and Navier-Stokes Equations. Kluwer, 1986.

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