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摘 要:针对现阶段《计算流体力学》已经应用于各个领域,其重要性也越来越明显,但是要掌握这门课程却是很不容易的。本文通过对这门课程的仔细研究,提出了学好此课程的具体步骤,对于初学者来说是很有帮助的,同时也为教这门课程的老师提供点建议。
关键词:流体力学计算机网格后处理软件试验
中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2011)08(a)-0180-01
流体力学就是一门研究流体流动规律,以及流体与固体相互作用的一门学科,研究的范围涉及到风扇的设计,发动机内气体的流动以及车辆外形的减阻设计,水利机械的工作原理,输油管道的铺设,供水系统的设计,乃至航海、航空和航天等领域内动力系统和外形的设计等。
计算流体力学,就是建立在经典流体力学与数值计算方法基础之上的一门新型学科。应用计算流体力学理论与方法,利用具有超强数值运算能力的计算机,编制计算机运行程序,数值求解满足不同种类流体的流动和传热规律的质量守恒、动量守恒和能量守恒三大守恒规律,及附加的各种模型方程所组成的非线性偏微分方程组,得到确定边界条件下的数值解。兼有理论性和实践性的双重特点,为现代科学中许多复杂流动与传热问题提供了有效的解决方法。
随着社会的发展,《计算流体力学》在各个流域的应用越来越广泛,其重要性也越来越明显。然而,由于《计算流体力学》是一门综合各方面知识的专业课程,所以,要想学好这门课程也很困难。特别是作为很多工科专业硕士研究生的必修课程以及毕业后对这门课程的应用更显得需要更好的掌握这门课。但是从最后的教学效果来看,大多都是不尽人意,学者感到困惑,教者也感到尽了最大的努力。所以,如何提高《计算流体力学》的学习质量是我们需要研究的问题。本文认为要想提高学习质量可以从以下几方面入手。
1 对理论知识的理解
《计算流体力学》顾名思义此门课程既有《流体力学》的知识,也有计算方面的问题,是要两者皆备。作为学习《计算流体力学》的这门课程的硕士研究生首先要把《流体力学》里面的知识结构搞清楚,如连续性微分方程、运动微分方程、初始条件、边界条件,特别是对于紊流(湍流)理论也要深入的理解,弄清楚方程中每项的含义以及用什么形式的紊流模型。同时也需要一定的数学知识,比如关于导数的问题、关于微分方程如何离散的问题、关于数学物理方程问题、关于数值分析中如何对方程组迭代来解方程的问题等等。其理论知识是流体知识和数学知识的一个综合。
2 明白网格的结构
对于《计算流体力学》的方程要进行离散,就需要把带有导数的偏微分方程变成代数方程,代数方程里面涉及到节点和网格划分问题,作为初学者来说对于这样的划分往往在节点排列标注问题上出现迷惑,为此建议自制网格平面(或者立体)模型,这样直观简单明了,也不容易出错,同时也加深了对空间的想象力,各个网格节点标号之间的关系也一清二楚,为编制计算机程序进行正确的计算打下一个良好的基础。
3 熟悉至少一门高级计算机程序语言
在搞清楚《计算流体力学》里面的流体力学和数学方面的知识之后,还需要至少掌握一门计算机程序语言。对于流体力学里面的偏微分方程直接用我们在中学阶段学习的方法是解不出答案的。对此,首先必须对这样的偏微分方程进行离散化为代数方程,而此时的代数方程是需要利用数值分析中不断迭代的方法来解决的,这个不断的迭代就需要我们编制计算机程序来实现,为此,不会编制计算机程序是解不出来的。所以,学习好至少一门计算机程序语言也是掌握《计算流体力学》关键的一步。
4 熟悉一种后处理计算机软件
我们通过编制程序用计算机算出结果后,如速度、压强等参数是存在计算机内的一大堆数据,这些数据是我们自己不能直接看出规律出来的。所以还需要掌握一门处理数据的软件来显示结果(如等速线、等压线、速度的变化曲线、压强变化曲线)。这些后处理软件是必不可少的。这样的软件如TECPLOT、FLUENT等等。
5 要自己实践
每学好一门课程,大家知道,光听老师讲道理是不行的,那只是一个理论知识。对于理论知识的消化吸收还需要我们自己亲自来做,对于《计算流体力学》这门课程就需要我们自己从方程开始一直到计算程序的编制和算出结果到后处理,必须每一步都做一做来体会才有可能提高自己的水平。
6 和试验对比
以前有人认为学好《计算流体力学》只要把上面的几部分搞清楚就可以了。在我看来那是远远不够的。大家知道实践是检验真理的唯一标准。所以,进行数值计算的结果是不是正确的、是不是反映了客观的真实,是需要试验来检验的。因此做试验是必须的。只有通过试验我们才可以检验数值模拟计算的结果是否正确。如果不能正确找出错误在哪里,是理论模型问题还是计算编制程序问题,不断更改自己的计算模型和程序才能达到理论和实践的统一。如果自己不能亲自做试验,也需要把自己的计算结果和以前别人做过试验做一比较。逐步提高自己的数值模拟的能力。这样的话,一方面掌握了理论的知识;另一方面自己的实践能力也得到很大的提高。对于以后用数值分析其它的流体力学方面的知识是大有帮助的。
总之,从以上分析研究的内容来看,要学好《计算流体力学》这门课,需要综合各个方面的知识,如流体力学知识、数学知识和计算机知识等等。同时还需要一定实践能力,达到这几方面的结合才能做计算流体力学方面的行家里手。要做到这些,没什么捷径可言,只有老老实实扎扎实实努力才可以达到。
资助项目：河南省科技厅重点改关项目（102102310362）；河南省重点学科（507907）。
教改项目：河南理工大学研究生教学改革项目（2010YJ04）。
基金项目：河南理工大学博士基金（B2010-33）；河南理工大学开放实验室基金项目（SKJA1009）。
关键词:流体力学计算机网格后处理软件试验
中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2011)08(a)-0180-01
流体力学就是一门研究流体流动规律,以及流体与固体相互作用的一门学科,研究的范围涉及到风扇的设计,发动机内气体的流动以及车辆外形的减阻设计,水利机械的工作原理,输油管道的铺设,供水系统的设计,乃至航海、航空和航天等领域内动力系统和外形的设计等。
计算流体力学,就是建立在经典流体力学与数值计算方法基础之上的一门新型学科。应用计算流体力学理论与方法,利用具有超强数值运算能力的计算机,编制计算机运行程序,数值求解满足不同种类流体的流动和传热规律的质量守恒、动量守恒和能量守恒三大守恒规律,及附加的各种模型方程所组成的非线性偏微分方程组,得到确定边界条件下的数值解。兼有理论性和实践性的双重特点,为现代科学中许多复杂流动与传热问题提供了有效的解决方法。
随着社会的发展,《计算流体力学》在各个流域的应用越来越广泛,其重要性也越来越明显。然而,由于《计算流体力学》是一门综合各方面知识的专业课程,所以,要想学好这门课程也很困难。特别是作为很多工科专业硕士研究生的必修课程以及毕业后对这门课程的应用更显得需要更好的掌握这门课。但是从最后的教学效果来看,大多都是不尽人意,学者感到困惑,教者也感到尽了最大的努力。所以,如何提高《计算流体力学》的学习质量是我们需要研究的问题。本文认为要想提高学习质量可以从以下几方面入手。
1 对理论知识的理解
《计算流体力学》顾名思义此门课程既有《流体力学》的知识,也有计算方面的问题,是要两者皆备。作为学习《计算流体力学》的这门课程的硕士研究生首先要把《流体力学》里面的知识结构搞清楚,如连续性微分方程、运动微分方程、初始条件、边界条件,特别是对于紊流(湍流)理论也要深入的理解,弄清楚方程中每项的含义以及用什么形式的紊流模型。同时也需要一定的数学知识,比如关于导数的问题、关于微分方程如何离散的问题、关于数学物理方程问题、关于数值分析中如何对方程组迭代来解方程的问题等等。其理论知识是流体知识和数学知识的一个综合。
2 明白网格的结构
对于《计算流体力学》的方程要进行离散,就需要把带有导数的偏微分方程变成代数方程,代数方程里面涉及到节点和网格划分问题,作为初学者来说对于这样的划分往往在节点排列标注问题上出现迷惑,为此建议自制网格平面(或者立体)模型,这样直观简单明了,也不容易出错,同时也加深了对空间的想象力,各个网格节点标号之间的关系也一清二楚,为编制计算机程序进行正确的计算打下一个良好的基础。
3 熟悉至少一门高级计算机程序语言
在搞清楚《计算流体力学》里面的流体力学和数学方面的知识之后,还需要至少掌握一门计算机程序语言。对于流体力学里面的偏微分方程直接用我们在中学阶段学习的方法是解不出答案的。对此,首先必须对这样的偏微分方程进行离散化为代数方程,而此时的代数方程是需要利用数值分析中不断迭代的方法来解决的,这个不断的迭代就需要我们编制计算机程序来实现,为此,不会编制计算机程序是解不出来的。所以,学习好至少一门计算机程序语言也是掌握《计算流体力学》关键的一步。
4 熟悉一种后处理计算机软件
我们通过编制程序用计算机算出结果后,如速度、压强等参数是存在计算机内的一大堆数据,这些数据是我们自己不能直接看出规律出来的。所以还需要掌握一门处理数据的软件来显示结果(如等速线、等压线、速度的变化曲线、压强变化曲线)。这些后处理软件是必不可少的。这样的软件如TECPLOT、FLUENT等等。
5 要自己实践
每学好一门课程,大家知道,光听老师讲道理是不行的,那只是一个理论知识。对于理论知识的消化吸收还需要我们自己亲自来做,对于《计算流体力学》这门课程就需要我们自己从方程开始一直到计算程序的编制和算出结果到后处理,必须每一步都做一做来体会才有可能提高自己的水平。
6 和试验对比
以前有人认为学好《计算流体力学》只要把上面的几部分搞清楚就可以了。在我看来那是远远不够的。大家知道实践是检验真理的唯一标准。所以,进行数值计算的结果是不是正确的、是不是反映了客观的真实,是需要试验来检验的。因此做试验是必须的。只有通过试验我们才可以检验数值模拟计算的结果是否正确。如果不能正确找出错误在哪里,是理论模型问题还是计算编制程序问题,不断更改自己的计算模型和程序才能达到理论和实践的统一。如果自己不能亲自做试验,也需要把自己的计算结果和以前别人做过试验做一比较。逐步提高自己的数值模拟的能力。这样的话,一方面掌握了理论的知识;另一方面自己的实践能力也得到很大的提高。对于以后用数值分析其它的流体力学方面的知识是大有帮助的。
总之,从以上分析研究的内容来看,要学好《计算流体力学》这门课,需要综合各个方面的知识,如流体力学知识、数学知识和计算机知识等等。同时还需要一定实践能力,达到这几方面的结合才能做计算流体力学方面的行家里手。要做到这些,没什么捷径可言,只有老老实实扎扎实实努力才可以达到。
资助项目：河南省科技厅重点改关项目（102102310362）；河南省重点学科（507907）。
教改项目：河南理工大学研究生教学改革项目（2010YJ04）。
基金项目：河南理工大学博士基金（B2010-33）；河南理工大学开放实验室基金项目（SKJA1009）。