课程代码及名称: EM003 计算流体与传热

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户妩冯
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1 课程代码及名称 : 计算流体与传热导师 : 刘应征, 杨波, 熊进标学分 : 3 授课语言 : 中文 / 英文必修 / 选修 : 必修授课方式 : 1. 课堂学习 2. 上机练习开课时间 : 秋季 / 春季学期先修课程 : 流体力学工程热力学传热学数学物理方程程序语言设计考核方式 : 1 课堂测验 :10% 2 出勤 :10% 3 大作业 :20% 4 期末考试 :60% 教材 / 参考书传热与流体流动中的数值计算,S.V. 帕坦卡著, 张政译, 科学出版社,1985 计算流体力学, 陈汉平主编, 水利电力出版社, 北京,1995 数值传热学, 陶文铨, 西安交通大学出版社, 西安,1988 Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Patankar S V, Washington: Hemisphere Publishing Corporation, 1980 课程描述 : 计算流体与传热为工程热物理学科中专业基础课, 同时适用于其他有关研究流动与传热的各相关专业计算机硬件与软件技术的飞速发展, 使人们可以通过数值计算技术求解相关的数学物理方程来分析流动与传热问题, 并且已经取得了一定的成就, 解决了一些工程实际问题所以近 50 年来计算流体力学 (CFD) 已经逐渐发展成为一门独立的学科分支与此同时, 国外还发展了许多著名的 CFD 商业软件但是流动与传热问题的复杂与多样性, 使得这些软件并不能完全解决实际工程问题, 还有许多难题正待解决通过本课程的学习, 学生将进一步加深对数学物理方程基本概念的理解从控制方程的离散差分方程的稳定性收敛性入手, 学习基本流体流动与传热区域的网格划分差分格式代数方程组的求解, 最终通过求得的结果, 分析研究区域的特点为今后从事相关的科研工作提供必要的基础知识课程培养目标 [Related ME Program Outcomes in brackets] 通过课程教学, 培养学生学习专业知识的能力和通过数值方法分析求解简单流体力学及传热问题的能力 (A5.1,A5.2), 通过上机训练和操作, 要求掌握基本的数值模拟技能 (A5.4), 为从事相关专业技术工作科学研究工作及管理工作提供重要的理论基础 (B2, C1,C2,C4), 并通过双语教学为将来从事国际合作性的研究工作打下语言基础 (B6) 相关课程培养目标标准 : A5.1 专业基础知识 ; A5.2 分析和解释数据的技能 ; A5.4 开放设计与解决问题技能 B2 发现分析和解决问题的能力 ; B4 与各类型的人合作共事的能力 B6 至少一种外语的应用能力 C1 志存高远意志坚强 ; C2 强烈的工作热情, 脚踏实地的工作精神 ; C4 思维敏捷乐于创新撰写者 : 刘应征, 杨波, 熊进标发布时间 : Nov. 11,

2 计算流体与传热课程教学大纲课程名称 : 计算流体与传热课程代码 : 学分 / 学时 :3 学分 /54 学时, 上课时间 : 每周 6 小时开课学期 : 秋季学期适用专业 : 动力机械工程流体机械及工程热能工程航空工程系 / 制冷与低温工程资源环境和核动力工程先修课程 : 流体力学工程热力学传热学数学物理方程程序语言设计后续课程 : 开课单位 : 机械与动力工程学院一课程性质和教学目标 ( 需明确各教学环节对人才培养目标的贡献, 专业人才培养目标中的知识能力和素质见附表 ) 课程性质 : 计算流体与传热为工程热物理学科中专业基础课, 同时适用于其他有关研究流动与传热的各相关专业教学目标 : 通过课程教学, 培养学生学习专业知识的能力和通过数值方法分析求解简单流体力学及传热问题的能力 (A5.1,A5.2), 通过上机训练和操作, 要求掌握基本的数值模拟技能 (A5.4), 为从事相关专业技术工作科学研究工作及管理工作提供重要的理论基础 (B2, C1,C2,C4), 并通过双语教学为将来从事国际合作性的研究工作打下语言基础 (B6) 通过本课程的学习, 学生将进一步加深对数学物理方程基本概念的理解从控制方程的离散差分方程的稳定性收敛性入手, 学习基本流体流动与传热区域的网格划分差分格式代数方程组的求解, 最终通过求得的结果, 分析研究区域的特点二课程教学内容及学时分配 ( 含实践自学作业讨论等的内容及要求 ) 1. 绪论计算流体与传热学的作用 (3 学时 ):(C1.1 C1.3 C4.3) 内容 : 了解计算流体与传热学实验流体与传热学理论流体与传热学等三者的关系, 了解计算流体与传热学的发展历史及发展趋势, 了解计算流体与传热学对流动 2

3 与传热相关学科的重要性 2. 流体流动的控制方程及其数学物理问题 (3 学时 / 课堂教学, 讨论, 测验 ): (A5.1) 内容 : 掌握流体流动的连续性方程动量方程 (Navier-Stokes 方程 ) 及能量守恒方程理解方程中各项的物理意义以及方程间的耦合关系重点 : 质量守恒动量守恒能量守恒难点 : 方程的非线性特征自学及要求 : 流体流动及传热过程的微分表述作业 : 章节习题 3. 控制方程的离散 (9 学时 / 课堂教学, 讨论, 测验 ):(A5.1, A5.2) 内容 : 计算区域的网格划分物理信息在网格中的存储空间的离散格式及其精度时间的离散格式及其精度各种离散格式的收敛性及稳定性重点 : 控制方程的空间离散方法时间上的显示及隐式离散难点 : 高精度离散方法自学及要求 : 建立流体微元静力平衡方程作业 : 章节习题 4. 线性方程系统的求解 (6 学时 / 课堂教学, 讨论, 测验 ):(A5.1 A5.2) 内容 : 单个线性方程的求解 : 直接求解法, 迭代求解法 ; 多方程系统地求解方法 ; 非线性方程的求解方法难点 : 单方程及多方程的迭代求解作业 : 章节习题 5. 导热问题的数值求解 (6 学时 / 课堂教学, 讨论, 测验 +2 学时习题课 ):(A5.1, A5.2, B2, B4, C2) 内容 : 一维及两维稳态导热问题的控制方程一维及两维瞬态导热问题的控制方程控制方程的离散线性方程组系统的求解重点 : 控制方程扩散项的离散控制方程时间项的离散线性方程组系统求解难点 : 线性方程组系统求解作业 : 章节习题团组大作业及要求 : 采用指定离散格式离散两维瞬态导热方程 3

4 6. 对流与扩散问题的数值解法 (6 学时 / 课堂教学, 讨论, 测验 ):( A5.1, A5.2, B3) 内容 : 掌握对流项的数值离散格式扩散项的数值离散格式一维对流与扩散问题的离散及求解二维对流与扩散问题的离散方法重点 : 对流项与扩散项的特点难点 : 对流项的非线性特征及其对数值离散格式的特殊要求作业 : 章节习题 7. 实际流场的求解 (9 学时 /2 课堂教学, 讨论, 测验 ):( A5.1, A5.2) 内容 : 掌握不可压缩流动中压力与速度耦合问题的特点及求解这类问题常用的压力修正方法了解同位网格在计算压力与速度耦合问题中的缺陷, 掌握交错网格的变量布置方法, 掌握 SIMPLE 算法的计算流程及 SIMPLE 算法的后续发展 -SIMPLER 和 SIMPLEC 方法重点 : 压力与速度耦合问题交错网格 SIMPLE 算法难点 : 不可压缩流动中压力与速度耦合问题的特点作业 : 章节习题 8. 湍流模拟 (6 学时 /2 课堂教学, 讨论, 测验 ):( A5.1, A5.2) 内容 : 介绍直接数值大涡模拟及雷诺平均等湍流计算方法, 了解各种方法的特点, 掌握雷诺平均法的推导过程, 初步了解闭合模型的必要性重点 : 湍流特征雷诺平均法难点 : 雷诺平均法闭合模型的推导作业 : 章节习题 9. 上机练习 (6 学时 / 实验 ):(A5.1, A5.2,A5.3,B2, B4) [1] 一维瞬态导热问题 ; [2] 一维稳态对流与扩散问题 ; 三教学方法课程教学以课堂讲学为主, 综合讨论上机练习作业网络录像等共同实施达到课程教学目标的核心保证是教材, 本课程采用的是国际著名学者 Patankar 4

5 的 Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, 其内容由浅入深, 从基本概念原理和方程出发, 层层深入, 对简单工程问题进行分析得到一些简单流动分析结果, 并能在工程中得到借鉴, 引导学生思考的方式在逐步深入的过程中使学生思考掌握教材十分注意利用思考题习题等开拓学生的思维, 教材每章的思考题和习题不仅仅只是简单巩固已有内容, 有些是加深内容的理解, 有些是内容的延伸教材配置的光盘提供的多媒体资料大大丰富了教学手段, 特别是现有大量的流体力学网络资源参考电子讲稿等为初学者和工程技术人员自主学习提供了配套的教学资源 5

6 课堂教学流程设计框图上课前次课内容回顾或作业讲评本次课内容提要核心知识点重点难点讲授自学内容确定能力提高知识点能力训练例题提问讨论真知获得作业其它收益课堂总结本章结束否改进教学是本章知识小结下次课内容预告改进教学下课本次教学过程回顾 6

7 四考核及成绩评定方式 (100%) 对课程考核方式 : 闭卷式笔试 + 平时测验及作业 + 出勤 + 大作业 1. 课堂测验 :10% 2. 出勤 :10% 3. 大作业 :20% 4. 期末考试 :60% 五教材及参考书目教材 : 传热与流体流动中的数值计算,S.V. 帕坦卡著, 张政译, 科学出版社,1985 参考书 : 计算流体力学, 陈汉平主编, 水利电力出版社, 北京,1995 数值传热学, 陶文铨, 西安交通大学出版社, 西安,1988 Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Patankar S V, Washington: Hemisphere Publishing Corporation,

课程代码及名称: ME 300 工程流体力学

课程代码及名称: ME 300 工程流体力学课程代码及名称 : ME6021 计算机图形学导师 : Peizhong Yang, Dan Jiang 必修 / 选修 : 选修授课方式 : 1. 普通授课 2. 课堂练习与讨论考核方式 : 1. Homework:30% 2. Course Design: 30% 3. Exam: 40% 学分 : 3 授课语言 : 中文开课时间 : 秋季学期先修课程 : Linear Algebra