悉尼大學AMME5202計算流體動力學課程為學生提供使用商業計算流體動力學軟件包以及在計算流體動力學領域開展研究的必要技能。學習完該課程后，學生將很好地理解計算流體動力學的基礎理論，包括離散性、準確性和穩定性。他們將能夠編寫簡單的求解器并使用復雜的商業 CFD 軟件包。

一、預期學習成果

1.撰寫咨詢報告。

2.計劃并管理一項重要的團隊項目。

3.評估工業和環境環境中常見的流體力學問題，構建和應用計算模型，確定關鍵的控制參數并將其與期望的結果聯系起來，并撰寫報告。

4.使用先進的商業計算流體動力學軟件包。

5.撰寫基本的Navier-Stokes求解器，并評估Navier-Stokes求解器的穩定性、準確性和收斂性。

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二、流體動力學基本知識點補習

1.什么是流體動力學?

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

來自多個領域的科學家研究流體動力學。流體動力學提供了研究恒星演化、海洋洋流、天氣模式、板塊構造甚至血液循環的方法。流體動力學的一些重要技術應用包括火箭發動機、風力渦輪機、油管道和空調系統。

2.流體的類型有哪些?

a.理想流體：當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。它是一種在現實中不存在的虛構流體。

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：當剪切應力與速度梯度成正比且剪切應力大于屈服值時，稱之為理想塑性流體。

f.不可壓縮流體：當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。這一現象最早由丹尼爾·伯努利于1738年在他的著作《流體力學》中描述，通常被稱為伯努利定理。它可以應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.流體動力學中的問題

科學家經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“在流體內的連續線，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，在湍流或非穩定流動的情況下，這些線可能會有很大的不同。

大多數流體動力學問題都太復雜，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值方法來解決。這一研究領域稱為數值或計算流體動力學(CFD)，南薩德將其定義為“提供流體流動數值預測的計算機科學分支”。然而，由于湍流流動往往是非線性和混沌的，因此在設置這些模擬的規則和初始條件時必須特別小心。一開始的微小變化可能導致結果的很大差異。

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

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