«计算流体力学»
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课程
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This is an introductory graduate level CFD course. The goal is to learn
how to solve the Euler and Navier-Stokes equations in fluid mechanics or gas dynamics.
Various numerical solution techniques will be introduced and
applied to several course projects.
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引论
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计算流体力学(简称为CFD)是流体力学的一门分支学科,
始于20世纪三十年代初的计算机模拟技术，集流体力学、数值计算方法以及计算机图形学于一体; 是一种用于分析流体流动性质的计算技术, 包括对各种类型的流体在各种速度范围内的复杂流动在计算机上进行数值模拟计算.
- 使用CFD，首先得建立想研究的问题的数学模型、可计算模型、计算方法；然后将流体流动的物理特性应用于计算模型，
运行CFD软件或程序, 输出想要的流体动力学性质.
CFD不仅可预测流体的行为, 而且还可得到传质(如分离和溶解)，传热，相变(如凝固和沸腾)，化学反应(如燃烧)，机械运动(涡轮机)，
以及相关结构的压力和变形(如风中桅杆的弯曲)等性质.
目前, CFD的应用领域已经非常广泛, 例如航空、航天、国防、船舶、交通、水利、环境和空调制冷等都是CFD技术应用的重要领域.
其它应用领域有: 风力发电、火灾模拟、冶金工业、船舶制造业、高层建筑物设计、汽车制造等.
- 之所以要使用CFD，至少基于以下三点：
(1).通常的系统是很难模型化的，而CFD的分析能够展示别的手段所
不能揭示的系统的性质和现象，因为CFD对你的设计有很强的理解和可视能力;
(2).CFD能够快速的给出想要的结果，一旦给定问题的参量; 这样才有可能在很短的时间内调整设计的问题的参数，得到最好的优化结果;
(3). 采用CFD是一种十分经济的做法. 由于它的开发周期短，因此能节省大量的人力物力，使产品能更快的进入市场.
- CFD包括前处理(preprocessing),
流场计算以及后处理(postprocessing).
前处理要准备计算所必需的数据, 包括几何建模、数据录入(或从CAD中导入)、区域离散/网格生成等；
流场计算根据具体的模型, 完成相应的计算任务, 并生成结果数据；
后处理是对生成的结果数据进行分析和诠释,
一般以直观可视的图形形式给出来.
- CFD相关的软件有：
Gambit, Tgrid, GridPro, GridGen, ICEM CFD, Gmsh用于前处理;
Fluent, OpenFOAM, POLYFLOW 用于计算分析;
Ensight, IBM Open Visulization Explorer, Field View, AVS 用于后处理; Ansys，MAYA 提供综合的处理能力;
Icepak, Airpak, Mixsim 特殊领域的应用. 这些CFD软件功能强大，应用十分广泛. 在航天航空，环境污染，生物医学，
电子技术等等各个领域，它们发挥了巨大的作用，世界上有越来越多的工程师更倾向于使用这些软件来完成自己的设计.
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实用软件
- AI赋能:
- 编程
- VS Code: a free and versatile code editor that supports almost every major programming language and framework. It integrates GitHub Copilot, an AI-powered feature.
- Code::Blocks: The open source, cross platform, free C, C++ and Fortran IDE.
- GCC； GNU Fortran.
其它资源
- Python.
Online Python(IDE, Editor, Compiler, Interpreter).
Julia.
- 排版学术论文
- LaTeX:
数学物理论文排版工具. 强烈推荐学会使用它.
Window下可以使用中文TeX套装, MikiTe, TeXlive; Mac OS下可用MacTeX.
- Beamer: 做投影幻灯片(slide). 教程.
- TeXmacs: a free scientific editing platform designed to create beautiful technical documents using a wysiwyg interface.
- 前处理
- Gmsh: A 3D finite element mesh generator with built-in
CAD engine and post-processor.
- Easymesh:
一个简单易用的二维三角形网格产生器.
https://www.cnblogs.com/opencascade/p/6258012.html
- Altair
HyperMesh is a high-performance finite element pre-processor that provides a highly
interactive and visual environment to analyze product design performance.
- Truegrid: 专业级的FEA/CFD网格划分软件--强大的六面体网格剖分功能.
- Pointwise Gridgen: CFD meshing software.
- DistMesh: A Simple Mesh Generator in MATLAB.
- 数据可视化
- Gnuplot: 一个简单的且是免费的软件, 可以绘制二维和三维图形.
- ParaView: an open-source, multi-platform data analysis and visualization application.
- IBM Data Explorer
(也可参见这里):
该工具绘制的图形的色彩等较漂亮; 对中文文档感兴趣的同志点击 这里.
- Tecplot:
CFD专业化的可视化软件, 但它是商业化的软件.
- 其它CFD软件
- FEniCS: 是一个流行的用于求解偏微分方程的开源(LGPLv3)计算平台.
- OpenForm: offer a range of CFD services using the open source OpenFOAM CFD toolbox.
- PLUTO: A numerical code for computational astrophysics.
- github上可搜索一些免费CFD程序/软件.
- pudn上可搜索一些免费CFD程序.
- sourceforge上可搜索一些免费CFD软件/程序.
- MAYA ESC:
提供了一整套模拟电子系统中的三维空气流动和热力学性质的工具，
- Fluent;
- CFX
- CVS使用指南/步骤:
1. 将附件中的文件 .cvspass 放在您的 home 目录下面, 例如/home/hztang/；
2. 设置环境变量 CVSROOT ：
export CVSROOT=:pserver:rli@circus.math.pku.edu.cn:/home/cvsroot
3. 建立初始化的目录结构：进入一个你准备放置这个项目的目录，运行
cvs checkout opendx_doc
这样，你就建立了使用 CVS 进行工作的环境了。
在以后进行工作的时候，你如果要新加入一个文件或者目录，在该文件或者目录所在
的位置运行命令：
cvs add filename
如果你开始工作，想将服务器上的文件更新到你的机器上，在 opendx_doc 目录下使
用命令
cvs update
如果你结束了一个阶段的工作要将自己的文件放到服务器上，在 opendx_doc 目录下
使用命令
cvs commit
就行了。
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网络资源
Hot Links
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Rheolef :
A finite element C++ code with application of Navier-Stokes equation: the driven cavity problem.
- A Brief History of CFD
- Timothy J. Barth,
Aspects of Unstructured Grids and Finite-Volume Solvers for the Euler and Navier-Stokes
Equations, AGARD Report 787, 6.1-6.61, 1992.
- Thomas H. Pulliam,
Solution methods in computational Fluid Dynamics, Lecture Notes for the von Kármán Institute For Fluid Dynamics, 1985.
- Eli Turkel,
Central Difference Methods for Aerodynamic Problems, VKI Lecture Notes, 1997.
- Antony Jameson
- Dimitri J. Mavriplis
- Geller, S.; Krafczyk, M.; T??lke, J.; Turek, S.; Hron, J.: Benchmark computations based on Lattice-Boltzmann, Finite Element and Finite Volume Methods for laminar Flows, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, Nummer 274, FB Mathematik, Universit??t Dortmund, 2004
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Scalable Linear Solvers:
"An Algebraic Multigrid Tutorial,"
by Van Emden Henson. Presented at the Ninth Copper Mountain Conference on Multigrid Methods, Copper Mountain, CO, April 10, 1999. UCRL-MI-133749
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Georges-Henri Cottet: vortex methods
- Michael L. Minion and David L. Brown, Performance of Under-resolved Two-dimensional Incompressible Flow Simulations II, J. Comput. Phys., 138, 734 -- 765, 1997.
- The Legacy and Future of CFD at Los Alamos
- Chebyshev and Fourier Spectram Methods by John P. Boyd
- Multigrid Methods
- Generation of Finite Difference Formulas
on Arbitrarily Spaced Grids, Math. Comput., Bengt Fornberg, 51(1988), 699-706.
- Multigrid manuscripts, Steve McCormick etc.
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A Multigrid Tutorial, 2nd Edition, William L. Briggs et al., SIAM 2000. MG Tutorial (slide), part1,
MG Tutorial (slide), part2.
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