《CFD技術(shù)及應(yīng)用》課程教學大綱課程名稱：CFD技術(shù)及應(yīng)用CFDTechnologyandApplication課程編號：021060400課程性質(zhì)：□必修R選修課程類別：□通識課程R專業(yè)課程￡實踐教學適用專業(yè)：新能源科學與工程課程學時：總學時32，其中：理論24、實驗8課程學分：2應(yīng)開課學期：第七學期先修課程：工程熱力學、流體力學、傳熱學一、課程簡介本課程為新能源科學與工程專業(yè)的專業(yè)課，課程性質(zhì)為選修。本課程主要講授計算流體動力學(CFD)的基本原理、數(shù)值計算方法、CFD軟件及其在新能源開發(fā)及綜合利用中的應(yīng)用等。該課程以有限體積法為核心，詳細介紹流體流動與傳熱問題的控制方程、空間及時間離散格式、湍流模型及數(shù)值解法，并結(jié)合FLUENT軟件，以實例方式介紹CFD軟件原理及其在流場分析、傳熱計算及多相流模擬等方面的應(yīng)用，為學生后繼專業(yè)課的學習及將來從事新能源開發(fā)及綜合利用方面的專業(yè)技術(shù)工作等打下牢固基礎(chǔ)。二、課程教學的目標及與畢業(yè)要求的關(guān)系（一）課程目標課程總目標：掌握CFD的基本理論和主要思想方法，會運用CFD軟件研究復雜流動及傳熱過程和解決工程實際問題。課程目標1：掌握CFD的基本原理，學會使用相關(guān)CFD軟件研究流體流動和傳熱的基本問題。課程目標2：具備數(shù)值分析工程流動和傳熱問題的基本能力，為從事利用CFD方法進行能源與動力相關(guān)產(chǎn)品部件設(shè)計、開發(fā)研究等奠定基礎(chǔ)。（二）課程目標與畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系本課程目標支持的主要畢業(yè)要求如下表：課程目標畢業(yè)要求1．掌握CFD的基本原理，學會使用相關(guān)CFD軟件研究流體流動和傳熱的基本問題。畢業(yè)要求2：能夠應(yīng)用新能源科學與工程理論與技術(shù)，并結(jié)合數(shù)學、自然科學等基本原理，通過理論分析和文獻研究，對新能源勘查、開發(fā)、利用過程中遇到的問題進行綜合分析。具備獨立思考、善于發(fā)現(xiàn)和提出問題并獨立分析工程問題的能力，掌握基本的分析問題和總結(jié)歸納的方法。畢業(yè)要求5：能夠針對新能源勘查、開發(fā)及綜合利用中的問題，開發(fā)、選擇與使用恰當?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，并掌握文獻檢索、資料查詢及運用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取相關(guān)信息的基本方法。2．具備數(shù)值分析工程流動和傳熱問題的基本能力，為從事利用CFD方法進行能源與動力相關(guān)產(chǎn)品部件設(shè)計、開發(fā)研究等奠定基礎(chǔ)。畢業(yè)要求2：能夠應(yīng)用新能源科學與工程理論與技術(shù)，并結(jié)合數(shù)學、自然科學等基本原理，通過理論分析和文獻研究，對新能源勘查、開發(fā)、利用過程中遇到的問題進行綜合分析。具備獨立思考、善于發(fā)現(xiàn)和提出問題并獨立分析工程問題的能力，掌握基本的分析問題和總結(jié)歸納的方法。畢業(yè)要求5：能夠針對新能源勘查、開發(fā)及綜合利用中的問題，開發(fā)、選擇與使用恰當?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，并掌握文獻檢索、資料查詢及運用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取相關(guān)信息的基本方法。三、課程教學的基本內(nèi)容及教學安排（一）課程教學的內(nèi)容及學時安排知識單元知識點學時數(shù)課程目標線下授課線上授課實驗/實踐1.CFD基礎(chǔ)知識知識點1.1：CFD概述；知識點1.2：流體與流動的基本特性；知識點1.3：流體動力學控制方程；知識點1.4：CFD的求解過程；知識點1.5：CFD軟件結(jié)構(gòu)；知識點1.6：常用CFD商業(yè)軟件。3課程目標12.基于有限體積法的控制方程離散知識點2.1：有限體積法及其網(wǎng)格簡介；知識點2.2：一維穩(wěn)態(tài)問題的有限體積法；知識點2.3：一維瞬態(tài)問題的有限體積法；知識點2.4：二維與三維問題的離散方程。3課程目標13.基于SIMPLE算法的流場數(shù)值計算知識點3.1：交錯網(wǎng)格及其應(yīng)用；知識點3.2：流場計算的SIMPLE算法；知識點3.3：瞬態(tài)問題的數(shù)值計算；知識點3.4：基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的SIMPLE算法知識點3.4：離散方程組的基本解法。4課程目標14.湍流模型簡介知識點4.1：湍流的數(shù)值模擬方法簡介；知識點4.2：零方程模型及一方程模型；知識點4.3：標準兩方程模型；知識點4.4：RNG模型和Realizable模型；知識點4.5：Reynolds應(yīng)力方程模型（RSM）。2課程目標15.邊界條件的應(yīng)用知識點5.1：邊界條件概述；知識點5.2：流動進、出口邊界條件；知識點5.3：壁面條件；知識點5.4：對稱邊界條件與周期性邊界條件知識點5.5：初始條件。2課程目標16.網(wǎng)格的生成知識點6.1：網(wǎng)格及其生成方法概述；知識點6.2：網(wǎng)格生成軟件ICEFCFD簡介知識點6.3：ICEFCFD的基本用法22課程目標17.FLUENT軟件的基本用法知識點7.1：FLUENT概述；知識點7.2：FLUENT求解步驟；知識點7.3：網(wǎng)格導入；知識點7.4：選擇求解器及運行環(huán)境；知識點7.5：模型設(shè)置；知識點7.6：邊界條件及控制參數(shù)設(shè)置；知識點7.7：后處理。42課程目標18.CFD綜合應(yīng)用實例知識點8.1：圓管內(nèi)水流的層流流動模擬；知識點8.2：溫室自然通風模擬。44課程目標2合計248（二）課堂實驗/實踐教學內(nèi)容及要求序號項目名稱內(nèi)容、要求學時實驗/實踐類別實驗/實踐類型每組人數(shù)必做/選做課程目標1ICEMCFD網(wǎng)格劃分熟悉并掌握ICEMCFD網(wǎng)格劃分的基本操作及結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分流程。2上機操作1必做課程目標12FLUENT軟件基本操作熟悉并掌握FLUENT軟件的前處理、數(shù)值計算和后處理的流程。2上機操作1必做課程目標13圓管內(nèi)水流的層流流動模擬熟悉并掌握采用FLUENT軟件進行流體流動的操作步驟和流程。2上機操作1必做課程目標24溫室自然通風的FLUENT模擬熟悉并掌握采用FLUENT軟件進行流體流動和換熱的操作步驟和流程。2上機操作1必做課程目標2基本要求1．嚴格按輔導教師及實驗指導書上所講的操作步驟進行實驗；2．每次實驗前，學生應(yīng)認真預(yù)習有關(guān)的實驗內(nèi)容；3．學生完成實驗后須撰寫實驗報告。注：實驗/實踐類別：專業(yè)、上機等實驗/實踐類型：操作型、驗證型、演示型、綜合型等。四、本課程與其他課程的聯(lián)系本課程的預(yù)修課程為《大學物理》、《工程熱力學》、《流體力學》和《傳熱學》，這些課為本課程的學習提供了必須的數(shù)學、力學和傳熱學基礎(chǔ)知識。本課程是新能源科學與工程專業(yè)學生學習地熱能和非常規(guī)天然氣開發(fā)等相關(guān)專業(yè)課的基礎(chǔ)。五、教材與其他教學資源（含教學參考書或在線資源）（一）建議教材（建議選用新出版的國家級規(guī)劃教材）[1]王福軍.計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應(yīng)用[M].清華大學出版社,2004.[2]JohnD.Anderson.吳頌平,劉森淼,譯.計算流體力學基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社,2015.（二）其他教學資源[1]韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與運用[M].北京理工大學出版社,2005.[2]劉斌.Fluent19.0流體仿真從入門到精通[M].清華大學出版社,2019.[3]丁源.ANSYSICEMCFD網(wǎng)格劃分從入門到精通[M].清華大學出版社,2020.六、教學方法與學習建議授課方式：教學過程中采用多媒體課件、自學與討論等相結(jié)合的啟發(fā)式、互動式、討論式和研究式相結(jié)合的教學方式，可以充分發(fā)揮學生在學習中的主體作用，充分調(diào)動學生的主動性、積極性，讓學生能在課堂中主動參與，使課堂成為積極互動的、高質(zhì)高效的課堂，使學生和教師一道成為課堂的主人。多媒體課件主要用于課程要點、難點的講解，圖形圖像資料和模擬演示等。自學與討論通過網(wǎng)絡(luò)課堂、資料閱讀、習題練習、課堂討論等形式來完成非重點難點和描述性內(nèi)容的學習；鼓勵學生通過閱讀參考文獻、撰寫課程論文、開展課堂討論來調(diào)動主動學習的積極性。課程教學中強調(diào)基本理論、基本方法的教授與實踐能力培養(yǎng)并舉，且注重素質(zhì)教育，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。考慮到學科的特殊性，為了追蹤學科發(fā)展的前沿，保持教學內(nèi)容的先進性，需要年年更新或充實講稿內(nèi)容。重點：CFD基本概念、工作步驟、流體與流動的基本特性、CFD控制方程、CFD求解過程、離散化、有限體積法、顯式與隱式、SIMPLE算法、湍流模型、邊界條件及其適用范圍、網(wǎng)格類型及分類、FLUENT軟件、FLUENT軟件模擬工程流動問題的步驟和方法、FLUENT軟件模擬流動和傳熱問題的步驟和方法難點：CFD求解過程、SIMPLE算法、湍流模型、FLUENT軟件模擬流動和傳熱問題的步驟和方法后續(xù)自主學習建議：CFX和COMSOL等其他CFD軟件的操作和運用、CFD理論和技術(shù)在新能源科學與工程專業(yè)其他課程中的應(yīng)用、CFD理論和技術(shù)在新能源開發(fā)與利用中的重要作用及其發(fā)展趨勢。七、課程考核及成績評定方式（一）課程考核本課程成績評定包括平時考核（課堂出勤率）、過程考核（隨堂問答、課堂測驗、課后作業(yè)和上機操作）和終結(jié)性評價（期末考試）三部分，其中平時成績占課程總成績的10％，過程成績占課程總成績的40％，終結(jié)性評價成績占課程總成績的50％。具體要求及評分方法如下：平時成績：出勤成績采用扣分制，每缺勤一次扣平時成績1分，每遲到或早退一次扣平時成績0.5分，無故曠課4次以上者取消本次課程成績，占總成績的10%。過程成績：課堂測驗、課后作業(yè)要求學生必須獨立完成，未按時提交作業(yè)或作業(yè)有抄襲（雷同）現(xiàn)象的，該次作業(yè)成績按零分計，占總成績的10%。課程回答問題與課堂討論采用鼓勵方式進行，積極主動回答問題且回答正確的一次加4分、積極主動回答問題但回答錯誤的一次加2分、不積極主動回答問題的0分，占總成績的10%。按時完成上機操作實驗并提交上機操作實驗報告的計5分，上機實驗報告有抄襲（雷同）現(xiàn)象的，該次實驗成績按零分計，上機實驗成績占總成績的20%。終結(jié)性評價：形式為閉卷考試，其成績占總成績的50%。（二）課程目標與考核內(nèi)容的關(guān)系課程具體目標與知識單元和考試內(nèi)容的關(guān)系如下：課程目標知識單元考試內(nèi)容1．掌握CFD的基本原理，學會使用相關(guān)CFD軟件研究流體流動和傳熱的基本問題。1.CFD基礎(chǔ)知識2.基于有限體積法的控制方程離散3.基于SIMPLE算法的流場數(shù)值計算4.湍流模型簡介5.邊界條件的應(yīng)用6.網(wǎng)格的生成7.FLUENT軟件的基本用法考核知識點：CFD基本概念、工作步驟、流體與流動的基本特性、CFD控制方程、CFD求解過程、離散化、有限體積法、顯式與隱式、SIMPLE算法、湍流模型、邊界條件及其適用范圍、網(wǎng)格類型及分類、FLUENT軟件考核要求：掌握CFD的基本概念、基本理論