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第1章 计算流体动力学基础知识1

1.1 计算流体动力学概述1

1.1.1 什么是计算流体动力学1

1.1.2 计算流体动力学的工作步骤2

1.1.3 计算流体动力学的特点2

1.1.4 计算流体动力学的应用领域3

1.1.5 计算流体动力学的分支4

1.2 流体与流动的基本特性4

1.2.1 理想流体与粘性流体4

1.2.2 牛顿流体与非牛顿流体5

1.2.3 流体热传导及扩散5

1.2.4 可压流体与不可压流体6

1.2.5 定常与非定常流动6

1.2.6 层流与湍流6

1.3 流体动力学控制方程7

1.3.1 质量守恒方程7

1.3.2 动量守恒方程7

1.3.3 能量守恒方程9

1.3.4 组分质量守恒方程10

1.3.5 控制方程的通用形式11

1.4 对控制方程的进一步讨论11

1.4.1 湍流的控制方程12

1.4.2 守恒型控制方程12

1.4.3 非守恒型控制方程12

1.5 CFD的求解过程13

1.5.1 总体计算流程13

1.5.2 建立控制方程13

1.5.3 确定边界条件与初始条件14

1.5.4 划分计算网格14

1.5.5 建立离散方程14

1.5.6 离散初始条件和边界条件15

1.5.7 给定求解控制参数15

1.5.8 求解离散方程15

1.5.9 判断解的收敛性15

1.5.10 显示和输出计算结果16

1.6 CFD软件结构16

1.6.1 前处理器16

1.6.2 求解器17

1.6.3 后处理器17

1.7 常用的CFD商用软件18

1.7.1 PHOENICS18

1.7.2 CFX19

1.7.3 STAR-CD20

1.7.4 FIDAP21

1.7.5 FLUENT21

1.8 本章小结22

1.9 复习思考题23

第2章 基于有限体积法的控制方程离散24

2.1 离散化概述24

2.1.1 离散化的目的24

2.1.2 离散时所使用的网格25

2.1.3 常用的离散化方法25

2.2 有限体积法及其网格简介26

2.2.1 有限体积法的基本思想26

2.2.2 有限体积法所使用的网格27

2.2.3 网格几何要素的标记28

2.3 求解一维稳态问题的有限体积法28

2.3.1 问题的描述28

2.3.2 生成计算网格29

2.3.3 建立离散方程29

2.3.4 离散方程的求解31

2.4 常用的离散格式31

2.4.1 术语与约定32

2.4.2 中心差分格式33

2.4.3 一阶迎风格式34

2.4.4 混合格式36

2.4.5 指数格式36

2.4.6 乘方格式37

2.4.7 各种离散格式的汇总38

2.4.8 低阶格式中的假扩散与人工粘性39

2.5 空间离散的高阶离散格式39

2.5.1 二阶迎风格式39

2.5.2 QUICK格式40

2.5.3 对高阶格式的讨论43

2.6 各种离散格式的性能对比44

2.7 一维瞬态问题的有限体积法45

2.7.1 瞬态问题的描述45

2.7.2 控制方程的积分46

2.7.3 显式时间积分方案48

2.7.4 Crank-Nicolson时间积分方案49

2.7.5 全隐式时间积分方案50

2.8 关于有限体积法的进一步讨论51

2.8.1 被求函数的离散格式51

2.8.2 方程组的形式51

2.8.3 源项的处理52

2.8.4 有限体积法的四条基本原则52

2.9 二维与三维问题的离散方程54

2.9.1 二维问题的基本方程54

2.9.2 二维问题的控制体积54

2.9.3 二维问题控制方程的积分55

2.9.4 二维问题的离散方程56

2.9.5 三维问题的离散方程57

2.9.6 离散方程的通用表达式57

2.10 本章小结61

2.11 复习思考题62

第3章 基于SIMPLE算法的流场数值计算63

3.1 流场数值解法概述63

3.1.1 常规解法存在的主要问题63

3.1.2 流场数值计算的主要方法65

3.2 交错网格及其应用67

3.2.1 使用普通网格计算流场时遇到的困难67

3.2.2 交错网格的特点68

3.2.3 动量方程的离散70

3.3 流场计算的SIMPLE算法74

3.3.1 SIMPLE算法的基本思想74

3.3.2 速度修正方程75

3.3.3 压力修正方程76

3.3.4 SIMPLE算法的计算步骤78

3.3.5 SIMPLE算法应用实例78

3.3.6 对SIMPLE算法的讨论81

3.4 SIMPLER/SIMPLEC/PISO算法83

3.4.1 SIMPLER算法83

3.4.2 SIMPLEC算法86

3.4.3 PISO算法87

3.4.4 SIMPLE系列算法的比较91

3.5 瞬态问题的数值计算91

3.5.1 瞬态问题的SIMPLE算法91

3.5.2 瞬态问题的PISO算法92

3.6 基于同位网格的SIMPLE算法93

3.6.1 同位网格简介94

3.6.2 动量方程的离散94

3.6.3 压力修正方程的建立95

3.6.4 同位网格上SIMPLE算法的计算步骤97

3.6.5 关于同位网格应用的几点说明98

3.7 基于非结构网格的SIMPLE算法99

3.7.1 非结构网格及控制体积的定义99

3.7.2 通用控制方程的离散100

3.7.3 动量方程的离散102

3.7.4 速度修正方程的建立103

3.7.5 压力修正方程的建立104

3.7.6 非结构网格上SIMPLE算法的计算步骤105

3.7.7 关于非结构网格应用的几点说明106

3.8 离散方程组的基本解法107

3.8.1 对流-扩散问题的离散方程组的特点107

3.8.2 代数方程组的基本解法108

3.8.3 TDMA解法108

3.9 本章小结110

3.10 复习思考题111

第4章 三维湍流模型及其在CFD中的应用113

4.1 湍流及其数学描述113

4.1.1 湍流流动的特征113

4.1.2 湍流的基本方程114

4.2 湍流的数值模拟方法简介116

4.2.1 三维湍流数值模拟方法的分类116

4.2.2 直接数值模拟（DNS）简介116

4.2.3 大涡模拟（LES）简介117

4.2.4 Reynolds平均法（RANS）简介118

4.3 零方程模型及一方程模型119

4.3.1 零方程模型119

4.3.2 一方程模型120

4.4 标准k-ε两方程模型120

4.4.1 标准k-ε模型的定义121

4.4.2 标准k-ε模型的有关计算公式121

4.4.3 标准k-ε模型的控制方程组122

4.4.4 标准k-ε模型方程的解法及适用性123

4.5 RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型124

4.5.1 RNG k-ε模型124

4.5.2 Realizable k-ε模型125

4.6 在近壁区使用k-ε模型的问题及对策126

4.6.1 近壁区流动的特点126

4.6.2 在近壁区使用k-ε模型的问题128

4.6.3 壁面函数法128

4.6.4 低Re数k-ε模型131

4.7 Reynolds应力方程模型（RSM）132

4.7.1 Reynolds应力输运方程132

4.7.2 RSM的控制方程组及其解法136

4.7.3 对RSM适用性的讨论137

4.8 代数应力方程模型（ASM）137

4.8.1 ASM的应力方程138

4.8.2 ASM的控制方程组及其求解138

4.8.3 ASM的特点138

4.9 大涡模拟（LES）139

4.9.1 大涡模拟的基本思想139

4.9.2 大涡的运动方程139

4.9.3 亚格子尺度模型140

4.9.4 LES控制方程的求解141

4.10 本章小结142

4.11 复习思考题142

第5章 边界条件的应用144

5.1 边界条件概述144

5.1.1 边界条件的类型144

5.1.2 边界条件对网格布置的影响145

5.1.3 将边界条件引入到离散方程146

5.2 流动进口边界条件146

5.2.1 流动进口边界条件的设置146

5.2.2 对流动进口边界条件的说明147

5.3 流动出口边界条件148

5.3.1 流动出口边界条件的设置148

5.3.2 对流动出口边界条件的说明150

5.4 壁面条件150

5.4.1 壁面边界上的网格布置150

5.4.2 壁面边界上离散方程源项的构造152

5.5 恒压边界条件154

5.6 对称边界条件与周期性边界条件156

5.6.1 对称边界条件156

5.6.2 周期性边界条件156

5.7 使用边界条件时的注意事项156

5.8 初始条件158

5.9 本章小结158

5.10 复习思考题158

第6章 网格的生成160

6.1 网格及其生成方法概述160

6.1.1 网格类型160

6.1.2 网格单元的分类161

6.1.3 单连域与多连域网格162

6.1.4 生成网格的过程162

6.1.5 生成结构网格的贴体坐标法162

6.1.6 生成网格的专用软件164

6.2 网格生成软件GAMBIT简介164

6.2.1 GAMBIT的特点164

6.2.2 GAMBIT的操作界面165

6.2.3 GAMBIT的操作步骤166

6.3 GAMBIT的基本用法167

6.3.1 二维自然对流换热问题的描述167

6.3.2 生成几何模型168

6.3.3 划分网格169

6.3.4 指定边界类型和区域类型170

6.3.5 导出网格文件172

6.4 AutoCAD与GAMBIT的联合使用172

6.4.1 二维离心泵流动模拟问题概述172

6.4.2 在AutoCAD内生成几何模型173

6.4.3 划分网格174

6.4.4 指定边界类型和区域类型176

6.5 Pro/ENGINEER与GAMBIT的联合使用177

6.5.1 三维轴流泵流动模拟问题概述177

6.5.2 在Pro/ENGINEER中生成叶片实体模型178

6.5.3 在GAMBIT中生成计算区域的实体模型179

6.5.4 三维问题的网格划分181

6.5.5 指定边界类型和体的类型182

6.6 本章小结182

6.7 复习思考题183

第7章 FLUENT软件的基本用法185

7.1 FLUENT概述185

7.1.1 FLUENT软件构成185

7.1.2 FLUENT适用对象186

7.1.3 FLUENT使用的单位制186

7.1.4 FLUENT使用的文件类型186

7.2 FLUENT求解步骤187

7.2.1 制订分析方案188

7.2.2 求解步骤188

7.3 FLUENT的操作界面189

7.3.1 文本命令与菜单189

7.3.2 Scheme表达式190

7.3.3 图形控制及鼠标使用191

7.4 使用网格191

7.4.1 导入网格191

7.4.2 检查网格193

7.4.3 显示网格193

7.4.4 修改网格194

7.4.5 光顺网格与交换单元面195

7.5 选择求解器及运行环境196

7.5.1 分离式求解器196

7.5.2 耦合式求解器196

7.5.3 求解器中的显式与隐式方案197

7.5.4 求解器的比较与选择198

7.5.5 计算模式的选择199

7.5.6 运行环境的选择199

7.6 确定计算模型200

7.6.1 多相流模型200

7.6.2 能量方程201

7.6.3 粘性模型202

7.6.4 辐射模型204

7.6.5 组分模型205

7.6.6 离散相模型206

7.6.7 凝固和熔化207

7.6.8 声学特性207

7.6.9 污染物模型207

7.7 定义材料208

7.7.1 材料简介208

7.7.2 定义材料的方法208

7.8 设置边界条件210

7.8.1 FLUENT提供的边界条件类型210

7.8.2 设置边界条件的方法212

7.8.3 给定湍流参数214

7.9 常用的边界条件216

7.9.1 压力进口216

7.9.2 速度进口219

7.9.3 质量进口220

7.9.4 压力出口221

7.9.5 出流222

7.9.6 压力远场223

7.9.7 壁面223

7.9.8 流体225

7.9.9 固体226

7.9.10 周期性227

7.9.11 对称227

7.9.12 内部界面228

7.10 设置求解控制参数228

7.10.1 设置离散格式与欠松弛因子228

7.10.2 设置求解限制项231

7.10.3 设置求解过程的监视参数231

7.10.4 初始化流场的解233

7.11 流场迭代计算234

7.11.1 稳态问题的求解234

7.11.2 非稳态问题的求解235

7.12 计算结果的后处理237

7.12.1 创建要进行后处理的表面237

7.12.2 显示等值线图、速度矢量图和流线图238

7.12.3 绘制直方图与XY散点图240

7.12.4 生成动画241

7.12.5 报告统计信息241

7.13 FLUENT应用实例242

7.13.1 导入并检查网格242

7.13.2 选择求解器及计算模型243

7.13.3 定义材料244

7.13.4 设置边界条件244

7.13.5 求解245

7.13.6 后处理246

7.14 UDF简介248

7.14.1 UDF功能248

7.14.2 UDF基本用法248

7.14.3 UDF应用实例249

7.15 本章小结252

7.16 复习思考题253

第8章 CFD综合应用实例254

8.1 偏心圆环内自然对流换热模拟254

8.1.1 自然对流换热过程模拟254

8.1.2 计算结果255

8.2 轴流泵叶轮的性能预测256

8.2.1 轴流泵内部流动特点256

8.2.2 叶轮内的流动模拟257

8.2.3 流场模拟结果258

8.3 风机的优化设计259

8.3.1 问题描述259

8.3.2 计算域与网格处理260

8.3.3 计算参数及边界条件设置260

8.3.4 风机内部的流态分析261

8.3.5 风机改造思路261

8.4 含有自由表面的河流跌坎分析262

8.4.1 问题的描述262

8.4.2 网格及模型的处理263

8.4.3 计算模型的设定263

8.4.4 边界条件的设定264

8.4.5 求解控制参数的设置264

8.4.6 瞬态问题的计算结果264

8.5 温室自然通风模拟265

8.6 本章小结267

参考文献268