传热与流动问题的多尺度数值模拟：方法与应用PDF电子书下载

前言 3

第一篇 基础篇 3

第1章 网格生成技术 3

1.1 三维结构化网格生成技术 3

1.1.1 引言 3

1.1.2 三维点控制的代数法结构化网格生成原理 4

1.1.3 三维点控制代数法结构化网格生成原理的实现 8

1.1.4 三维结构化网格生成技术应用举例 10

1.1.5 结论 1

1.2 圆柱坐标系中适体坐标的生成及其应用 11

1.2.1 适体坐标简介 12

1.2.2 有限容积法在圆柱轴对称适体坐标中的实施 13

1.2.3 应用举例 21

1.2.4 结论 28

1.3 非结构化网格的生成及其上N-S方程的求解技术 28

1.3.1 非结构化网格生成 29

1.3.2 非结构化网格上的SIMPLE算法 47

参考文献 54

第2章 对流项离散格式的构造 60

2.1 SCSD及SGSD格式 60

2.1.1 引言 60

2.1.2 SCSID格式 61

2.1.3 SGSD格式 62

2.1.4 SCSD格式与SGSID格式的比较 62

2.1.5 SGSD格式在多重网格中的有效性和经济性 67

2.1.6 小结 70

2.2 有限容积法中格式构造的一般方法 70

2.2.1 引言 70

2.2.2 对流项高阶格式构造的统一公式 71

2.2.3 对流项高精度绝对稳定格式的推导 76

2.2.4 二阶精度差分格式求解特性的分析 80

2.2.5 结论 92

2.3 对称奇阶格式的构造 93

2.3.1 传统的对流项“迎风”差分格式构造思想及离散格式的迁移性 93

2.3.2 “对称”三阶精度格式的推导和求解特性分析 94

2.3.3 “对称奇阶”格式构造理论的提出 109

2.3.4 结论 111

2.4 对流项离散格式有界性研究及有界性准则的改进 111

2.4.1 研究现状 111

2.4.2 GL-CBC的不足 113

2.4.3 界面插值规则的更严格的限制条件 115

2.4.4 基于上述讨论的新的CBC区域 117

2.4.5 与现有的有界组合格式的比较 118

2.4.6 GL-CBC与新CBC之间的数值比较 120

2.4.7 小结 122

2.5 对流项离散格式有界性条件的进一步完善 122

2.5.1 引言 122

2.5.2 通用对流有界性准则 123

2.5.3 有界高精度差分格式的构建条件 126

2.5.4 高分辨率组合格式中的一个问题及其改进措施 133

2.5.5 结论 135

参考文献 136

第3章 压力和速度的藕合算法 139

3.1 一种求解不可压缩流场的全隐算法—CLEAR算法 140

3.1.1 引言 140

3.1.2 CLEAR算法基本思想 141

3.1.3 CLEAR算法的计算步骤 142

3.1.4 第二松弛因子 142

3.1.5 CLEAR算法和SIMPLER算法的比较 142

3.1.6 数值比较条件 143

3.1.7 数值比较算例 143

3.1.8 结论 146

3.2 一种高效稳定的分离式算法—IDEAL算法 146

3.2.1 引言 146

3.2.2 IDEAL算法的计算步骤 147

3.2.3 算例比较条件和收敛标准 149

3.2.4 数值比较算例 150

3.2.5 结论 159

3.3 曲线坐标系下同位网格中SIMPLE系列算法的发展 159

3.3.1 引言 159

3.3.2 控制方程及其离散 161

3.3.3 算例考核 166

3.3.4 改进算法的收敛性及健壮性 170

3.3.5 结论 171

3.4 SIMPLE系列算法中压力边界条件的处理 172

3.4.1 引言 172

3.4.2 SIMPLE方法中静压力边界条件的处理方法 173

3.4.3 压力边界条件的程序实现 175

3.4.4 小结 183

参考文献 183

第4章 边界条件的处理和代数方程的求解 188

4.1 开口区域出口边界条件的处理 188

4.1.1 引言 188

4.1.2 出口存在回流时速度边界处理方法 189

4.1.3 周期性边界条件 191

4.1.4 结论 198

4.2 孤岛问题的数值处理 199

4.2.1 引言 199

4.2.2 孤岛处理方法简介 199

4.2.3 物理问题及数值方法 200

4.2.4 数值结果与实验验证 203

4.3 导热对流表面辐射耦合问题的数值处理 207

4.3.1 辐射表面处于求解区域的内部 207

4.3.2 固体辐射表面为求解区域的边界 209

4.3.3 数值方法的实验验证例子 21

4.4 迭代求解过程中拉格朗日初场插值方法的应用 212

4.4.1 引言 212

4.4.2 数值方法 213

4.4.3 数值试验 216

4.4.4 非结构化网格下初场插值方法的推广 224

4.4.5 结论 224

4.5 Krylov子空间法在SIMPLER算法中的应用研究 225

4.5.1 引言 225

4.5.2 Krylov子空间法在SIMPLER算法中的求解特性分析 225

4.5.3 不同代数方程求解方法收敛速度比较及对算法健壮性的影响分析 229

4.5.4 结论 232

参考文献 235

第5章 湍流与两相流的数值计算 242

5.1 方形截面通道内湍流的大涡模拟 243

5.1.1 引言 243

5.1.2 物理问题及数学描述 244

5.1.3 数值方法 245

5.1.4 程序考核 247

5.1.5 计算结果分析 248

5.1.6 结论 253

5.2 湍流的直接模拟 253

5.2.1 引言 253

5.2.2 控制方程 254

5.2.3 数值方法 256

5.2.4 结果分析与讨论 259

5.2.5 小结 267

5.3 旋转方形截面通道中湍流的直接模拟 267

5.3.1 引言 267

5.3.2 物理模型和数学模型 268

5.3.3 数值计算方法 269

5.3.4 控制方程的离散 270

5.3.5 模型1的结果及分析 271

5.3.6 模型2的结果及分析 278

5.3.7结论 284

5.4 非牛顿减阻流动的湍流直接数值模拟 285

5.4.1 引言 285

5.4.2 控制方程及数值计算方法 286

5.4.3 高精度紧致格式 287

5.4.4 ENO格式和WENO格式 291

5.4.5 数值算例及结果分析 294

5.4.6 结论 295

5.5 湍流可压缩分离流的数值研究 295

5.5.1 引言 295

5.5.2 控制方程和数值方法 296

5.5.3 计算结果与讨论 297

5.5.4 结论 310

5.6 VOSET—一种精确高效的界面捕捉方法 310

5.6.1 引言 310

5.6.2 求解流体体积函数 312

5.6.3 LevelSet函数的几何计算方法 313

5.6.4 LevelSet函数的应用 315

5.6.5 预测两相流流场的控制方程与离散格式 316

5.6.6 VOSET，方法的求解步骤 316

5.6.7 计算例题及分析比较 316

5.6.8 结论 321

参考文献 321

第6章 连续介质场模拟计算方法的近代发展 329

6.1 两种并行计算编程模式及其应用 329

6.1.1 引言 329

6.1.2 并行计算的相关要素及概念 330

6.1.3 并行计算的实施及应用 333

6.1.4 结论 341

6.2 无网格方法及其在求解传热问题中的应用 342

6.2.1 无网格方法简介 342

6.2.2 用移动最小二乘构建近似函数 343

6.2.3 配点型无网格Petrov-Galerkin方法及其在导热问题中的应用 345

6.2.4 无网格Petrov-Galerkin方法在导热和对流-扩散问题中的应用 349

6.2.5 小结 353

6.3 最佳正交分解在流动与传热数值计算中的应用 353

6.3.1 引言 353

6.3.2 POD的实施过程 354

6.3.3 低阶模型的构建 357

6.3.4 算例 358

参考文献 364

第7章 介观与微观层次的数值模拟方法 369

7.1 格子-玻尔兹曼方法简介 369

7.1.1 引言 369

7.1.2 格子-玻尔兹曼方法的热模型 374

7.1.3 格子-玻尔兹曼方法多块网格处理 377

7.1.4 格子-玻尔兹曼方法的应力场模拟 380

7.1.5 格子-玻尔兹曼方法对微尺度电渗问题的模拟 381

7.1.6 小结 382

7.2 可压缩完全气体流动的格子-玻尔兹曼模型 382

7.2.1 引言 382

7.2.2 用于可压缩流动的耦合双分布函数格子-玻尔兹曼模型 383

7.2.3 关于耦合的双分布函数小结 391

7.3 可压缩格子-玻尔兹曼方法的应用 391

7.3.1 激波管问题的模拟 392

7.3.2 双马赫反射问题的模拟 394

7.3.3 库埃特流的模拟 394

7.3.4 小结 397

7.4 熵格子-玻尔兹曼方法及其应用 397

7.4.1 引言 397

7.4.2 熵格子-玻尔兹曼方法框架的构建 398

7.4.3 Ehrenfest粗粒化 402

7.4.4 强制正定性方法 402

7.4.5 熵函数 403

7.4.6 优化策略 404

7.4.7 数值实例 404

7.4.8 小结 410

7.5 直接模拟蒙特卡罗方法 410

7.5.1 引言 410

7.5.2 直接模拟蒙特卡罗方法简介 411

7.5.3 DSMC方法中热流边界处理方法及实施 412

7.5.4 子网格与非结构化网格在DSMC方法中的应用 417

7.5.5 结论 420

7.6 分子动力学模拟方法 421

7.6.1 引言 421

7.6.2 分子动力学模拟的实施 421

7.6.3 对模拟结果的处理 425

7.6.4 其他问题 427

参考文献 428

第8章 热流问题的多尺度耦合计算 434

8.1 计算的高效、精确化与多尺度耦合 434

8.2 热流过程多尺度问题的藕合模拟 439

8.2.1 引言 439

8.2.2 多尺度物理过程的建模 440

8.2.3 求解多尺度问题的“分区建模一界面耦合”方法及实例 442

8.2.4 求解多尺度问题的“统一方程整场求解”方法的实例 449

8.2.5 热流过程的多尺度问题模拟的展望 450

8.3 热流系统的多尺度问题的藕合模拟 450

8.3.1 引言 450

8.3.2 系统级数值分析 451

8.3.3 印制板级数值分析 455

8.3.4 元件级数值分析 457

8.3.5 结论 458

参考文献 458

第二篇 应用篇 465

第9章 强化传热技术的数值研究 465

9.1 数值设计高效开缝翅片的原则 465

9.1.1 引言 465

9.1.2 物理模型 467

9.1.3 数学建模 468

9.1.4 结果与讨论 470

9.1.5 结论 474

9.2 X型开缝翅片传热与流动特性的数值预测 474

9.2.1 引言 474

9.2.2 计算区域的选取及其数学描述 475

9.2.3 流动和传热的数值计算方法 476

9.2.4 计算结果和场协同原理分析 477

9.2.5 结论 479

9.3 辐射状翅片及椭圆管翅片特性的数值模拟 479

9.3.1 引言 479

9.3.2 数学物理建模 480

9.3.3 计算区域与边界条件 480

9.3.4 方程求解 481

9.3.5 结果分析与讨论 481

9.3.6 结论 488

9.4 纵向涡发生器强化翅片传热特性的数值预测 489

9.4.1 引言 489

9.4.2 计算模型及数值方法 491

9.4.3 计算结果及分析 493

9.4.4 结论 498

9.5 钉泡翅片流动与传热的数值模拟 499

9.5.1 引言 499

9.5.2 非正交曲线坐标系中同位网格耦合传热问题计算方法 499

9.5.3 钉泡翅片的数值模拟 506

9.5.4 结论 510

9.6 扭转椭圆管内气体流动与传热特性的数值预测 511

9.6.1 引言 511

9.6.2 物理模型 512

9.6.3 计算模型与数值方法 512

9.6.4 结果与讨论 514

9.6.5 小结 519

9.7 管内螺旋流动对流传热的数值模拟 520

9.7.1 引言 520

9.7.2 物理模型和数学模型 520

9.7.3 离散方法和数值方法 522

9.7.4 计算结果及分析 525

9.7.5 结论 529

9.8 泡沫金属传热特性的数值模拟 529

9.8.1 引言 529

9.8.2 研究现状 530

9.8.3 物理问题 531

9.8.4 计算区域及控制方程 531

9.8.5 数值方法及程序验证 532

9.8.6 结果及分析 532

9.8.7 结论 536

9.9 强化单相对流传热机制的数值分析 536

9.9.1 引言 536

9.9.2 场协同原理从抛物型流动推广到椭圆型的流动 537

9.9.3 表征协同性优劣的指标 538

9.9.4 场协同原理的数值验证 539

9.9.5 速度与温度梯度垂直时流速对换热没有影响的实验验证 543

9.9.6 场协同原理是强化单相对流换热的统一理论 543

9.9.7 应用场协同原理指导强化传热表面的开发 543

9.9.8 结论 544

9.10 多孔砖最佳结构的数值设计 544

9.10.1 物理问题和数学模型 544

9.10.2 数值模拟方法 548

9.10.3 结果分析 551

9.10.4 结论 555

参考文献 556

第10章 数值方法在换热器设计优化和运行控制中的应用 564

10.1 用数值方法设计管片式散热器 564

10.1.1 引言 564

10.1.2 用数值方法设计管片式散热器的流程 565

10.1.3 数值方法准确性分析 567

10.1.4 典型传热单元所能交换的热量φc的确定 569

10.1.5 管片式散热器的数值优化 572

10.1.6 综合设计 573

10.1.7 数值设计结果 573

10.1.8 结论 573

10.2 多级翅片管换热器的数值设计 574

10.2.1 引言 574

10.2.2 物理模型 574

10.2.3 数学模型 576

10.2.4 结果与讨论 579

10.2.5 结论 582

10.3 空调换热器流路布置的数值研究 582

10.3.1 换热器流路布置问题的提出 582

10.3.2 换热器流路布置研究的发展和现状 583

10.3.3 数值计算方法 584

10.3.4 程序的结构和考核 587

10.3.5 换热器典型流路形式对比 588

10.3.6 换热器流路的改进 592

10.3.7 小管径空调换热器流路设计 595

10.3.8 总结 596

10.4 壳管式换热器的三维数值模拟 597

10.4.1 引言 597

10.4.2 数值研究方法 597

10.4.3 管壳式换热器多孔介质模型介绍及应用 598

10.4.4 商用软件与并行计算在管壳式换热器数值模拟中的应用 613

10.4.5 总结 614

10.5 圆管内CaSO4污垢的数值模拟 614

10.5.1 引言 614

10.5.2 基本守恒方程 615

10.5.3 物理模型及网格划分 616

10.5.4 污垢模型 617

10.5.5 定解条件与计算结果 619

10.5.6 结论 621

10.6 数值方法在变频空调器特性研究中的应用 621

10.6.1 引言 621

10.6.2 数学模型 622

10.6.3 数值模拟与系统仿真 625

10.6.4 数值仿真结果的实验验证 625

10.6.5 结论 627

参考文献 627

第11章 数值方法在新能源与清洁能源开发中的应用 631

11.1 固体氧化物电解质燃料电池中的电流、温度、浓度诸场的联立解析 631

11.1.1 引言 631

11.1.2 固体氧化物电解质燃料电池的基本原理及数值求解的目标 632

11.1.3 流体流动、传热、传质及电流传导的藕合数值模型 636

11.1.4 一些计算结果及讨论 642

11.1.5 小结 647

11.2 质子交换膜燃料电池的数值模拟 648

11.2.1 引言 648

11.2.2 PEMFC的三维两相数学模型简介 649

11.2.3 数值模拟方法 656

11.2.4 数值模拟结果与分析 656

11.2.5 结论 664

11.3 现有质子交换膜燃料电池物理数学模型验证方法探讨 665

11.3.1 引言 665

11.3.2 模型描述 665

11.3.3 计算方法 669

11.3.4 模型验证分析 671

11.3.5 结论 676

11.4 太阳能制氢的数值模拟 676

11.4.1 引言 676

11.4.2 光电化学制氢 677

11.4.3 热化学制氢 677

11.4.4 电化学制氢 681

11.4.5 结论 689

11.5 辐射换热数值计算 689

11.5.1 引言 689

11.5.2 辐射传递方程 691

11.5.3 辐射换热数学模型 692

11.5.4 讨论 701

参考文献 701

第12章 高新技术中热流问题的数值计算 715

12.1 脉管制冷机的数值模拟 715

12.1.1 前言 715

12.1.2 基本型脉管制冷机 716

12.1.3 小孔型脉管制冷机 725

12.1.4 结论 731

12.2 热声对流的数值模拟 732

12.2.1 研究背景 732

12.2.2 数学模型及求解方法 733

12.2.3 热声波数值模拟的虚假振荡现象 736

12.2.4 半无限大空间内的热声波数值模拟 741

12.2.5 热声波强化传热的数值模拟 745

12.2.6 结论 748

12.3 用于冷却技术的复杂通道内对流换热特性的研究 749

12.3.1 引言 749

12.3.2 前人工作回顾 752

12.3.3 存在的问题 755

12.3.4 楔形通道换热三维数值模拟 756

12.3.5 扰流柱沿流向叉排布置的流动和换热 759

12.3.6 束腰结构扰流柱对强化传热特性的影响 763

12.3.7 断裂结构扰流柱的流动与换热数值模拟 765

12.3.8 结论 767

12.4 高压大推力液体火箭发动机流动与传热的数值模拟 768

12.4.1 引言 768

12.4.2 问题描述 769

12.4.3 燃气的简化处理及热物性的计算 772

12.4.4 数值方法 773

12.4.5 计算结果分析 774

12.4.6 结论 781

12.5 核聚变包层内金属流体在强梯度磁场作用下流动的直接数值模拟 781

12.5.1 引言 781

12.5.2 守恒格式计算洛仑兹力 782

12.5.3 强梯度磁场作用下的MHD流动分析 784

12.5.4 结论 787

12.6 室内空气污染物传播过程数值模拟研究 788

12.6.1 引言 788

12.6.2 房间几何模型和数学描述 788

12.6.3 边界条件和源项处理 789

12.6.4 计算结果与分析 789

12.6.5 结论 793

参考文献 793

第13章 微细通道流动与传热的数值研究 805

13.1 细通道电子器件冷却器的数值设计 805

13.1.1 引言 805

13.1.2 细通道模型设计 807

13.1.3 控制方程与边界条件 807

13.1.4 计算方法 808

13.1.5 湍流计算结果 809

13.l.6 层流计算结果 816

13.1.7 结论 818

13.2 微尺度非平衡态气体的格子-玻尔兹曼方法模拟 819

13.2.1 引言 819

13.2.2 微尺度非平衡态气体格子-玻尔兹曼方法求解模型 821

13.2.3 微尺度非平衡态气体格子-玻尔兹曼方法的应用 829

13.2.4 总结 831

13.3 微通道电渗流数值模拟 832

13.3.1 引言 832

13.3.2 电渗流速度控制方程 833

13.3.3 伴随焦耳热的三维电渗流的物理与数学模型 836

13.3.4 数值解法 842

13.3.5 数值模拟结果与分析 843

13.3.6 总结 848

13.4 微通道内气体流动传热特性的N-S方程及DSMC求解 848

13.4.1 引言 848

13.4.2 气体稀薄性与可压缩性的耦合作用 849

13.4.3 突扩/缩微通道内的流动特性 853

13.4.4 平直微通道传热特性 856

13.4.5 结论 857

13.5 微喷管中传热与流动的藕合跨尺度模拟 857

13.5.1 引言 857

13.5.2 计算方法 858

13.5.3 程序验证 859

13.5.4 FMMR模拟 860

13.5.5 计算结果及分析 861

13.5.6 结论 865

13.6 计算微流体力学的应用 865

13.6.1 引言 865

13.6.2 计算工具 865

13.6.3 微流体领域中使用CFD的几个例子 866

13.6.4 结论 871

参考文献 871

第14章 纳米与多孔结构的物性预测及流动与换热模拟 879

14.1 深过冷液态金属热物性的分子动力学计算 879

14.1.1 引言 879

14.1.2 嵌入原子模型 880

14.1.3 熔点的模拟方法 881

14.1.4 比热容的模拟方法 882

14.1.5 自扩散系数的模拟方法 882

14.1.6 黏度的模拟方法 884

14.2 纳米流动与传热现象的分子动力学模拟 886

14.2.1 引言 886

14.2.2 纳米尺度圆柱绕流的MD模拟研究 887

14.2.3 纳米尺度金属壁面冷凝过程的MD模拟研究 897

14.3 多孔介质中流场的多块网格格子-玻尔兹曼方法模拟 905

14.3.1 引言 905

14.3.2 多孔介质简介 905

14.3.3 LBM应用于多孔介质研究回顾 906

14.3.4 多孔介质的格子-玻尔兹曼模型 907

14.3.5 多孔介质内部固体点边界条件的处理方法 909

14.3.6 LBM网格技术的发展 910

14.3.7 块结构化网格原理及实施步骤 912

14.3.8 LBM块结构化网格程序考核 913

14.3.9 二维流道填充多孔介质的流动模拟 914

14.3.10 结论 917

参考文献 917

作者索引 924