计算流体动力学及其应用 CFD软件的原理与应用PDF电子书下载

第1章 计算流体动力学基本知识 1

1.1 计算流体动力学概述 1

1.1.1 CFD的基本思想 1

1.1.2 CFD的发展历程 2

1.1.3 CFD的应用领域 3

1.2 流体与流动的基本特性 3

1.2.1 理想流体与黏性流体 4

1.2.2 牛顿流体与非牛顿流体 4

1.2.3 流体热传导和扩散 4

1.2.4 可压流体与不可压流体 5

1.2.5 定常流与非定常流 5

1.2.6 层流与湍流 5

1.3 流体动力学的控制方程 5

1.3.1 质量守恒方程 6

1.3.2 动量守恒方程 6

1.3.3 能量守恒方程 7

1.3.4 组分质量守恒方程 8

1.3.5 湍流控制方程 9

1.3.6 控制方程的通用形式 9

1.3.7 控制方程的守恒形式与非守恒形式 10

1.4 CFD的工作流程 10

1.4.1 CFD的工作流程 10

1.4.2 建立数学模型 11

1.4.3 确定离散化方法 11

1.4.4 对流场进行求解计算 12

1.4.5 显示计算结果 13

第2章 控制方程的离散 14

2.1 离散化方法概述 14

2.1.1 有限差分法 14

2.1.2 有限元法 14

2.1.3 有限体积法 15

2.2 有限体积法原理 15

2.2.1 有限体积法的基本原理 15

2.2.2 有限体积法的区域离散 16

2.3 一维稳态问题的有限体积法 17

2.3.1 问题的描述 17

2.3.2 生成计算网格 18

2.3.3 建立离散方程 18

2.3.4 求解离散方程 20

2.4 多维稳态问题的有限体积法 20

2.4.1 二维稳态问题的有限体积法 20

2.4.2 三维稳态问题的离散方程 22

2.4.3 离散方程的通用表达式 24

2.5 一阶离散格式 24

2.5.1 离散格式的特性 24

2.5.2 问题的描述 27

2.5.3 中心差分格式 28

2.5.4 一阶迎风格式 29

2.5.5 混合格式 30

2.5.6 指数格式与乘方格式 31

2.6 高阶离散格式 32

2.6.1 二阶迎风格式 32

2.6.2 QUICK格式 33

2.6.3 QUlCK格式的改进 34

2.6.4 各种离散格式的性能对比 34

2.7 一维瞬态问题的有限体积法 35

2.7.1 问题的描述 35

2.7.2 方程的离散 36

2.7.3 显示格式 38

2.7.4 Crank-Nicolson格式 38

2.7.5 全隐式格式 39

2.8 多维瞬态问题的有限体积法 39

2.8.1 二维瞬态问题的有限体积法 39

2.8.2 三维瞬态问题的离散方程 41

2.8.3 离散方程的通用表达式 41

第3章 流场的求解计算 42

3.1 流场求解计算概述 42

3.1.1 求解计算的难点 42

3.1.2 求解计算的方法 43

3.2 交错网格技术 44

3.2.1 常规网格 44

3.2.2 交错网格 45

3.2.3 方程的离散 47

3.3 SIMPLE算法 51

3.3.1 SIMPLE算法的基本原理 51

3.3.2 关于SIMPLE算法的两点说明 53

3.4 SIMPLE算法的改进 54

3.4.1 SIMPLER算法 54

3.4.2 SIMPLEC算法 55

3.4.3 PISO算法 57

3.4.4 SIMPLE系列算法的比较 60

3.5 瞬态问题的求解算法 60

3.5.1 瞬态问题的SIMPLE算法 60

3.5.2 瞬态问题的PISO算法 61

3.6 基于同位网格的SIMPLE算法 62

3.6.1 同位网格 62

3.6.2 方程的离散 62

3.6.3 基于同位网格的SIMPLE算法步骤 64

3.6.4 关于同位网格应用的几点说明 65

3.7 基于非结构网格的SIMPLE算法 66

3.7.1 非结构网格 66

3.7.2 方程的离散 67

3.7.3 基于非结构网格的SIMPLE算法步骤 70

3.7.4 关于非结构网格应用的几点说明 71

3.8 离散方程组的基本解法 71

3.8.1 代数方程组的基本解法 71

3.8.2 TDMA算法 72

3.8.3 TDMA算法在二维问题中的应用 74

3.8.4 TDMA算法在三维问题中的应用 74

第4章 湍流模型及其应用 76

4.1 湍流的数学描述 76

4.1.1 湍流的流动特征 76

4.1.2 湍流的基本方程 77

4.2 湍流的数值模拟方法 78

4.2.1 湍流数值模拟方法的分类 78

4.2.2 直接数值模拟 79

4.2.3 大涡模拟 80

4.2.4 Reynolds平均法 80

4.3 零方程模型及一方程模型 81

4.3.1 零方程模型 81

4.3.2 一方程模型 81

4.4 标准k-ε两方程模型 82

4.4.1 标准k-ε模型的定义 82

4.4.2 标准k-ε模型的控制方程组及适用性 83

4.5 RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型 84

4.5.1 RNG k-ε模型 85

4.5.2 Realizable k-ε模型 85

4.6 采用k-ε模型处理近壁问题 86

4.6.1 近壁区流动的特点 87

4.6.2 壁面函数法 88

4.6.3 低Re数k-ε模型 90

4.7 Reynolds应力方程模型（RSM） 91

4.7.1 Reynolds应力输运方程 91

4.7.2 RSM的控制方程组及适用性 94

4.8 大涡模拟 95

4.8.1 大涡模拟的基本原理 95

4.8.2 大涡运动方程 96

4.8.3 亚格子尺度模型 96

4.8.4 LES控制方程的求解 97

第5章 边界条件与网格生成 98

5.1 边界条件概述 98

5.1.1 边界条件的类型 98

5.1.2 边界条件的离散 99

5.2 进出口边界条件 100

5.2.1 进口边界条件 100

5.2.2 出口边界条件 101

5.3 固壁边界条件 102

5.3.1 固壁边界上的网格布置 102

5.3.2 固壁边界上离散方程源项的构造 102

5.4 恒压边界条件、对称边界条件与周期性边界条件 106

5.4.1 恒压边界条件 106

5.4.2 对称边界条件 107

5.4.3 周期性边界条件 107

5.5 边界条件应用时的注意事项及初始条件 107

5.5.1 边界条件应用时的注意事项 107

5.5.2 初始条件 108

5.6 网格生成技术 109

5.6.1 网格类型 109

5.6.2 网格生成 110

第6章 CFD软件的基本知识 112

6.1 CFD软件的结构 112

6.1.1 前处理器 112

6.1.2 求解器 113

6.1.3 后处理器 113

6.2 常用的CFD软件 113

6.2.1 PHOENICS 113

6.2.2 CFX 114

6.2.3 STAR-CD 115

6.2.4 FIDAP 116

6.2.5 FLUENT 116

6.2.6 FloEFD 117

6.3 FLUENT软件 118

6.3.1 FLUENT软件的应用 118

6.3.2 FLUENT软件的组成 119

6.3.3 FLUENT软件的安装 120

6.3.4 FLUENT软件的运行 121

6.4 FloEFD软件 122

6.4.1 FloEFD软件的应用 122

6.4.2 FloEFD软件的组成 123

6.4.3 FloEFD软件的安装 123

6.4.4 FloEFD软件的运行 126

第7章 GAMBIT的基本用法 130

7.1 GAMBIT概述 130

7.1.1 GAMBIT的基本功能 130

7.1.2 GAMBIT的操作界面 130

7.1.3 GAMBIT的操作步骤 133

7.2 几何建模 134

7.2.1 GAMBIT常用的造型功能 134

7.2.2 GAMBIT常用的编辑功能 138

7.3 网格划分 140

7.3.1 二维网格划分 140

7.3.2 三维网格划分 145

7.4 指定边界类型和区域类型 147

7.5 基于GAMBIT的二次开发 149

7.5.1 日志文件的构建 150

7.5.2 日志文件的编写 150

7.5.3 GAMBIT二次开发应用实例 152

7.6 GAMBIT应用实例 157

7.6.1 二维模型 157

7.6.2 三维模型 166

第8章 FLUENT的基本用法 188

8.1 FLUENT概述 188

8.1.1 FLUENT的基本功能 188

8.1.2 FLUENT的操作界面 188

8.1.3 FLUENT的求解步骤 189

8.2 使用网格 190

8.2.1 导入网格 190

8.2.2 检查网格 191

8.2.3 显示网格 192

8.2.4 修改网格 192

8.2.5 光顺网格与交换单元面 194

8.3 选择求解器及运行环境 195

8.3.1 分离求解器 195

8.3.2 耦合求解器 195

8.3.3 求解器中的显式与隐式方案 196

8.3.4 求解器的比较与选择 196

8.3.5 计算模式的选择 197

8.3.6 运行环境的选择 198

8.4 确定计算模型 199

8.4.1 多相流模型 199

8.4.2 能量方程 200

8.4.3 黏性模型 200

8.4.4 辐射模型 202

8.4.5 组分模型 202

8.4.6 离散相模型 203

8.4.7 凝固和熔化模型 204

8.4.8 噪声模型 205

8.5 定义材料 205

8.5.1 材料简介 206

8.5.2 定义材料的方法 206

8.6 设置边界条件 207

8.6.1 边界条件的类型 208

8.6.2 边界条件的设置方法 209

8.6.3 设定湍流参数 210

8.6.4 常用的边界条件 212

8.7 设置求解控制参数 221

8.7.1 设置离散格式与欠松弛因子 222

8.7.2 设置求解限制项 223

8.7.3 设置求解过程的监视参数 224

8.7.4 初始化流场的解 225

8.8 流场迭代计算 226

8.8.1 稳态问题的求解 226

8.8.2 非稳态问题的求解 227

8.9 计算结果后处理 229

8.9.1 创建需要进行后处理的表面 229

8.9.2 显示等值线图、速度矢量图和流线图 230

8.9.3 绘制直方图与XY散点图 232

8.9.4 生成动画 234

8.9.5 报告统计信息 234

8.10 UDF的使用 239

8.10.1 UDF的基础 240

8.10.2 UDF中访问FLUENT变量的宏 245

8.10.3 UDF实用工具宏 249

8.10.4 UDF的解释和编译 254

8.10.5 UDF应用实例 256

8.11 FLUENT应用实例 260

8.11.1 二维实例 260

8.11.2 三维实例 282

第9章 FloEFD的基本用法 309

9.1 FloEFD概述 309

9.1.1 FloEFD的特点 309

9.1.2 FloEFD的操作界面 309

9.1.3 FloEFD的求解步骤 311

9.2 项目的建立 311

9.2.1 向导和导航 311

9.2.2 新建项目 320

9.2.3 克隆项目 321

9.3 边界条件和初始条件 324

9.3.1 边界条件的类型 324

9.3.2 边界条件的设置 325

9.3.3 初始条件的设置 328

9.4 目标和工程数据库 329

9.4.1 目标的含义 329

9.4.2 目标的设定 329

9.4.3 工程数据库 330

9.5 计算网格 331

9.5.1 计算网格的类型 331

9.5.2 计算网格的生成 331

9.6 计算域和求解 346

9.6.1 计算域 346

9.6.2 求解 348

9.6.3 监控计算 350

9.7 计算结果后处理 353

9.7.1 载入结果 353

9.7.2 结果后处理 353

9.8 CAD模型的载入 364

9.8.1 模型载入 364

9.8.2 模型检查 366

9.9 FloEFD应用实例 367

9.9.1 球阀设计 367

9.9.2 耦合热交换 391

第10章 通用后处理软件——TECPLOT 423

10.1 TECPLOT概述 423

10.2 TECPLOT的操作界面 423

10.3 TECPLOT的使用方法 430

10.4 TECPLOT的应用实例 434

参考文献 453