计算流体动力学分析 CFD软件原理与应用PDF电子书下载

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 PHOENICS 18

1.7.2 CFX 19

1.7.3 STAR-CD 20

1.7.4 FIDAP 21

1.7.5 FLUENT 21

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