计算流体力学基础与STAR-CD工程应用PDF电子书下载

第一篇 基础知识 1

第1章 绪论 1

1.1 计算流体力学的概念 1

1.2 计算流体力学发展简史 2

1.3 计算流体力学的应用 3

第2章 计算流体力学基础知识 4

2.1 流体的基本特性 4

2.1.1 理想流体与黏性流体 4

2.1.2 牛顿流体与非牛顿流体 4

2.1.3 流体热传导及扩散 5

2.1.4 可压流体与不可压流体 5

2.1.5 定常与非定常流动 6

2.1.6 层流与湍流 6

2.2 流体力学的控制方程 6

2.2.1 质量守恒方程 6

2.2.2 动量守恒方程 7

2.2.3 能量守恒方程 9

2.2.4 组分质量守恒方程 10

2.2.5 湍流的控制方程 10

2.2.6 控制方程的通用形式 11

2.2.7 守恒型控制方程与非守恒型控制方程 12

2.3 CFD工作原理 12

2.3.1 计算流程 13

2.3.2 建立控制方程 13

2.3.3 确定边界条件与初始条件 13

2.3.4 划分计算网格 13

2.3.5 建立离散方程 14

2.3.6 离散初始条件和边界条件 14

2.3.7 给定求解控制参数 14

2.3.8 求解离散方程 14

2.3.9 判断解的收敛性 15

2.3.10 显示和输出计算结果 15

第3章 湍流模型 16

3.1 湍流及其数学描述 16

3.1.1 湍流流动的特征 16

3.1.2 湍流的基本方程 17

3.2 湍流的数值模拟方法 19

3.2.1 湍流数值模拟方法的分类 19

3.2.2 直接数值模拟法 20

3.2.3 大涡模拟法 20

3.2.4 Reynolds平均法 21

3.3 零方程模型及一方程模型 22

3.3.1 零方程模型 22

3.3.2 一方程模型 22

3.4 标准κ-ε二方程模型 23

3.4.1 标准κ-ε模型 23

3.4.2 标准κ-ε模型的有关计算公式 24

3.4.3 标准κ-ε模型的控制方程组 25

3.4.4 标准κ-ε模型方程的解法及适用性 26

3.5 改进型κ-ε模型 26

3.5.1 （RNG）κ-ε模型 26

3.5.2 Realizable κ-ε模型 27

3.6 在近壁区使用κ-ε模型的问题及对策 29

3.6.1 近壁区流动的特点 29

3.6.2 在近壁区使用κ-ε模型的问题 30

3.6.3 壁面函数法 31

3.6.4 低雷诺数κ-ε模型 33

3.7 Reynolds应力方程模型 35

3.7.1 Reynolds应力输运方程 35

3.7.2 RSM的控制方程组及其解法 39

3.7.3 对RSM适用性的讨论 39

3.8 大涡模拟 40

3.8.1 大涡模拟的基本思想 40

3.8.2 大涡运动方程 41

3.8.3 亚格子尺度应力模型 42

3.8.4 LES控制方程的求解 42

第4章 控制方程的离散 44

4.1 离散化概述 44

4.1.1 离散化的目的 44

4.1.2 离散时所使用的网格 44

4.1.3 常用的离散化方法 45

4.2 有限体积法及其网格 46

4.2.1 有限体积法的基本思想 46

4.2.2 有限体积法的区域离散 46

4.3 一维稳态问题的有限体积法 48

4.3.1 问题的描述 48

4.3.2 生成计算网格 48

4.3.3 建立离散方程 48

4.3.4 求解离散方程 51

4.4 常用的离散格式 56

4.4.1 问题描述 56

4.4.2 中心差分格式 58

4.4.3 一阶迎风格式 59

4.4.4 混合格式 63

4.4.5 指数格式 65

4.4.6 乘方格式 66

4.5 高阶离散格式 66

4.5.1 二阶迎风格式 66

4.5.2 QUICK格式 67

4.6 各种离散格式的性能对比 72

4.7 一维瞬态问题的有限体积法 73

4.7.1 瞬态问题的描述 73

4.7.2 控制方程的积分 73

4.7.3 显式时间积分方案 76

4.7.4 Crank-Nicolson时间积分方案 77

4.7.5 全隐式时间积分方案 77

4.8 多维问题的离散方程 78

4.8.1 二维问题的基本方程 78

4.8.2 二维问题的控制体积 78

4.8.3 二维问题控制方程的积分 79

4.8.4 二维问题的离散方程 80

4.8.5 三维问题的离散方程 81

4.8.6 离散方程的通用表达式 81

第5章 流场数值计算 83

5.1 流场数值解法概述 83

5.1.1 常规解法存在的主要问题 83

5.1.2 流场数值计算的主要方法 84

5.2 交错网格技术 86

5.2.1 普通网格 86

5.2.2 交错网格 87

5.2.3 动量方程的离散 88

5.3 流场计算的SIMPLE算法 93

5.3.1 SIMPLE算法的基本思路 93

5.3.2 速度修正方程 94

5.3.3 压力修正方程 95

5.3.4 SIMPLE算法的计算步骤 97

5.3.5 SIMPLE算法的讨论 97

5.4 改进的SIMPLE算法 99

5.4.1 SIMPLER算法 99

5.4.2 SIMPLEC算法 101

5.4.3 PISO算法 103

5.4.4 SIMPLE系列算法的比较 106

5.5 瞬态问题的数值计算 107

5.5.1 瞬态问题的SIMPLE算法 107

5.5.2 瞬态问题的PISO算法 108

5.6 基于同位网格的SIMPLE算法 109

5.6.1 同位网格 109

5.6.2 动量离散方程 109

5.6.3 建立压力修正方程 110

5.6.4 同位网格上SIMPLE算法的计算步骤 112

5.6.5 关于同位网格应用的说明 113

5.7 基于非结构网格的SIMPLE算法 114

5.7.1 非结构网格 114

5.7.2 通用控制方程的离散 115

5.7.3 动量离散方程 117

5.7.4 建立速度修正方程 117

5.7.5 建立压力修正方程 118

5.7.6 非结构网格上SIMPLE算法的计算步骤 119

5.7.7 关于非结构网格应用的说明 120

5.8 离散方程组的基本解法 121

5.8.1 代数方程组的基本解法 121

5.8.2 TDMA解法 121

第6章 边界条件及网格生成 125

6.1 边界条件概述 125

6.1.1 边界条件的类型 125

6.1.2 边界条件对网格布置的影响 126

6.1.3 将边界条件引入到离散方程 127

6.2 流动进口边界条件 127

6.2.1 流动进口边界条件的设置 127

6.2.2 对流动进口边界条件的说明 128

6.3 流动出口边界条件 129

6.3.1 流动出口边界条件的设置 129

6.3.2 对流动出口边界条件的说明 130

6.4 壁面条件 130

6.4.1 壁面边界上的网格布置 131

6.4.2 壁面边界上离散方程源项的构造 132

6.5 恒压边界条件 134

6.6 对称边界条件与周期性边界条件 135

6.6.1 对称边界条件 135

6.6.2 周期性边界条件 136

6.7 应用边界条件时的注意事项 136

6.8 初始条件 137

6.9 网格生成技术 137

6.9.1 网格类型 137

6.9.2 网格单元的分类 138

6.9.3 单连域与多连域网格 139

6.9.4 生成网格的过程 139

6.9.5 生成结构网格的贴体坐标法 139

第二篇 CFD软件及其应用实例 141

第7章 CFD软件的基本知识 141

7.1 CFD软件基本结构 141

7.1.1 前处理器 141

7.1.2 求解器 142

7.1.3 后处理器 142

7.2 常用的CFD商用软件 142

7.2.1 PHOENICS软件 142

7.2.2 CFX软件 143

7.2.3 FIDAP软件 144

7.2.4 FLUENT软件 145

7.2.5 Fluidyn-PANACHE模型 146

7.2.6 STAR-CCM＋软件 147

7.2.7 STAR-CD软件 148

第8章 STAR-CD软件基本用法 150

8.1 STAR-CD软件概述 150

8.1.1 通用流体解析软件STAR-CD 150

8.1.2 STAR-CD软件解析性能 151

8.1.3 STAR-CD软件系统结构 151

8.1.4 STAR-CD文件系统 152

8.2 STAR-CD软件安装 154

8.2.1 准备开始安装 154

8.2.2 安装STAR-CD 3.26 154

8.2.3 安装MPICH1.2.5 158

8.2.4 STAR-CD 3.26 安装完成 159

8.2.5 对license进行配置 160

8.2.6 设定环境变量 164

8.2.7 安装Exceed 7.1 166

8.2.8 安装Pro Fortran 8.2 173

8.3 pro-STAR操作方法 175

8.3.1 pro-STAR启动方法 175

8.3.2 pro-STAR GUI 176

8.4 STAR-CD软件求解的基本步骤 178

8.4.1 制定分析方案 178

8.4.2 求解步骤 179

第9章 STAR-CD软件基础应用实例 180

9.1 网格生成 180

9.1.1 根据点阵文件创建shell 180

9.1.2 根据点阵shell拉伸为圆形shell 182

9.1.3 根据shell拉伸体网格 187

9.2 条件设定 193

9.3 计算求解 198

9.4 结果处理 202

第10章 STAR-CD软件在标准建筑物对流动与扩散的影响实例 205

10.1 标准建筑对流动与扩散的影响实例1 205

10.1.1 风洞实验模拟 205

10.1.2 数值模拟 206

10.1.3 结果分析与比较 207

10.1.4 结论 213

10.2 标准建筑对流动与扩散的影响实例2 214

10.2.1 风洞实验模拟 214

10.2.2 数值模拟 215

10.2.3 结果分析与比较 216

10.2.4 结论 221

第11章 STAR-CD软件在复杂建筑物群对流动与扩散的影响实例 222

11.1 建模 222

11.2 模型与参数选取 223

11.3 局地流场分析 226

11.4 局地湍流动能分析 230

11.5 浓度分布特征 235

第12章 STAR-CD软件在自然通风冷却塔对流动的影响实例 239

12.1 模拟方法 240

12.1.1 数值模拟方法 240

12.1.2 模型的建立 242

12.2 模拟方法的有效性分析 244

12.2.1 流场特征 244

12.2.2 水汽抬升高度验证 245

12.2.3 水汽沉积浓度验证 246

12.2.4 验证结果分析 247

12.3 环境条件对冷却塔排放水汽扩散的影响 247

12.3.1 环境风速的影响 248

12.3.2 环境温度的影响 248

12.3.3 环境湿度的影响 249

12.3.4 冷却塔水汽排放温度的影响 250

12.4 结论与讨论 250

第三篇 常用后处理软件 252

第13章 Fieldview软件介绍 252

13.1 Fieldview菜单栏的介绍 253

13.1.1 File菜单 253

13.1.2 Edit菜单 254

13.1.3 View菜单 255

13.1.4 Visualization Panels菜单 256

13.1.5 Tools菜单 256

13.1.6 Help菜单 256

13.2 Fieldview左侧工具栏项目 257

13.2.1 计算面工具 257

13.2.2 等值面工具 259

13.2.3 流线/迹线工具 261

13.2.4 颗粒轨道线工具 263

13.2.5 坐标面工具 264

13.2.6 边界面工具 265

13.2.7 二维曲线工具 265

13.2.8 探针取值工具 267

13.2.9 注释工具 269

13.3 高级功能介绍 270

13.3.1 关键帧动画——Key Frame Animation 270

13.3.2 数值积分——Numerical Simulation 270

13.3.3 特征提取——Feature Extraction 271

13.3.4 瞬态数据处理——Transient Data 271

13.3.5 旋转机械——Rotating Machinery 271

13.3.6 数据比较——Data Comparison 272

13.3.7 特征组合——Features Combination 272

13.3.8 动态切割——Dynamic Clipping 272

13.3.9 FVX编程语言 272

13.4 Fieldview使用实例 273

13.4.1 F18流场显示 273

13.4.2 散热器热性能计算后处理 284

第14章 通用后处理软件——TECPLOT 295

14.1 TECPLOT软件概述 295

14.2 TECPLOT软件的操作界面 295

14.2.1 菜单栏 297

14.2.2 工具栏 298

14.2.3 状态栏 301

14.2.4 工作区 301

14.3 TECPLOT软件的使用方法 302

14.3.1 TECPLOT软件识别的数据格式 302

14.3.2 TECPLOT软件读取FLUENT文件的步骤 302

14.3.3 TECPLOT软件中网格和标尺的设定 304

14.3.4 TECPLOT软件中坐标系统的选择 305

14.4 TECPLOT软件的应用实例 305

14.4.1 绘制XY曲线 305

14.4.2 绘制矢量图 309

14.4.3 绘制等值线图 312

14.4.4 绘制流线图 315

14.4.5 绘制散点图 318

14.4.6 绘制三维流场图 321

参考文献 324