热流体数值计算方法与应用

前言

第1章 绪论

1.1 计算流体力学概述

1.1.1 计算流体力学的形成和发展

1.1.2 计算流体力学方法简介

1.1.3 计算流体力学的特点

1.1.4 计算流体力学的过程步骤

1.2 流体的基本特性

1.2.1 流体的密度、重度和相对密度

1.2.2 流体的粘性

1.2.3 流体的压缩性

1.2.4 流体的热传导及扩散

1.2.5 液体的表面张力

1.2.6 流体的运动特性

1.3 流体流动的基本控制方程

1.3.1 系统与控制体

1.3.2 质量守恒方程

1.3.3 动量守恒方程

1.3.4 能量守恒方程

1.3.5 状态方程

1.3.6 组分质量守恒方程

1.3.7 湍流的雷诺（Reynolds）时均方程及湍流模型方程

1.3.8 控制方程的通用形式

1.4 初始条件及边界条件

1.5 控制方程与流动的类型

1.6 热流体数值计算的步骤

1.7 小结

思考题

第2章 控制微分方程的数值求解方法

2.1 数值计算方法和分类

2.1.1 有限差分法

2.1.2 有限体积法

2.1.3 有限元法

2.1.4 有限分析法

2.1.5 边界元法

2.1.6 谱分析法

2.1.7 数值积分变换法

2.1.8 格子 Boltzmann法

2.2 离散化的概念及方法

2.2.1 离散化的概念

2.2.2 离散化方程的结构

2.2.3 离散化方程的推导方法

2.3 有限体积法原理

2.3.1 有限体积法的基本思想

2.3.2 有限体积法的计算网格

2.3.3 有限体积法的基本原理

2.4 离散化代数方程组的求解

2.4.1 概述

2.4.2 线性方程组的一般解法——高斯(Gauss)消元法

2.4.3 三对角方程组的解法——TDMA算法

2.4.4 多维离散化代数方程组的求解方法——迭代法

2.5 小结

思考题

第3章 热传导问题的数值计算

3.1 一维稳态热传导问题

3.1.1 离散网格的生成

3.1.2 控制方程的积分离散

3.1.3 界面值的处理

3.1.4 源项的处理

3.1.5 离散化方程的建立

3.1.6 边界条件的处理

3.1.7 拟线性离散化方程组的求解

3.1.8 有限体积法的4条基本原则

3.1.9 一维稳态热传导问题C语言编程实例

3.2 一维非稳态热传导问题

3.2.1 离散方程的建立

3.2.2 显式格式、克兰克-尼科尔森格式及全隐格式

3.2.3 全隐格式离散化方程

3.2.4 一维非稳态热传导问题C语言编程实例

3.3 二维和三维热传导问题

3.3.1 二维热传导问题的全隐格式离散化方程

3.3.2 三维热传导问题的全隐格式离散化方程

3.3.3 热传导问题离散化方程的通用表达式

3.3.4 二维热传导问题C语言编程实例

3.4小结

思考题

第4章 对流与扩散问题的数值计算

4.1 一维稳态对流与扩散问题

4.1.1 控制方程的离散化

4.1.2 中心差分格式

4.1.3 一阶迎风格式

4.1.4 混合格式

4.1.5 指数格式

4.1.6 乘方格式

4.1.7 各种离散格式的共同点及精度比较

4.1.8 低阶离散格式的特点

4.1.9 一维稳态对流与扩散问题C语言编程实例

4.2 多维对流与扩散问题

4.2.1 二维瞬态对流-扩散问题的离散化方程

4.2.2 三维瞬态对流-扩散问题的离散化方程

4.2.3 对流-扩散问题离散化方程的通用表达式

4.3小结

思考题

第5章 流场的数值计算

5.1 流场数值计算存在的问题

5.2 基于交错网格的动量方程离散

5.2.1 压力梯度项离散的问题

5.2.2 交错网格下动量方程的离散

5.3 压力修正算法——SIMPLE算法

5.3.1 速度修正方程

5.3.2 压力修正值方程

5.3.3 SIMPLE算法的求解步骤

5.3.4 SIMPLE算法的进一步讨论

5.3.5 压力参考点的选取

5.3.6 简单流场边界条件的处理

5.3.7 二维稳态层流流场SIMPLE算法求解C语言编程实例

5.4小结

思考题

第6章 CFD技术及其应用简介

6.1 CFD技术的发展概况

6.2 CFD技术在工程中的应用

6.3 CFD商用软件的结构

6.4 常用的CFD商用软件

6.4.1 CFD软件的发展

6.4.2 CFD通用软件的主要特点

6.4.3 常用CFD商用软件简介

6.5 CFD技术在工程热物理领域中的应用

6.5.1 CFD技术在流体机械中的应用

6.5.2 CFD技术在暖通空调工程中的应用

6.5.3 CFD技术在制冷工程中的应用

6.5.4 CFD技术在汽车设计中的应用

6.6 小结

思考题

第7章 基于CFX软件的离心泵内流模拟

7.1 CFX软件介绍

7.1.1 软件简介

7.1.2 软件特点

7.1.3 软件求解功能

7.1.4 独具特色的前处理

7.2 离心泵模型的绘制

7.2.1 Pro/E软件简介

7.2.2 模型的绘制

7.3 离心泵计算区域网格划分

7.4 离心泵内部流动的数值模拟

7.5 计算结果及分析

7.6 小结

思考题

第8章 基于STAR CD软件的发动机喷嘴内流模拟

8.1 喷嘴内流动区域实体造型

8.1.1 UG NX软件简介

8.1.2 喷油器绘制

8.2 喷嘴内流的动网格计算

8.2.1 STAR CD功能简介

8.2.2 STAR CD的基本组成部分

8.2.3 动态网格的特征和生成

8.2.4 数值计算

8.3 小结

思考题

第9章 基于STAR CCM+软件的发动机冷却水套流动模拟

9.1 STAR CCM+软件介绍

9.1.1 软件简介

9.1.2 软件特点及优势

9.1.3 软件工作界面

9.2 发动机机体及冷却水套几何模型

9.3 发动机冷却水套流动模拟

9.3.1 几何模型的导入

9.3.2 网格的生成

9.3.3 物理模型和物性参数的设定

9.3.4 后处理准备

9.3.5 计算结果分析

9.4小结

思考题

第10章 基于Converge软件的发动机工作过程数值模拟

10.1 Converge软件介绍

10.1.1 软件简介

10.1.2 软件特点及优势

10.1.3 软件工作界面

10.2 内燃机缸内工作过程物理模型

10.2.1 流动相关模型

10.2.2 喷雾相关模型

10.2.3 燃烧排放模型

10.3 发动机工作过程数值模拟

10.3.1 几何导入、诊断及修复

10.3.2 边界分割

10.3.3 参数文件准备

10.3.4 计算设定

10.3.5 后处理

10.4 小结

思考题

第11章 基于Fire软件的喷雾燃烧及SCR后处理过程模拟

11.1 Fire软件介绍

11.1.1 软件简介

11.1.2 软件特点

11.1.3 软件应用方面的优势

11.2 发动机喷雾燃烧过程数值模拟

11.2.1 发动机模型

11.2.2 燃烧室网格划分

11.2.3 喷雾燃烧过程数值模拟

11.2.4 数值模拟结果

11.3 SCR后处理过程数值模拟

11.3.1 SCR催化器三维建模

11.3.2 网格划分

11.3.3 数值模拟

11.3.4 数值模拟结果

11.4 小结

思考题

第12章 基于Airpak软件的厨房通风

系统数值模拟

12.1 Airpak软件介绍

12.1.1 软件简介

12.1.2 软件特点

12.1.3 软件工作界面

12.2 厨房空间物理模型

12.3 厨房通风系统数值模拟

12.3.1 厨房求解域网格

12.3.2 求解及参数设定

12.3.3 边界条件设置

12.3.4 数值模拟操作及设置过程

12.3.5 数值模拟结果

12.4 小结

思考题

参考文献

随着计算机技术的迅速发展，数值计算已成为研究热流体工程领域中流体流动、传热传质及化学反应等问题的最为有效的方法之一。何志霞等编著的《热流体数值计算方法与应用》前半部分系统全面而又浅显易懂地介绍了基于有限体积法的热流体工程中热传导问题、对流与扩散问题及流场等的数值计算和求解原理与方法，并附以详细的C语言代码算例帮助理解。后半部分则针对CFD技术在动力工程及工程热物理学科领域中的应用，以流体机械、动力机械及暖通空调等领域中典型热流体问题为例，介绍了Pro/E、UG建模和ICEM CFD网格生成等前处理软件，以及当前在热物理各个特定领域广为采用，而又鲜有介绍的CFX软件、STAR-CD软件、STAR-CCM+软件、AVL Fire软件、Converge软件和Airpak软件的基本用法。 《热流体数值计算方法与应用》可作为能源动力、机械工程、环境工程、化学工程、交通工程、土木工程、航空航天等领域的研究生和本科生教材，也可供上述领域的科研人员及工程技术人员参考。