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第1章 CFD基本知识 1

1.1 CFD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 3

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 可压缩流体与不可压缩流体 4

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 5

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 8

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的工作流程概述 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 12

第2章 控制方程的离散 13

2.1 离散化方法概述 13

2.1.1 有限差分法 13

2.1.2 有限元法 13

2.1.3 有限体积法 14

2.2 有限体积法原理 14

2.2.1 有限体积法概述 14

2.2.2 有限体积法的区域离散 15

2.3 一维稳态问题的有限体积法 16

2.3.1 问题的描述 16

2.3.2 生成计算网格 17

2.3.3 建立离散方程 17

2.3.4 求解离散方程 19

2.4 多维稳态问题的有限体积法 19

2.4.1 二维稳态问题的有限体积法 19

2.4.2 三维稳态问题的离散方程 21

2.4.3 离散方程的通用表达式 23

2.5 一阶离散格式 23

2.5.1 离散格式的特性 23

2.5.2 问题的描述 26

2.5.3 中心差分格式 27

2.5.4 一阶迎风格式 28

2.5.5 混合格式 29

2.5.6 指数格式与乘方格式 30

2.6 高阶离散格式 31

2.6.1 二阶迎风格式 31

2.6.2 QUICK格式 32

2.6.3 QUICK格式的改进 33

2.6.4 各种离散格式的性能对比 33

2.7 一维瞬态问题的有限体积法 34

2.7.1 问题的描述 34

2.7.2 方程的离散 35

2.7.3 显式格式 37

2.7.4 Crank-Nicolson格式 37

2.7.5 全隐式格式 38

2.8 多维瞬态问题的有限体积法 38

2.8.1 二维瞬态问题的有限体积法 38

2.8.2 三维瞬态问题的离散方程 40

2.8.3 离散方程的通用表达式 40

第3章 流场的求解计算 41

3.1 流场求解计算概述 41

3.1.1 求解计算的难点 41

3.1.2 求解计算的方法 42

3.2 交错网格技术 43

3.2.1 常规网格 44

3.2.2 交错网格 44

3.2.3 方程的离散 46

3.3 SIMPLE算法 50

3.3.1 SIMPLE算法的基本原理 50

3.3.2 关于SIMPLE算法的两点说明 52

3.4 SIMPLE算法的改进 53

3.4.1 SIMPLER算法 53

3.4.2 SIMPLEC算法 54

3.4.3 PISO算法 56

3.4.4 SIMPLE系列算法的比较 59

3.5 瞬态问题的求解算法 59

3.5.1 瞬态问题的SIMPLE算法 59

3.5.2 瞬态问题的PISO算法 60

3.6 基于同位网格的SIMPLE算法 61

3.6.1 同位网格 61

3.6.2 方程的离散 61

3.6.3 基于同位网格的SIMPLE算法步骤 63

3.6.4 关于同位网格应用的几点说明 64

3.7 基于非结构网格的SIMPLE算法 65

3.7.1 非结构网格 65

3.7.2 方程的离散 66

3.7.3 基于非结构网格的SIMPLE算法步骤 69

3.7.4 关于非结构网格应用的几点说明 70

3.8 离散方程组的基本解法 70

3.8.1 代数方程组的基本解法 70

3.8.2 TDMA算法 71

3.8.3 TDMA算法在二维问题中的应用 72

3.8.4 TDMA算法在三维问题中的应用 73

第4章 湍流模型及其应用 75

4.1 湍流的数学描述 75

4.1.1 湍流的流动特征 75

4.1.2 湍流的基本方程 76

4.2 湍流的数值模拟方法 77

4.2.1 湍流数值模拟方法的分类 77

4.2.2 直接数值模拟方法 78

4.2.3 大涡模拟方法 79

4.2.4 Reynolds平均法 79

4.3 零方程模型及一方程模型 80

4.3.1 零方程模型 80

4.3.2 一方程模型 80

4.4 标准k-ε模型 81

4.4.1 标准k-ε模型的定义 81

4.4.2 标准k-ε模型的控制方程组及适用性 82

4.5 RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型 83

4.5.1 RNG k-ε模型 84

4.5.2 Realizable k-ε模型 84

4.6 采用k-ε模型处理近壁问题 85

4.6.1 近壁区流动的特点 86

4.6.2 壁面函数法 87

4.6.3 低Re k-ε模型 89

4.7 Reynolds应力方程模型 90

4.7.1 Reynolds应力输运方程 90

4.7.2 RSM的控制方程组及适用性 93

4.8 大涡模拟 94

4.8.1 大涡模拟的基本原理 94

4.8.2 大涡运动方程 95

4.8.3 亚格子尺度模型 95

4.8.4 大涡模拟控制方程组的求解 96

第5章 边界条件与网格生成 97

5.1 边界条件概述 97

5.1.1 边界条件的类型 97

5.1.2 边界条件的离散 98

5.2 进、出口边界条件 99

5.2.1 进口边界条件 99

5.2.2 出口边界条件 100

5.3 固壁边界条件 101

5.3.1 固壁边界上的网格布置 101

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 105

5.4.1 恒压边界条件 105

5.4.2 对称边界条件 106

5.4.3 周期性边界条件 106

5.5 边界条件应用时的注意事项及初始条件 106

5.5.1 边界条件应用时的注意事项 106

5.5.2 初始条件 107

5.6 网格生成技术 107

5.6.1 网格类型 108

5.6.2 网格生成 109

第6章 格子Boltzmann方法 111

6.1 格子气自动机 111

6.1.1 基本思想 111

6.1.2 HPP模型 111

6.1.3 FHP模型 112

6.1.4 格子气自动机模型的宏观动力学 114

6.2 格子Boltzmann方程 115

6.2.1 从LGA到Boltzmann方程 116

6.2.2 从连续Boltzmann方程到格子Boltzmann方程 118

6.3 格子Boltzmann方法的初始条件 121

6.3.1 非平衡态校正方法 121

6.3.2 迭代方法 122

6.4 格子Boltzmann方法的边界条件 123

6.4.1 平直边界条件 124

6.4.2 曲面边界条件 128

6.4.3 压力边界条件 132

第7章 CFD软件的基本知识 134

7.1 CFD软件的结构 134

7.1.1 前处理器 134

7.1.2 求解器 135

7.1.3 后处理器 135

7.2 常用的CFD软件 135

7.2.1 PHOENICS 135

7.2.2 CFX 136

7.2.3 STAR-CD 137

7.2.4 FIDAP 138

7.2.5 FLUENT 138

7.2.6 FloEFD 139

第8章 GAMBIT的基本用法 141

8.1 GAMBIT概述 141

8.1.1 GAMBIT的基本功能 141

8.1.2 GAMBIT的操作界面 141

8.1.3 GAMBIT的操作步骤 144

8.2 几何建模 145

8.2.1 GAMBIT常用的造型功能 145

8.2.2 GAMBIT常用的编辑功能 149

8.3 网格划分 150

8.3.1 二维网格划分 151

8.3.2 三维网格划分 154

8.4 指定边界类型和区域类型 157

8.5 基于GAMBIT的二次开发 159

8.5.1 日志文件的构建 159

8.5.2 日志文件的编写 159

8.5.3 GAMBIT二次开发应用实例 161

8.6 GAMBIT应用实例 166

8.6.1 二维模型 166

8.6.2 三维模型 175

第9章 FLUENT的基本用法 191

9.1 FLUENT概述 191

9.1.1 FLUENT的基本功能 191

9.1.2 FLUENT的操作界面 191

9.1.3 FLUENT的求解步骤 192

9.2 使用网格 193

9.2.1 导入网格 193

9.2.2 检查网格 194

9.2.3 显示网格 195

9.2.4 修改网格 195

9.2.5 光顺网格与交换单元面 196

9.3 选择求解器及运行环境 197

9.3.1 分离求解器 197

9.3.2 耦合求解器 198

9.3.3 求解器中的显式与隐式方案 198

9.3.4 求解器的比较与选择 199

9.3.5 计算模式的选择 199

9.3.6 运行环境的选择 200

9.4 确定计算模型 201

9.4.1 多相流模型 201

9.4.2 能量方程 202

9.4.3 黏性模型 202

9.4.4 辐射模型 204

9.4.5 组分模型 204

9.4.6 离散相模型 206

9.4.7 凝固和熔化模型 206

9.4.8 噪声模型 207

9.5 定义材料 207

9.5.1 材料简介 208

9.5.2 定义材料的方法 208

9.6 设置边界条件 209

9.6.1 边界条件的类型 209

9.6.2 边界条件的设置方法 210

9.6.3 设定湍流参数 212

9.6.4 常用的边界条件 213

9.7 设置求解控制参数 222

9.7.1 设置离散格式与欠松弛因子 222

9.7.2 设置求解限制项 224

9.7.3 设置求解过程的监视参数 224

9.7.4 初始化流场的解 226

9.8 流场迭代计算 227

9.8.1 稳态问题的求解 227

9.8.2 瞬态问题的求解 227

9.9 计算结果后处理 229

9.9.1 创建需要进行后处理的表面 229

9.9.2 显示等值线图、速度矢量图和流线图 230

9.9.3 绘制直方图与XY散点图 232

9.9.4 生成动画 234

9.9.5 报告统计信息 235

9.10 UDF的使用 238

9.10.1 UDF的基础 238

9.10.2 UDF中访问FLUENT变量的宏 243

9.10.3 UDF实用工具宏 248

9.10.4 UDF的解释和编译 252

9.10.5 UDF应用实例 254

9.11 FLUENT应用实例 257

9.11.1 二维实例 258

9.11.2 三维实例 277

第10章 通用后处理软件——TECPLOT 299

10.1 TECPLOT概述 299

10.2 TECPLOT的操作界面 299

10.3 TECPLOT的使用方法 306

10.4 TECPLOT的应用实例 309

参考文献 328