计算流体动力学分析 CFD软件原理与应用
作者：王福军编著（中国农业大学水利与土木工程学院）
出版时间： 2004年版
丛编项： CFD软件原理与应用
内容简介
本书是一本介绍计算流体动力学（CFD）最新理论知识和CFD软件开发、应用的指导性教材。全书共分八章，前五章以有限体积法为核心，介绍流体流动与传热问题的控制方程、空间及时间离散格式、湍流模型及数值解法，后三章结合FLUENT软件，以实例的方式介绍CFD软件原理及其在流场分析、传热计算及多相流模拟等方面的最新应用。实用性和新颖性是本书最大的特点。本书可作为动力、能源、水利、航空、冶金、海洋、环境、气象、流体工程等专业领域的研究生和本科生教材，也可供上述领域的科技人员，特别是从事CFD模拟的人员参考。
目录
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第1章 计算流体动力学基础知识 11.1 计算流体动力学概述 11.1.1 什么是计算流体动力学 11.1.2 计算流体动力学的工作步骤 21.1.3 计算流体动力学的特点 21.1.4 计算流体动力学的应用领域 31.1.5 计算流体动力学的分支 41.2 流体与流动的基本特性 41.2.1 理想流体与粘性流体 41.2.2 牛顿流体与非牛顿流体 51.2.3 流体热传导及扩散 51.2.4 可压流体与不可压流体 61.2.5 定常与非定常流动 61.2.6 层流与湍流 61.3 流体动力学控制方程 71.3.1 质量守恒方程 71.3.2 动量守恒方程 71.3.3 能量守恒方程 91.3.4 组分质量守恒方程 101.3.5 控制方程的通用形式 111.4 对控制方程的进一步讨论 111.4.1 湍流的控制方程 121.4.2 守恒型控制方程 121.4.3 非守恒型控制方程 121.5 CFD的求解过程 131.5.1 总体计算流程 131.5.2 建立控制方程 131.5.3 确定边界条件与初始条件 141.5.4 划分计算网格 141.5.5 建立离散方程 141.5.6 离散初始条件和边界条件 151.5.7 给定求解控制参数 151.5.8 求解离散方程 151.5.9 判断解的收敛性 151.5.10 显示和输出计算结果 161.6 CFD软件结构 161.6.1 前处理器 161.6.2 求解器 171.6.3 后处理器 171.7 常用的CFD商用软件 181.7.1 PHOENICS 181.7.2 CFX 191.7.3 STAR-CD 201.7.4 FIDAP 211.7.5 FLUENT 211.8 本章小结 221.9 复习思考题 23第2章 基于有限体积法的 控制方程离散 242.1 离散化概述 242.1.1 离散化的目的 242.1.2 离散时所使用的网格 252.1.3 常用的离散化方法 252.2 有限体积法及其网格简介 262.2.1 有限体积法的基本思想 262.2.2 有限体积法所使用的网格 272.2.3 网格几何要素的标记 282.3 求解一维稳态问题的有限体积法 282.3.1 问题的描述 282.3.2 生成计算网格 292.3.3 建立离散方程 292.3.4 离散方程的求解 312.4 常用的离散格式 312.4.1 术语与约定 322.4.2 中心差分格式 332.4.3 一阶迎风格式 342.4.4 混合格式 362.4.5 指数格式 362.4.6 乘方格式 372.4.7 各种离散格式的汇总 382.4.8 低阶格式中的假扩散与人工粘性 392.5 空间离散的高阶离散格式 392.5.1 二阶迎风格式 392.5.2 QUICK格式 402.5.3 对高阶格式的讨论 432.6 各种离散格式的性能对比 442.7 一维瞬态问题的有限体积法 452.7.1 瞬态问题的描述 452.7.2 控制方程的积分 462.7.3 显式时间积分方案 482.7.4 Crank-Nicolson时间积分方案 492.7.5 全隐式时间积分方案 502.8 关于有限体积法的进一步讨论 512.8.1 被求函数的离散格式 512.8.2 方程组的形式 512.8.3 源项的处理 522.8.4 有限体积法的四条基本原则 522.9 二维与三维问题的离散方程 542.9.1 二维问题的基本方程 542.9.2 二维问题的控制体积 542.9.3 二维问题控制方程的积分 552.9.4 二维问题的离散方程 562.9.5 三维问题的离散方程 572.9.6 离散方程的通用表达式 572.10 本章小结 612.11 复习思考题 62
第3章 基于SIMPLE算法的 流场数值计算 633.1 流场数值解法概述 633.1.1 常规解法存在的主要问题 633.1.2 流场数值计算的主要方法 653.2 交错网格及其应用 673.2.1 使用普通网格计算流场时遇到的困难 673.2.2 交错网格的特点 683.2.3 动量方程的离散 703.3 流场计算的SIMPLE算法 743.3.1 SIMPLE算法的基本思想 743.3.2 速度修正方程 753.3.3 压力修正方程 763.3.4 SIMPLE算法的计算步骤 783.3.5 SIMPLE算法应用实例 783.3.6 对SIMPLE算法的讨论 813.4 SIMPLER／SIMPLEC／PISO算法 833.4.1 SIMPLER算法 833.4.2 SIMPLEC算法 863.4.3 PISO算法 873.4.4 SIMPLE系列算法的比较 913.5 瞬态问题的数值计算 913.5.1 瞬态问题的SIMPLE算法 913.5.2 瞬态问题的PISO算法 923.6 基于同位网格的SIMPLE算法 933.6.1 同位网格简介 943.6.2 动量方程的离散 943.6.3 压力修正方程的建立 953.6.4 同位网格上SIMPLE算法的计算步骤 973.6.5 关于同位网格应用的几点说明 983.7 基于非结构网格的SIMPLE算法 993.7.1 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 1003.7.3 动量方程的离散 1023.7.4 速度修正方程的建立 1033.7.5 压力修正方程的建立 1043.7.6 非结构网格上SIMPLE算法的计算步骤 1053.7.7 关于非结构网格应用的几点说明 1063.8 离散方程组的基本解法 1073.8.1 对流-扩散问题的离散方程组的特点 1073.8.2 代数方程组的基本解法 1083.8.3 TDMA解法 1083.9 本章小结 1103.10 复习思考题 111第4章 三维湍流模型及其 在CFD中的应用 1134.1 湍流及其数学描述 1134.1.1 湍流流动的特征 1134.1.2 湍流的基本方程 1144.2 湍流的数值模拟方法简介 1164.2.1 三维湍流数值模拟方法的分类 1164.2.2 直接数值模拟(DNS)简介 1164.2.3 大涡模拟(LES)简介 1174.2.4 Reynolds平均法(RANS)简介 1184.3 零方程模型及一方程模型 1194.3.1 零方程模型 1194.3.2 一方程模型 1204.4 标准两方程模型 1204.4.1 标准模型的定义 1214.4.2 标准模型的有关计算公式 1214.4.3 标准模型的控制方程组 1224.4.4 标准模型方程的解法及适用性 1234.5 RNG模型和Realizable模型 1244.5.1 RNG模型 1244.5.2 模型 1254.6 在近壁区使用模型的问题及对策 1264.6.1 近壁区流动的特点 1264.6.2 在近壁区使用模型的问题 1284.6.3 壁面函数法 1284.6.4 低数模型 1314.7 Reynolds应力方程模型(RSM) 1324.7.1 Reynolds应力输运方程 1324.7.2 RSM的控制方程组及其解法 1364.7.3 对RSM适用性的讨论 1374.8 代数应力方程模型(ASM) 1374.8.1 ASM的应力方程 1384.8.2 ASM的控制方程组及其求解 1384.8.3 ASM的特点 1384.9 大涡模拟(LES) 1394.9.1 大涡模拟的基本思想 1394.9.2 大涡的运动方程 1394.9.3 亚格子尺度模型 1404.9.4 LES控制方程的求解 1414.10 本章小结 1424.11 复习思考题 142第5章 边界条件的应用 1445.1 边界条件概述 1445.1.1 边界条件的类型 1445.1.2 边界条件对网格布置的影响 1455.1.3 将边界条件引入到离散方程 1465.2 流动进口边界条件 1465.2.1 流动进口边界条件的设置 1465.2.2 对流动进口边界条件的说明 1475.3 流动出口边界条件 1485.3.1 流动出口边界条件的设置 1485.3.2 对流动出口边界条件的说明 1505.4 壁面条件 1505.4.1 壁面边界上的网格布置 1505.4.2 壁面边界上离散方程源项的构造 1525.5 恒压边界条件 1545.6 对称边界条件与周期性边界条件 1565.6.1 对称边界条件 1565.6.2 周期性边界条件 1565.7 使用边界条件时的注意事项 1565.8 初始条件 1585.9 本章小结 1585.10 复习思考题 158第6章 网格的生成 1606.1 网格及其生成方法概述 1606.1.1 网格类型 1606.1.2 网格单元的分类 1616.1.3 单连域与多连域网格 1626.1.4 生成网格的过程 1626.1.5 生成结构网格的贴体坐标法 1626.1.6 生成网格的专用软件 1646.2 网格生成软件GAMBIT简介 1646.2.1 GAMBIT的特点 1646.2.2 GAMBIT的操作界面 1656.2.3 GAMBIT的操作步骤 1666.3 GAMBIT的基本用法 1676.3.1 二维自然对流换热问题的描述 1676.3.2 生成几何模型 1686.3.3 划分网格 1696.3.4 指定边界类型和区域类型 1706.3.5 导出网格文件 1726.4 AutoCAD与GAMBIT的 联合使用 1726.4.1 二维离心泵流动模拟问题概述 1726.4.2 在AutoCAD内生成几何模型 1736.4.3 划分网格 1746.4.4 指定边界类型和区域类型 1766.5 Pro/ENGINEER与GAMBIT的 联合使用 1776.5.1 三维轴流泵流动模拟问题概述 1776.5.2 在Pro/ENGINEER中生成叶片实体模型 1786.5.3 在GAMBIT中生成计算区域的实体模型 1796.5.4 三维问题的网格划分 1816.5.5 指定边界类型和体的类型 1826.6 本章小结 1826.7 复习思考题 183第7章 FLUENT软件的基本用法 1857.1 FLUENT概述 1857.1.1 FLUENT软件构成 1857.1.2 FLUENT适用对象 1867.1.3 FLUENT使用的单位制 1867.1.4 FLUENT使用的文件类型 1867.2 FLUENT求解步骤 1877.2.1 制订分析方案 1887.2.2 求解步骤 1887.3 FLUENT的操作界面 1897.3.1 文本命令与菜单 1897.3.2 Scheme表达式 1907.3.3 图形控制及鼠标使用 1917.4 使用网格 1917.4.1 导入网格 1917.4.2 检查网格 1937.4.3 显示网格 1937.4.4 修改网格 1947.4.5 光顺网格与交换单元面 1957.5 选择求解器及运行环境 1967.5.1 分离式求解器 1967.5.2 耦合式求解器 1967.5.3 求解器中的显式与隐式方案 1977.5.4 求解器的比较与选择 1987.5.5 计算模式的选择 1997.5.6 运行环境的选择 1997.6 确定计算模型 2007.6.1 多相流模型 2007.6.2 能量方程 2017.6.3 粘性模型 2027.6.4 辐射模型 2047.6.5 组分模型 2057.6.6 离散相模型 2067.6.7 凝固和熔化 2077.6.8 声学特性 2077.6.9 污染物模型 2077.7 定义材料 2087.7.1 材料简介 2087.7.2 定义材料的方法 2087.8 设置边界条件 2107.8.1 FLUENT提供的边界条件类型 2107.8.2 设置边界条件的方法 2127.8.3 给定湍流参数 2147.9 常用的边界条件 2167.9.1 压力进口 2167.9.2 速度进口 2197.9.3 质量进口 2207.9.4 压力出口 2217.9.5 出流 2227.9.6 压力远场 2237.9.7 壁面 2237.9.8 流体 2257.9.9 固体 2267.9.10 周期性 2277.9.11 对称 2277.9.12 内部界面 2287.10 设置求解控制参数 2287.10.1 设置离散格式与 欠松弛因子 2287.10.2 设置求解限制项 2317.10.3 设置求解过程的 监视参数 2317.10.4 初始化流场的解 2337.11 流场迭代计算 2347.11.1 稳态问题的求解
