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第1章 计算流体动力学基本知识1

1.1 计算流体动力学概述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4

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 可压流体与不可压流体5

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6

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9

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13

第2章 控制方程的离散14

2.1 离散化方法概述14

2.1.1 有限差分法14

2.1.2 有限元法14

2.1.3 有限体积法15

2.2 有限体积法原理15

2.2.1 有限体积法的基本原理15

2.2.2 有限体积法的区域离散16

2.3 一维稳态问题的有限体积法17

2.3.1 问题的描述17

2.3.2 生成计算网格18

2.3.3 建立离散方程18

2.3.4 求解离散方程20

2.4 多维稳态问题的有限体积法20

2.4.1 二维稳态问题的有限体积法20

2.4.2 三维稳态问题的离散方程22

2.4.3 离散方程的通用表达式24

2.5 一阶离散格式24

2.5.1 离散格式的特性24

2.5.2 问题的描述27

2.5.3 中心差分格式28

2.5.4 一阶迎风格式29

2.5.5 混合格式30

2.5.6 指数格式与乘方格式31

2.6 高阶离散格式32

2.6.1 二阶迎风格式32

2.6.2 QUICK格式33

2.6.3 QUlCK格式的改进34

2.6.4 各种离散格式的性能对比34

2.7 一维瞬态问题的有限体积法35

2.7.1 问题的描述35

2.7.2 方程的离散36

2.7.3 显示格式38

2.7.4 Crank-Nicolson格式38

2.7.5 全隐式格式39

2.8 多维瞬态问题的有限体积法39

2.8.1 二维瞬态问题的有限体积法39

2.8.2 三维瞬态问题的离散方程41

2.8.3 离散方程的通用表达式41

第3章 流场的求解计算42

3.1 流场求解计算概述42

3.1.1 求解计算的难点42

3.1.2 求解计算的方法43

3.2 交错网格技术44

3.2.1 常规网格44

3.2.2 交错网格45

3.2.3 方程的离散47

3.3 SIMPLE算法51

3.3.1 SIMPLE算法的基本原理51

3.3.2 关于SIMPLE算法的两点说明53

3.4 SIMPLE算法的改进54

3.4.1 SIMPLER算法54

3.4.2 SIMPLEC算法55

3.4.3 PISO算法57

3.4.4 SIMPLE系列算法的比较60

3.5 瞬态问题的求解算法60

3.5.1 瞬态问题的SIMPLE算法60

3.5.2 瞬态问题的PISO算法61

3.6 基于同位网格的SIMPLE算法62

3.6.1 同位网格62

3.6.2 方程的离散62

3.6.3 基于同位网格的SIMPLE算法步骤64

3.6.4 关于同位网格应用的几点说明65

3.7 基于非结构网格的SIMPLE算法66

3.7.1 非结构网格66

3.7.2 方程的离散67

3.7.3 基于非结构网格的SIMPLE算法步骤70

3.7.4 关于非结构网格应用的几点说明71

3.8 离散方程组的基本解法71

3.8.1 代数方程组的基本解法71

3.8.2 TDMA算法72

3.8.3 TDMA算法在二维问题中的应用74

3.8.4 TDMA算法在三维问题中的应用74

第4章 湍流模型及其应用76

4.1 湍流的数学描述76

4.1.1 湍流的流动特征76

4.1.2 湍流的基本方程77

4.2 湍流的数值模拟方法78

4.2.1 湍流数值模拟方法的分类78

4.2.2 直接数值模拟79

4.2.3 大涡模拟80

4.2.4 Reynolds平均法80

4.3 零方程模型及一方程模型81

4.3.1 零方程模型81

4.3.2 一方程模型81

4.4 标准k-ε两方程模型82

4.4.1 标准k-ε模型的定义82

4.4.2 标准k-ε模型的控制方程组及适用性83

4.5 RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型84

4.5.1 RNG k-ε模型85

4.5.2 Realizable k-ε模型85

4.6 采用k-ε模型处理近壁问题86

4.6.1 近壁区流动的特点87

4.6.2 壁面函数法88

4.6.3 低Re数k-ε模型90

4.7 Reynolds应力方程模型（RSM）91

4.7.1 Reynolds应力输运方程91

4.7.2 RSM的控制方程组及适用性94

4.8 大涡模拟95

4.8.1 大涡模拟的基本原理95

4.8.2 大涡运动方程96

4.8.3 亚格子尺度模型96

4.8.4 LES控制方程的求解97

第5章 边界条件与网格生成98

5.1 边界条件概述98

5.1.1 边界条件的类型98

5.1.2 边界条件的离散99

5.2 进出口边界条件100

5.2.1 进口边界条件100

5.2.2 出口边界条件101

5.3 固壁边界条件102

5.3.1 固壁边界上的网格布置102

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106

5.4.1 恒压边界条件106

5.4.2 对称边界条件107

5.4.3 周期性边界条件107

5.5 边界条件应用时的注意事项及初始条件107

5.5.1 边界条件应用时的注意事项107

5.5.2 初始条件108

5.6 网格生成技术109

5.6.1 网格类型109

5.6.2 网格生成110

第6章 CFD软件的基本知识112

6.1 CFD软件的结构112

6.1.1 前处理器112

6.1.2 求解器113

6.1.3 后处理器113

6.2 常用的CFD软件113

6.2.1 PHOENICS113

6.2.2 CFX114

6.2.3 STAR-CD115

6.2.4 FIDAP116

6.2.5 FLUENT116

6.2.6 FloEFD117

6.3 FLUENT软件118

6.3.1 FLUENT软件的应用118

6.3.2 FLUENT软件的组成119

6.3.3 FLUENT软件的安装120

6.3.4 FLUENT软件的运行121

6.4 FloEFD软件122

6.4.1 FloEFD软件的应用122

6.4.2 FloEFD软件的组成123

6.4.3 FloEFD软件的安装123

6.4.4 FloEFD软件的运行126

第7章 GAMBIT的基本用法130

7.1 GAMBIT概述130

7.1.1 GAMBIT的基本功能130

7.1.2 GAMBIT的操作界面130

7.1.3 GAMBIT的操作步骤133

7.2 几何建模134

7.2.1 GAMBIT常用的造型功能134

7.2.2 GAMBIT常用的编辑功能138

7.3 网格划分140

7.3.1 二维网格划分140

7.3.2 三维网格划分145

7.4 指定边界类型和区域类型147

7.5 基于GAMBIT的二次开发149

7.5.1 日志文件的构建150

7.5.2 日志文件的编写150

7.5.3 GAMBIT二次开发应用实例152

7.6 GAMBIT应用实例157

7.6.1 二维模型157

7.6.2 三维模型166

第8章 FLUENT的基本用法188

8.1 FLUENT概述188

8.1.1 FLUENT的基本功能188

8.1.2 FLUENT的操作界面188

8.1.3 FLUENT的求解步骤189

8.2 使用网格190

8.2.1 导入网格190

8.2.2 检查网格191

8.2.3 显示网格192

8.2.4 修改网格192

8.2.5 光顺网格与交换单元面194

8.3 选择求解器及运行环境195

8.3.1 分离求解器195

8.3.2 耦合求解器195

8.3.3 求解器中的显式与隐式方案196

8.3.4 求解器的比较与选择196

8.3.5 计算模式的选择197

8.3.6 运行环境的选择198

8.4 确定计算模型199

8.4.1 多相流模型199

8.4.2 能量方程200

8.4.3 黏性模型200

8.4.4 辐射模型202

8.4.5 组分模型202

8.4.6 离散相模型203

8.4.7 凝固和熔化模型204

8.4.8 噪声模型205

8.5 定义材料205

8.5.1 材料简介206

8.5.2 定义材料的方法206

8.6 设置边界条件207

8.6.1 边界条件的类型208

8.6.2 边界条件的设置方法209

8.6.3 设定湍流参数210

8.6.4 常用的边界条件212

8.7 设置求解控制参数221

8.7.1 设置离散格式与欠松弛因子222

8.7.2 设置求解限制项223

8.7.3 设置求解过程的监视参数224

8.7.4 初始化流场的解225

8.8 流场迭代计算226

8.8.1 稳态问题的求解226

8.8.2 非稳态问题的求解227

8.9 计算结果后处理229

8.9.1 创建需要进行后处理的表面229

8.9.2 显示等值线图、速度矢量图和流线图230

8.9.3 绘制直方图与XY散点图232

8.9.4 生成动画234

8.9.5 报告统计信息234

8.10 UDF的使用239

8.10.1 UDF的基础240

8.10.2 UDF中访问FLUENT变量的宏245

8.10.3 UDF实用工具宏249

8.10.4 UDF的解释和编译254

8.10.5 UDF应用实例256

8.11 FLUENT应用实例260

8.11.1 二维实例260

8.11.2 三维实例282

第9章 FloEFD的基本用法309

9.1 FloEFD概述309

9.1.1 FloEFD的特点309

9.1.2 FloEFD的操作界面309

9.1.3 FloEFD的求解步骤311

9.2 项目的建立311

9.2.1 向导和导航311

9.2.2 新建项目320

9.2.3 克隆项目321

9.3 边界条件和初始条件324

9.3.1 边界条件的类型324

9.3.2 边界条件的设置325

9.3.3 初始条件的设置328

9.4 目标和工程数据库329

9.4.1 目标的含义329

9.4.2 目标的设定329

9.4.3 工程数据库330

9.5 计算网格331

9.5.1 计算网格的类型331

9.5.2 计算网格的生成331

9.6 计算域和求解346

9.6.1 计算域346

9.6.2 求解348

9.6.3 监控计算350

9.7 计算结果后处理353

9.7.1 载入结果353

9.7.2 结果后处理353

9.8 CAD模型的载入364

9.8.1 模型载入364

9.8.2 模型检查366

9.9 FloEFD应用实例367

9.9.1 球阀设计367

9.9.2 耦合热交换391

第10章 通用后处理软件——TECPLOT423

10.1 TECPLOT概述423

10.2 TECPLOT的操作界面423

10.3 TECPLOT的使用方法430

10.4 TECPLOT的应用实例434

参考文献453