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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 PHOENICS135

7.2.2 CFX136

7.2.3 STAR-CD137

7.2.4 FIDAP138

7.2.5 FLUENT138

7.2.6 FloEFD139

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——TECPLOT299

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