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第1章 CFD概述1

1.1 计算流体力学概述1

1.1.1 计算流体力学的基本思想和本质1

1.1.2 计算流体力学的优势2

1.1.3 CFD学科诞生与工程化背景2

1.1.4 计算流体力学的应用领域2

1.2 计算流体力学问题的解决过程3

1.2.1 前处理3

1.2.2 求解4

1.2.3 后处理4

1.3 计算流体力学商业软件介绍4

1.3.1 前处理器4

1.3.2 求解器5

1.3.3 后处理软件10

1.4 FLUENT的操作界面11

1.4.1 启动FLUENT界面11

1.4.2 FLUENT主界面12

1.5 FLUENT的基础操作13

1.5.1 启动ANSYS FLUENT求解器14

1.5.2 读入网格文件14

1.5.3 网格检查15

1.5.4 尺寸检查16

1.5.5 网格光顺化16

1.5.6 显示网格16

1.5.7 模型参数设置17

1.5.8 物性参数设置17

1.5.9 边界条件参数设置18

1.5.10 求解参数设置20

1.5.11 迭代求解21

1.5.12 利用高阶离散格式获得精确解21

1.6 显示计算结果与分析结果数据22

1.6.1 显示速度的云图22

1.6.2 显示温度的云图23

1.6.3 显示速度矢量图24

1.6.4 显示出口温度的XY点图25

1.7 本章总结25

第2章 网格基础与操作26

2.1 CFD网格前处理理论准备26

2.1.1 划分网格的目的26

2.1.2 网格几何要素26

2.1.3 网格形状27

2.1.4 结构化与非结构化网格27

2.1.5 壁面和近壁区网格处理原则29

2.1.6 网格质量评价标准31

2.1.7 选择合适的网格类型32

2.1.8 网格自适应33

2.2 GAMBIT网格划分34

2.2.1 GAMBIT的基本功能与界面34

2.2.2 GAMBIT基本术语37

2.2.3 GAMBIT几何通用操作37

2.2.4 GAMBIT几何造型40

2.2.5 GAMBIT实体几何操作49

2.2.6 GAMBIT划分实体网格53

2.2.7 划分体网格57

2.2.8 划分边界层网格60

2.2.9 GAMBIT指定边界和域类型62

2.2.10 尺寸函数63

2.2.11 网格划分策略分析简介65

2.2.12 网格质量管理及网格输出66

2.3 ICEM CFD网格划分68

2.3.1 ICEM CFD基本功能与界面68

2.3.2 ICEM CFD几何体创建与处理72

2.3.3 ICEM CFD划分非结构网格77

2.3.4 ICEM CFD划分棱柱边界层网格86

2.3.5 ICEM CFD划分六面体结构化网格90

2.3.6 ICEM CFD指定边界和域类型以及输出网格102

第3章 FLUENT基础与操作105

3.1 FLUENT求解，启动FLUENT与FLUENT并行计算105

3.2 FLUENT脚本文件自动运行107

3.3 FLUENT文件类型108

3.4 网格检查108

3.4.1 在FLUENT中检查网格108

3.4.2 报告网格统计量109

3.5 计算域尺寸设置110

3.5.1 FLUENT的计算单位系统110

3.5.2 在FLUENT中设置计算域尺寸110

3.6 定义湍流模型111

3.6.1 流体与流动的分类111

3.6.2 判断湍流的标准112

3.6.3 湍流模型的评价与选择113

3.6.4 壁面函数的选择117

3.6.5 在FLUENT中设定湍流模型118

3.7 对流换热计算121

3.7.1 在FLUENT中考虑对流换热121

3.7.2 考虑自然对流问题的场合与方法122

3.8 辐射换热计算124

3.8.1 选择辐射换热模型124

3.8.2 在FLUENT中设定P1辐射模型125

3.8.3 在FLUENT中设定Discrete Ordinates辐射模型125

3.8.4 辐射物质属性定义126

3.9 模拟不考虑化学反应的组分传输过程127

3.10 化学反应流与燃烧模拟127

3.10.1 FLUENT中的燃烧模型介绍127

3.10.2 反应模型的选择128

3.10.3 通用有限速率模型130

3.10.4 ISAT算法135

3.10.5 导入CHEMKIN格式的化学反应机理136

3.10.6 非预混燃烧模型之混合分数／PDF模型137

3.10.7 非预混燃烧模型之层流火焰面模型138

3.10.8 FLUENT中的煤燃烧模拟计算器的设置与使用139

3.10.9 预混燃烧模型140

3.10.10 部分预混燃烧模型141

3.10.11 组分输运概率密度函数PDF燃烧模型142

3.10.12 FLUENT燃烧模拟可能遇到的点火问题142

3.11 表面反应模拟143

3.12 设定操作工况参数144

3.13 设定单元区域条件146

3.13.1 单元区域条件的类型146

3.13.2 单元区域条件设定147

3.14 多孔介质计算域149

3.15 设定边界条件150

3.15.1 边界条件类型150

3.15.2 边界条件设定151

3.16 控制方程离散化171

3.16.1 离散方法171

3.16.2 离散格式172

3.16.3 离散格式的选择173

3.16.4 在FLUENT中设置离散格式175

3.17 求解方法175

3.17.1 基于压力的求解器175

3.17.2 基于密度的求解器177

3.17.3 在FLUENT中设置求解器177

3.18 设置欠松弛因子178

3.19 设置库朗数179

3.20 设置求解极限179

3.21 求解初始化180

3.21.1 全局初始化180

3.21.2 对初始值进行局部修补181

3.22 求解器的使用方法181

3.22.1 使用求解器的基本步骤181

3.22.2 在FLUENT中设置定常状态的计算182

3.23 确认收敛性182

3.24 网格自适应182

3.25 UDF的基本理论与应用183

3.25.1 UDF的基本理论183

3.25.2 UDF的应用183

3.26 FLUENT中常见警告的出现原因和解决方法184

第4章 后处理基础与操作186

4.1 计算后处理：FLUENT后处理186

4.1.1 创建点、线和面187

4.1.2 流场显示190

4.1.3 显示网格191

4.1.4 显示等值线云图191

4.1.5 显示矢量图192

4.1.6 显示轨迹线193

4.1.7 显示扫描面194

4.1.8 创建动画194

4.1.9 显示XY曲线195

4.1.10 显示柱状图195

4.1.11 FLUENT计算报告196

4.1.12 边界通量报告196

4.1.13 受力报告197

4.1.14 投影面积198

4.1.15 表面积分198

4.1.16 体积分200

4.1.17 参考值设定201

4.1.18 算例设置报告201

4.2 Tecplot数据处理202

4.2.1 Tecplot 360功能简介202

4.2.2 Tecplot 360文件格式204

4.2.3 Tecplot 360读入FLUENT文件208

4.2.4 在Tecplot 360中绘制XY曲线210

4.2.5 在Tecplot 360中显示等值线云图211

4.2.6 在Tecplot 360中绘制矢量图213

4.2.7 在Tecplot 360中绘制流线214

4.2.8 在Tecplot 360中绘制三维流场剖面图215

4.2.9 在Tecplot 360中制作动画218

4.2.10 在Tecplot 360中分析CFD数据221

第5章 网格划分案例223

第一部分：利用GAMBIT划分网格223

5.1 网格实例一：二维圆筒燃烧器网格划分223

5.1.1 创建几何实体224

5.1.2 对实体进行网格划分225

5.1.3 创建边界条件并输出网格226

5.2 网格实例二：燃气灶网格划分227

5.2.1 创建燃气灶实体模型228

5.2.2 对实体进行网格划分232

5.2.3 创建实体的边界条件234

5.2.4 输出网格235

第二部分：利用ICEM CFD划分网格235

5.3 网格实例三：引擎模型四面体划分235

5.3.1 打开工程235

5.3.2 Repair几何实体236

5.3.3 设置网格尺寸237

5.3.4 初步计算并查看网格237

5.3.5 光顺网格238

5.3.6 基于曲率自适应的网格加密238

5.3.7 再次创建网格239

5.3.8 切面显示239

5.4 网格实例四：机翼翼身组合体棱柱形网格划分239

5.4.1 打开项目239

5.4.2 划分棱柱层网格240

5.4.3 创建机翼尾部密度区241

5.4.4 再次计算网格并显示242

5.4.5 光顺网格242

5.4.6 生成六面体核心网格242

5.5 网格实例五：二维管道四边形网格划分243

5.5.1 新建工程244

5.5.2 初始化块244

5.5.3 分割块244

5.5.4 删除Blocks245

5.5.5 关联块顶点到几何点245

5.5.6 关联Edge到Curve246

5.5.7 显示关联247

5.5.8 组合Curves247

5.5.9 完成边和线的关联247

5.5.10 移动剩余的顶点到几何上248

5.5.11 设置网格尺寸248

5.5.12 生成并显示网格249

5.5.13 网格质量检查249

5.5.14 转化成非结构化网格250

5.6 网格实例六：三维管道六面体结构化网格250

5.6.1 新建工程250

5.6.2 检查几何拓扑251

5.6.3 创建Part251

5.6.4 创建材料点并保存工程252

5.6.5 初始化块252

5.6.6 分割块并建立拓扑结构253

5.6.7 关联曲线254

5.6.8 初步生成网格255

5.6.9 初步网格质量评估255

5.6.10 建立O-grid255

5.6.11 第二次生成网格256

5.6.12 第二次网格质量评估256

5.6.13 网格输出257

5.7 网格实例七：三维弯管六面体结构化网格257

5.7.1 打开项目并创建Parts257

5.7.2 创建体并初始化块258

5.7.3 切块和删除部分块259

5.7.4 关联259

5.7.5 移动顶点（1）260

5.7.6 创建第一个O-grid260

5.7.7 修饰块261

5.7.8 移动顶点（2）262

5.7.9 创建第二个O-grid262

5.7.10 设置网格尺寸并预览网格263

5.7.11 移动顶点以改善网格质量264

5.7.12 重新查看网格264

5.8 网格实例八：管内叶片三维六面体结构化网格265

5.8.1 打开工程并创建Parts265

5.8.2 创建体266

5.8.3 初始化块266

5.8.4 创建关联267

5.8.5 块分割267

5.8.6 塌陷268

5.8.7 边关联268

5.8.8 设置面网格参数268

5.8.9 网格质量检查269

5.8.10 创建O-grid269

5.8.11 中间块删除并计算网格270

5.8.12 网格质量检查270

5.9 网格实例九：半球方体三维六面体结构化网格271

5.9.1 读入工程271

5.9.2 初始化块272

5.9.3 建立拓扑（1）273

5.9.4 关联（1）273

5.9.5 设置网格参数（1）273

5.9.6 预览网格并检查网格质量274

5.9.7 建立拓扑（2）275

5.9.8 关联（2）275

5.9.9 设置网格参数（2）276

5.9.10 计算网格276

5.9.11 检查网格质量277

5.9.12 局部网格参数设置277

5.10 网格实例十：托架三维六面体结构化网格277

5.10.1 创建新项目278

5.10.2 初始化块278

5.10.3 移动块顶点279

5.10.4 分块（1）279

5.10.5 关联并移动顶点280

5.10.6 创建块280

5.10.7 关联281

5.10.8 分块（2）281

5.10.9 创建O-grid282

5.10.10 设置边缘O-grid283

5.10.11 计算网格283

5.10.12 网格质量评估284

5.10.13 网格镜像285

第6章 综合实战案例一286

6.1 算例一：空调房间室内气流组织模拟286

6.1.1 介绍286

6.1.2 方法和设置286

6.1.3 前期要求286

6.1.4 问题描述287

6.1.5 准备287

6.1.6 设置和求解287

6.1.7 总结291

6.2 算例二：管内流动的模拟291

6.2.1 介绍291

6.2.2 方法和设置291

6.2.3 前期要求291

6.2.4 问题描述291

6.2.5 准备291

6.2.6 设置和求解292

6.2.7 总结301

6.2.8 参考文献301

6.2.9 练习与讨论301

6.3 算例三：外掠平板的流场与换热301

6.3.1 介绍301

6.3.2 方法和设置301

6.3.3 前期要求302

6.3.4 问题描述302

6.3.5 准备302

6.3.6 设置与求解302

6.3.7 总结310

6.3.8 参考文献310

6.3.9 练习与讨论310

6.4 算例四：进气歧管的流动模拟311

6.4.1 介绍311

6.4.2 方法和设置311

6.4.3 前期要求311

6.4.4 问题描述311

6.4.5 准备312

6.4.6 设置和求解312

6.4.7 总结319

6.4.8 参考文献319

6.4.9 练习与讨论319

6.5 算例五：渐缩渐扩管的无粘与可压缩流动模拟319

6.5.1 介绍319

6.5.2 方法和设置319

6.5.3 前期准备319

6.5.4 问题描述320

6.5.5 准备320

6.5.6 设置和求解320

6.5.7 总结327

6.5.8 参考文献327

6.5.9 练习与讨论327

6.6 算例六：模拟水箱的水波运动327

6.6.1 介绍327

6.6.2 方法和设置327

6.6.3 前期要求327

6.6.4 问题描述328

6.6.5 准备328

6.6.6 设置和求解328

6.6.7 总结335

6.6.8 练习与讨论335

6.7 算例七：水平膜状沸腾336

6.7.1 介绍336

6.7.2 前期要求336

6.7.3 问题描述336

6.7.4 设置和求解336

6.7.5 分析341

6.7.6 总结342

6.8 算例八：机翼绕流可压缩流动的模拟342

6.8.1 介绍342

6.8.2 方法和设置343

6.8.3 前期要求343

6.8.4 问题描述343

6.8.5 准备343

6.8.6 设置和求解343

6.8.7 总结350

6.8.8 练习与讨论350

6.9 算例九：利用欧拉模型解决搅拌器混合问题350

6.9.1 介绍350

6.9.2 方法和设置351

6.9.3 问题描述351

6.9.4 设置和求解351

6.10 算例十：利用多相流混合模型和欧拉模型求解T形管流动360

6.10.1 介绍360

6.10.2 方法和设置360

6.10.3 问题描述361

6.10.4 设置和求解361

6.11 算例十一：对固体燃料电池进行流体动力学模拟368

6.11.1 介绍368

6.11.2 方法和设置368

6.11.3 问题描述368

6.11.4 设置与求解368

第7章 综合实战案例二378

7.1 算例十二：使用喷尿素法并利用选择性非催化还原法（SNCR）进行NOx模拟378

7.1.1 介绍378

7.1.2 方法和设置378

7.1.3 前期要求378

7.1.4 问题描述379

7.1.5 准备379

7.1.6 设置和求解379

7.2 总结384

7.3 算例十三：使用混合物模型模拟质量和热量交换384

7.3.1 介绍384

7.3.2 前期要求384

7.3.3 问题描述384

7.3.4 设置和求解385

7.4 算例十四：使用用户自定义标量模拟电加热（欧姆加热）390

7.4.1 介绍390

7.4.2 方法和设置390

7.4.3 前期要求390

7.4.4 问题描述390

7.4.5 准备391

7.4.6 设置和求解391

7.4.7 总结399

7.4.8 练习与讨论399

7.5 算例十五：顶盖驱动的腔体流动400

7.5.1 介绍400

7.5.2 方法和设置400

7.5.3 前期要求400

7.5.4 问题描述400

7.5.5 准备400

7.5.6 设置和求解400

7.5.7 总结406

7.5.8 参考文献407

7.5.9 练习与讨论407

7.6 算例十六：引擎流场模拟407

7.6.1 介绍407

7.6.2 方法和设置407

7.6.3 前期要求407

7.6.4 问题描述408

7.6.5 准备408

7.6.6 设置和求解408

7.6.7 总结423

7.6.8 练习和讨论424

7.7 算例十七：使用EBU（Eddy Break Up，涡破碎）模型模拟煤粉燃烧424

7.7.1 介绍424

7.7.2 技巧和设置424

7.7.3 前期要求424

7.7.4 问题描述424

7.7.5 准备425

7.7.6 设置和求解425

7.7.7 结果436

7.8 算例十八：多步焦炭反应模拟436

7.8.1 介绍436

7.8.2 技巧和设置436

7.8.3 前期要求436

7.8.4 问题描述436

7.8.5 准备437

7.8.6 设置和求解437

7.8.7 结果444

7.8.8 总结444

7.9 算例十九：利用EDC燃烧模型模拟扩散火焰445

7.9.1 介绍445

7.9.2 前期要求445

7.9.3 问题描述445

7.9.4 准备445

7.9.5 设置和求解445

7.9.6 总结453

7.10 算例二十：扩散射流火焰的PDF输运方程模型模拟454

7.10.1 介绍454

7.10.2 技巧和设置454

7.10.3 实验概况454

7.10.4 前期要求454

7.10.5 问题描述454

7.10.6 准备455

7.10.7 设置和求解455

7.10.8 总结461

7.11 算例二十一：模拟圆形通道的表面反应461

7.11.1 介绍461

7.11.2 准备461

7.11.3 设置和求解461

第8章 综合实战案例三465

8.1 算例二十二：模拟二维流化床的均匀流化作用465

8.1.1 介绍465

8.1.2 前期要求465

8.1.3 问题描述465

8.1.4 设置和求解466

8.2 算例二十三：液体燃料燃烧469

8.2.1 介绍469

8.2.2 技巧和设置470

8.2.3 前期准备470

8.2.4 问题描述470

8.2.5 准备470

8.2.6 设置和求解471

8.2.7 总结478

8.3 算例二十四：偏心环形管道的非牛顿流体流动模拟478

8.3.1 介绍478

8.3.2 技巧和设置479

8.3.3 前期要求479

8.3.4 问题描述479

8.3.5 准备479

8.3.6 设置和求解479

8.3.7 总结489

8.3.8 参考文献489

8.3.9 练习与讨论489

8.4 算例二十五：离心式鼓风机模拟489

8.4.1 介绍489

8.4.2 问题描述490

8.4.3 准备490

8.4.4 设置和求解490

8.4.5 总结498

8.5 算例二十六：圆柱绕流模拟498

8.5.1 介绍498

8.5.2 问题描述498

8.5.3 准备498

8.5.4 设置和求解498

8.5.5 总结506

8.5.6 参考文献506

第9章 综合实战案例四507

9.1 算例二十七：求解流固耦合换热问题507

9.1.1 介绍507

9.1.2 问题描述507

9.1.3 准备工作508

9.1.4 设置和求解508

9.2 总结519

9.3 算例二十八：使用太阳光辐射加载模型模拟室内通风过程519

9.3.1 介绍519

9.3.2 问题描述520

9.3.3 准备工作520

9.3.4 设置与求解520

9.4 附录527

9.5 算例二十九：利用FLUENT模拟核状沸腾换热过程527

9.5.1 介绍527

9.5.2 问题描述528

9.5.3 准备工作528

9.5.4 步骤和求解：单相流动528

9.5.5 求解设置：沸腾流532

9.6 算例三十：使用FLUENT的VOF多相流模型模拟大坝泄洪过程541

9.6.1 问题描述541

9.6.2 准备工作542

9.6.3 设置与求解542

9.7 总结546

9.8 算例三十一：模拟离心泵的空化现象546

9.8.1 问题描述546

9.8.2 准备工作547

9.8.3 设置与求解547

9.9 总结551

9.10 算例三十二：模拟喷雾蒸发过程552

9.10.1 准备工作552

9.10.2 问题描述552

9.10.3 设置和求解552

准备工作552

9.11 总结568

9.12 进一步改进568

9.13 算例三十三：使用非预混燃烧模型模拟燃烧问题568

9.13.1 前提条件568

9.13.2 问题描述569

9.13.3 设置和求解569

9.14 总结581

9.15 参考文献581

9.16 进一步改进581

9.17 算例三十四：使用有限速率化学反应模型分析锥形室内的预混化学反应流581

9.17.1 问题描述582

9.17.2 设置和求解582

9.17.3 结果590

9.18 总结590

9.19 参考文献591

9.20 算例三十五：选择性催化还原（SCR）的脱硝过程模拟591

9.20.1 网格591

9.20.2 前期准备592

9.20.3 问题描述592

9.20.4 准备工作592

9.20.5 设置和求解592

9.21 总结601

9.22 算例三十六：壁面温度正弦状变化的UDF设置及模拟601

9.22.1 问题描述601

9.22.2 准备工作601

9.22.3 设置和求解602

9.23 结果603

9.24 总结604

9.25 算例三十七：随温度而变化之粘性的UDF设置及模拟604

9.25.1 问题描述604

9.25.2 准备工作604

9.25.3 设置和求解604

9.26 结果607

9.27 总结607

参考文献608