CAD/CAM/CAE实用技术丛书•FLUENT:流体工程仿真计算实例与分析.pdf

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书籍描述

编辑推荐
《FLUENT:流体工程仿真计算实例与分析》:流体力学教学参考书。必备的理论知识和典型的案例分析。帮您加深理解FLUENT软件的算法、模型等理论,深入的参数设置和详尽的操作步骤,帮您迅速掌握解决复杂工程问题的思路和方法,包含了流体流动、传热、多相流、动网格、UDF等层面的典型工程应用案例,附加光盘中提供了所有实例的文件和UDF源程序,使学习更加快捷。

目录
第一章 计算流体力学概论
第一节 计算流体力学与数值模拟
第二节 计算流体力学的发展
第三节 微分方程的分类
第四节 常用的模型方程
第五节 差分格式构造方法
一、Taylor级数展开法
二、多项式插值法
三、待定系数法
四、积分方法
五、特征线法
六、控制体积法
第六节 几种模型方程的常用差分格式
一、对流方程
二、扩散方程
三、对流扩散方程
第七节 差分格式的相容性、收敛性和稳定性
第八节 流体力学常见偏微分方程的数值解法
一、偏微分方程的形式和来源
二、抛物型方程的数值解
三、双曲型方程特征线法

第二章 二维流动与传热问题
第一节 空气流过高温平板的流动与换热问题
第1步:在Gambit中创建流域结构、划分网格并确定边界类型
第2步:创建网格
第3步:定义边界类型
第4步:在Fluent中对问题进行设置
第5步:求解
第6步:计算结果分析
讨论1:网格对计算结果的影响
讨论2:边界层流动问题
一、平板层流边界层
二、平板紊流边界层
三、平板混合边界层
第二节 空气绕流机翼空气动力学分析
第1步:利用Gambit建立几何模型
第2步:划分网格
第3步:定义边界类型
第4步:保存文件并输出网格
第5步:进行Fluent求解计算设置
笫6步:求解计算
第7步:计算结果分析
讨论1:网格对计算结果的影响(将机翼头部网格加密后重新计算)
讨论2:气体压缩性对流动的影响(将气体视为可压缩流体后重新计算)
讨论3:黏性对计算结果的影响(将气体视为黏性不可压流体重新计算)
第三节 船舶行驶阻力特性数值模拟——VOF模型的应用
第1步:启动Gambit
第2步:创建船体附近小流域
第3步:创建外围流域
第4步:确定边界类型
第5步:求解计算
第6步:第一次调整水线
第7步:第二次调整水线
讨论1:混合网格的计算
第1步:创建工作环境
第2步:在船体附近小区域构造非结构四边形网格
第3步:进行设置并开始计算
讨论2:压力出流边界的计算
第1步:创建工作环境
第2步:建立压力出流边界计算模型
第3步:启动Fluent进行模拟计算
第四节 水箱沸腾加热过程——Mixture模型的应用
第1步:启动Gambit
第2步:创建流动区域
第3步:利用Fluent进行设置与求解
一、定义常数和包含库文件
二、宏DEHNE——定义UDF函数
三、函数体部分
第4步:计算结果的后处理
第五节 平板在空气中的降落过程——动网格应用
第1步:流域按网格类型分解
第2步:求解设置
第3步:稳态流动的求解
第4步:非定常流动过程计算
第5步:动网格设置与计算
第6步:后处理

第三章 三维流动仿真计算
第一节 引射式冷热水混流器流动分析
第1步:建立三维模型
第2步:划分网格
第3步:边界类型
第4步:启动Fluent进行计算
第5步:计算结果后处理
讨论:影响出流温度的因素
第二节 单头螺旋槽纹管内的流动
第1步:启动Gambit
第2步:建立螺旋槽纹管内的螺旋槽
第3步:创建主管道
第4步:网格划分
第5步:确定边界类型
第6步:启动。Fluent,读入网格文件
第7步:计算模型及边界条件设置
第8步:求解器控制参数设置
第9步:后处理
第10步:阻力损失的进一步计算与结论
第三节 叶轮机械流动问题一Furbo工具的应用
第1步:启动Gambit,创建流域外形
第2步:利用Turbo工具进行建模
第3步:利用Fluent-3d求解器进行计算
第4步:计算结果的后处理
讨论1:有分流叶片流域的建模
讨论2:涡轮建模与旋转坐标系的应用
第1步:有叶顶间隙流域的建模
第2步:建立单旋转坐标系并进行计算
第3步:计算结果的后处理
第四节 喷泉的喷射——VOF与DPM模型的应用
第1步:启动Gambit
第2步:建立流域
第3步:网格划分
第4步:确定边界类型
第5步:启动Fluent-3d,读入网格文件
第6步:计算模型及边界条件设置
第7步:求解器控制参数设置
第8步:后处理
讨论1:空气混合沙粒喷出的非耦合计算
分析1:沙粒所占的体积比例
分析2:沙粒喷射高度
第1步:连续相的流动计算
第2步:进行喷沙流动的计算
第3步:计算结果后处理
讨论2:离散相模型的耦合计算
讨论3:单个颗粒源的点属性设置
参考文献

序言
《Fluent——流体工程仿真计算实例与应用》一书与读者见面已经有五年了,在此感谢读者对本书的厚爱,也感谢许多读者提出的带有建设性的宝贵意见。
在这五年中,情况发生了很大的变化,Fluent的版本已发展到6.3版,读者在流体工程仿真计算的实践中也有很多的体会,为了适应新形势的需要,也是作为《Fluent——流体工程仿真计算实例与应用》一书的延续,特编写了她的姊妹篇《Fluent——流体工程仿真计算实例与分析》,供广大从事流体工程的科学工作者参考。
本书基本上延续了上一本书的编写风格,仍然以工程实例为主线,讲述流体工程仿真计算中的问题以及解决的方法。本书共例举了9个算例,介绍了流体仿真计算中的问题与解决方案。这里特别强调的是区别,本书与上一本书的区别主要在于侧重了对计算结果的分析,这也是在教学过程中发现的主要问题。在计算流体力学教学过程中,包括许多本科生做毕业设计以及研究生在所研究的课题上,进行了仿真计算后,往往缺少对计算结果的分析这一重要环节,同时许多物理上的概念也没有得到充分的重视。由于缺乏对计算结果的分析和整理,研究报告往往缺乏说服力。为此编写一本带有对计算过程及计算结果进行分析的教材或教案就显得尤为重要,这也是作者编写本书的初衷。
本书的第一章首先介绍了计算流体力学中的若干差分方法,并针对简单问题给出了编程计算的实例,这一章的目的是使读者对计算流体力学有一个初步的认识。第二章介绍二维流动的仿真计算实例,包括了边界层流动问题、翼型的升力计算、船舶航行过程、水的沸腾问题以及动网格的应用,介绍了紊流模型的选取、VOF模型的应用以及带有相变的多相流动问题的计算与分析。第三章介绍了三维流动问题,包括引射式混流器、螺旋槽纹管道内的流动和叶轮机械内流动以及喷水、喷沙两相流动等的计算方法。书中的这些实例是比较有代表性的,也是在教学和科研中常见的问题。在编写本书过程中,编者其实很忐忑,计算流体力学是一门博大精深的学科,所涉及的内容非常广泛,读者也是来自各行各业,一本书的内容是不可能满足所有需求的,只能是有选择地举几个典型的例子。另外,本书也不想编成一本介绍计算流体力学理论的书,因为这样的书太多了,读者完全可以查阅相关的书籍,满足自己的需要。根据作者自身的体会,学习应首先从算例学起,入门后才能谈得上提高,故本书也只能算是一本流体工程仿真计算中稍微深入一点的入门书籍。

文摘
插图:

CAD/CAM/CAE实用技术丛书•FLUENT:流体工程仿真计算实例与分析
计算流体力学在近年来有了突飞猛进的发展,而且正在以更快的速度前进。推动这一发展的原因,一方面是解决实际问题的需要:另一方面也是计算技术的飞速发展和巨型计算机的出现。
计算流体力学是多种领域的交叉学科,它所涉及的学科有流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析、计算机科学等。它的发展促进了这些学科的进一步发展,而最终体现计算流体力学水平的是解决实际问题的能力。
第一节计算流体力学与数值模拟
任何流体运动的规律都是以以下三个定律为基础的:质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。这些基本定律可由数学方程组来描述,如连续性方程、Euler方程、N—S方程等。采用数值计算方法,通过计算机求解这些数学方程,研究流体运动特性,给出流体运动空间定常或非定常流动规律,这样的学科就是计算流体力学。
计算流体力学的兴起推动了研究工作的发展。自从1687年牛顿定律公布以来,直到20世纪50年代初,研究流体运动规律的主要方法有两种:一是试验研究,它以地面试验为研究手段:另一种是理论分析方法,它利用简单流动模型假设,给出所研究问题的解析解,例如势流理论等。这些研究成果推动了流体力学的发展,很多方法仍是目前解决实际问题时常采用的方法。然而,仅采用这些方法研究较复杂的非线性流动现象是不够的,特别是不能满足50年代已开始高速发展起来的宇航飞行器绕流流场特性研究的需要。
计算流体力学的兴起促进了试验研究和理论分析方法的发展,为流动模型的简化提供了更多的依据。使很多分析方法得到发展和完善。然而,更重要的是计算流体力学采用它独有的研究方法——数值模拟方法——研究流体运动的基本特性。这种方法的特点如下:
给出流体运动区域内的离散解,而不是解析解;这有别于一般理论分析方法。
它的发展与计算机技术的发展直接相关;这是因为可能模拟的流体运动的复杂程度、解决问题的广度和能模拟的流体运动的复杂程度都与计算机速度、内存等直接相关。
若物理问题的数学提法(包括数学方程及其相应的边界条件)是正确的,则可在较广泛的流动参数(如马赫数、雷诺数、气体性质、模型尺度等)范围内研究流体力学问题,且能给出流场参数的定量结果。
以上这些常常是风洞试验和理论分析难以做到的。然而,要建立正确的数学方程还必须与试验研究相结合。另外,严格的稳定性分析,误差估计和收敛性理论的发展还跟不上数值模拟的进展。所以计算流体力学仍必须依靠一些较简单的、线性化的、与原问题有密切关系的模型方程的严格数学分析,给出所求解问题的数值解的理论依据;然后再依靠数值试验、地面试验和物理特性分析,验证计算方法的可靠性,从而进一步改进计算方法。

内容简介
《FLUENT:流体工程仿真计算实例与分析》在介绍了计算流体力学基本概念的基础上,以流体工程中较为典型的9个案例为主线,介绍了利用Fluent软件平台对流体工程问题进行数值模拟与仿真计算的方法。《FLUENT:流体工程仿真计算实例与分析》的编写仍然采用了“跟我学”的风格,较为细致地介绍了从建模、网格划分到仿真计算的全过程,同时特别强调了对计算结果的分析与讨论,力求引起读者对网格划分和计算结果正确性的深入思考。《FLUENT:流体工程仿真计算实例与分析》可作为工程类相关专业本科及研究生计算流体力学课程的教学参考书和工程类本科生毕业设计的参考资料,也可供广大从事流体机械工程的科技人员参考。

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