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第一篇 基础知识1

第1章 绪论1

1.1 计算流体力学的概念1

1.2 计算流体力学发展简史2

1.3 计算流体力学的应用3

第2章 计算流体力学基础知识4

2.1 流体的基本特性4

2.1.1 理想流体与黏性流体4

2.1.2 牛顿流体与非牛顿流体4

2.1.3 流体热传导及扩散5

2.1.4 可压流体与不可压流体5

2.1.5 定常与非定常流动6

2.1.6 层流与湍流6

2.2 流体力学的控制方程6

2.2.1 质量守恒方程6

2.2.2 动量守恒方程7

2.2.3 能量守恒方程9

2.2.4 组分质量守恒方程10

2.2.5 湍流的控制方程10

2.2.6 控制方程的通用形式11

2.2.7 守恒型控制方程与非守恒型控制方程12

2.3 CFD工作原理12

2.3.1 计算流程13

2.3.2 建立控制方程13

2.3.3 确定边界条件与初始条件13

2.3.4 划分计算网格13

2.3.5 建立离散方程14

2.3.6 离散初始条件和边界条件14

2.3.7 给定求解控制参数14

2.3.8 求解离散方程14

2.3.9 判断解的收敛性15

2.3.10 显示和输出计算结果15

第3章 湍流模型16

3.1 湍流及其数学描述16

3.1.1 湍流流动的特征16

3.1.2 湍流的基本方程17

3.2 湍流的数值模拟方法19

3.2.1 湍流数值模拟方法的分类19

3.2.2 直接数值模拟法20

3.2.3 大涡模拟法20

3.2.4 Reynolds平均法21

3.3 零方程模型及一方程模型22

3.3.1 零方程模型22

3.3.2 一方程模型22

3.4 标准κ-ε二方程模型23

3.4.1 标准κ-ε模型23

3.4.2 标准κ-ε模型的有关计算公式24

3.4.3 标准κ-ε模型的控制方程组25

3.4.4 标准κ-ε模型方程的解法及适用性26

3.5 改进型κ-ε模型26

3.5.1 （RNG）κ-ε模型26

3.5.2 Realizable κ-ε模型27

3.6 在近壁区使用κ-ε模型的问题及对策29

3.6.1 近壁区流动的特点29

3.6.2 在近壁区使用κ-ε模型的问题30

3.6.3 壁面函数法31

3.6.4 低雷诺数κ-ε模型33

3.7 Reynolds应力方程模型35

3.7.1 Reynolds应力输运方程35

3.7.2 RSM的控制方程组及其解法39

3.7.3 对RSM适用性的讨论39

3.8 大涡模拟40

3.8.1 大涡模拟的基本思想40

3.8.2 大涡运动方程41

3.8.3 亚格子尺度应力模型42

3.8.4 LES控制方程的求解42

第4章 控制方程的离散44

4.1 离散化概述44

4.1.1 离散化的目的44

4.1.2 离散时所使用的网格44

4.1.3 常用的离散化方法45

4.2 有限体积法及其网格46

4.2.1 有限体积法的基本思想46

4.2.2 有限体积法的区域离散46

4.3 一维稳态问题的有限体积法48

4.3.1 问题的描述48

4.3.2 生成计算网格48

4.3.3 建立离散方程48

4.3.4 求解离散方程51

4.4 常用的离散格式56

4.4.1 问题描述56

4.4.2 中心差分格式58

4.4.3 一阶迎风格式59

4.4.4 混合格式63

4.4.5 指数格式65

4.4.6 乘方格式66

4.5 高阶离散格式66

4.5.1 二阶迎风格式66

4.5.2 QUICK格式67

4.6 各种离散格式的性能对比72

4.7 一维瞬态问题的有限体积法73

4.7.1 瞬态问题的描述73

4.7.2 控制方程的积分73

4.7.3 显式时间积分方案76

4.7.4 Crank-Nicolson时间积分方案77

4.7.5 全隐式时间积分方案77

4.8 多维问题的离散方程78

4.8.1 二维问题的基本方程78

4.8.2 二维问题的控制体积78

4.8.3 二维问题控制方程的积分79

4.8.4 二维问题的离散方程80

4.8.5 三维问题的离散方程81

4.8.6 离散方程的通用表达式81

第5章 流场数值计算83

5.1 流场数值解法概述83

5.1.1 常规解法存在的主要问题83

5.1.2 流场数值计算的主要方法84

5.2 交错网格技术86

5.2.1 普通网格86

5.2.2 交错网格87

5.2.3 动量方程的离散88

5.3 流场计算的SIMPLE算法93

5.3.1 SIMPLE算法的基本思路93

5.3.2 速度修正方程94

5.3.3 压力修正方程95

5.3.4 SIMPLE算法的计算步骤97

5.3.5 SIMPLE算法的讨论97

5.4 改进的SIMPLE算法99

5.4.1 SIMPLER算法99

5.4.2 SIMPLEC算法101

5.4.3 PISO算法103

5.4.4 SIMPLE系列算法的比较106

5.5 瞬态问题的数值计算107

5.5.1 瞬态问题的SIMPLE算法107

5.5.2 瞬态问题的PISO算法108

5.6 基于同位网格的SIMPLE算法109

5.6.1 同位网格109

5.6.2 动量离散方程109

5.6.3 建立压力修正方程110

5.6.4 同位网格上SIMPLE算法的计算步骤112

5.6.5 关于同位网格应用的说明113

5.7 基于非结构网格的SIMPLE算法114

5.7.1 非结构网格114

5.7.2 通用控制方程的离散115

5.7.3 动量离散方程117

5.7.4 建立速度修正方程117

5.7.5 建立压力修正方程118

5.7.6 非结构网格上SIMPLE算法的计算步骤119

5.7.7 关于非结构网格应用的说明120

5.8 离散方程组的基本解法121

5.8.1 代数方程组的基本解法121

5.8.2 TDMA解法121

第6章 边界条件及网格生成125

6.1 边界条件概述125

6.1.1 边界条件的类型125

6.1.2 边界条件对网格布置的影响126

6.1.3 将边界条件引入到离散方程127

6.2 流动进口边界条件127

6.2.1 流动进口边界条件的设置127

6.2.2 对流动进口边界条件的说明128

6.3 流动出口边界条件129

6.3.1 流动出口边界条件的设置129

6.3.2 对流动出口边界条件的说明130

6.4 壁面条件130

6.4.1 壁面边界上的网格布置131

6.4.2 壁面边界上离散方程源项的构造132

6.5 恒压边界条件134

6.6 对称边界条件与周期性边界条件135

6.6.1 对称边界条件135

6.6.2 周期性边界条件136

6.7 应用边界条件时的注意事项136

6.8 初始条件137

6.9 网格生成技术137

6.9.1 网格类型137

6.9.2 网格单元的分类138

6.9.3 单连域与多连域网格139

6.9.4 生成网格的过程139

6.9.5 生成结构网格的贴体坐标法139

第二篇 CFD软件及其应用实例141

第7章 CFD软件的基本知识141

7.1 CFD软件基本结构141

7.1.1 前处理器141

7.1.2 求解器142

7.1.3 后处理器142

7.2 常用的CFD商用软件142

7.2.1 PHOENICS软件142

7.2.2 CFX软件143

7.2.3 FIDAP软件144

7.2.4 FLUENT软件145

7.2.5 Fluidyn-PANACHE模型146

7.2.6 STAR-CCM＋软件147

7.2.7 STAR-CD软件148

第8章 STAR-CD软件基本用法150

8.1 STAR-CD软件概述150

8.1.1 通用流体解析软件STAR-CD150

8.1.2 STAR-CD软件解析性能151

8.1.3 STAR-CD软件系统结构151

8.1.4 STAR-CD文件系统152

8.2 STAR-CD软件安装154

8.2.1 准备开始安装154

8.2.2 安装STAR-CD 3.26154

8.2.3 安装MPICH1.2.5158

8.2.4 STAR-CD 3.26 安装完成159

8.2.5 对license进行配置160

8.2.6 设定环境变量164

8.2.7 安装Exceed 7.1166

8.2.8 安装Pro Fortran 8.2173

8.3 pro-STAR操作方法175

8.3.1 pro-STAR启动方法175

8.3.2 pro-STAR GUI176

8.4 STAR-CD软件求解的基本步骤178

8.4.1 制定分析方案178

8.4.2 求解步骤179

第9章 STAR-CD软件基础应用实例180

9.1 网格生成180

9.1.1 根据点阵文件创建shell180

9.1.2 根据点阵shell拉伸为圆形shell182

9.1.3 根据shell拉伸体网格187

9.2 条件设定193

9.3 计算求解198

9.4 结果处理202

第10章 STAR-CD软件在标准建筑物对流动与扩散的影响实例205

10.1 标准建筑对流动与扩散的影响实例1205

10.1.1 风洞实验模拟205

10.1.2 数值模拟206

10.1.3 结果分析与比较207

10.1.4 结论213

10.2 标准建筑对流动与扩散的影响实例2214

10.2.1 风洞实验模拟214

10.2.2 数值模拟215

10.2.3 结果分析与比较216

10.2.4 结论221

第11章 STAR-CD软件在复杂建筑物群对流动与扩散的影响实例222

11.1 建模222

11.2 模型与参数选取223

11.3 局地流场分析226

11.4 局地湍流动能分析230

11.5 浓度分布特征235

第12章 STAR-CD软件在自然通风冷却塔对流动的影响实例239

12.1 模拟方法240

12.1.1 数值模拟方法240

12.1.2 模型的建立242

12.2 模拟方法的有效性分析244

12.2.1 流场特征244

12.2.2 水汽抬升高度验证245

12.2.3 水汽沉积浓度验证246

12.2.4 验证结果分析247

12.3 环境条件对冷却塔排放水汽扩散的影响247

12.3.1 环境风速的影响248

12.3.2 环境温度的影响248

12.3.3 环境湿度的影响249

12.3.4 冷却塔水汽排放温度的影响250

12.4 结论与讨论250

第三篇 常用后处理软件252

第13章 Fieldview软件介绍252

13.1 Fieldview菜单栏的介绍253

13.1.1 File菜单253

13.1.2 Edit菜单254

13.1.3 View菜单255

13.1.4 Visualization Panels菜单256

13.1.5 Tools菜单256

13.1.6 Help菜单256

13.2 Fieldview左侧工具栏项目257

13.2.1 计算面工具257

13.2.2 等值面工具259

13.2.3 流线/迹线工具261

13.2.4 颗粒轨道线工具263

13.2.5 坐标面工具264

13.2.6 边界面工具265

13.2.7 二维曲线工具265

13.2.8 探针取值工具267

13.2.9 注释工具269

13.3 高级功能介绍270

13.3.1 关键帧动画——Key Frame Animation270

13.3.2 数值积分——Numerical Simulation270

13.3.3 特征提取——Feature Extraction271

13.3.4 瞬态数据处理——Transient Data271

13.3.5 旋转机械——Rotating Machinery271

13.3.6 数据比较——Data Comparison272

13.3.7 特征组合——Features Combination272

13.3.8 动态切割——Dynamic Clipping272

13.3.9 FVX编程语言272

13.4 Fieldview使用实例273

13.4.1 F18流场显示273

13.4.2 散热器热性能计算后处理284

第14章 通用后处理软件——TECPLOT295

14.1 TECPLOT软件概述295

14.2 TECPLOT软件的操作界面295

14.2.1 菜单栏297

14.2.2 工具栏298

14.2.3 状态栏301

14.2.4 工作区301

14.3 TECPLOT软件的使用方法302

14.3.1 TECPLOT软件识别的数据格式302

14.3.2 TECPLOT软件读取FLUENT文件的步骤302

14.3.3 TECPLOT软件中网格和标尺的设定304

14.3.4 TECPLOT软件中坐标系统的选择305

14.4 TECPLOT软件的应用实例305

14.4.1 绘制XY曲线305

14.4.2 绘制矢量图309

14.4.3 绘制等值线图312

14.4.4 绘制流线图315

14.4.5 绘制散点图318

14.4.6 绘制三维流场图321

参考文献324