精通CFD工程仿真与案例实战-第2版

目 录

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
**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 Blocks 245
5.5.5 关联块顶点到几何点 245
5.5.6 关联Edge到Curve 246
5.5.7 显示关联 247
5.5.8 组合Curves 247
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Part 251
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-grid 255
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Parts 257
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**个O-grid 260
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-grid 262
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Parts 265
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-grid 269
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-grid 282
5.10.10 设置边缘O-grid 283
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