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1热物理过程数值计算基础1

1.1计算流体力学概论1

1.1.1计算流体力学的形成和发展1

1.1.2计算流体力学方法简介2

1.1.3计算流体力学的特点3

1.1.4计算流体力学的过程步骤3

1.2热物理过程研究对象——流体的基本特性4

1.2.1流体的密度、重度和比重4

1.2.2流体的粘性4

1.2.3流体的压缩性5

1.2.4流体的热传导及扩散5

1.2.5液体的表面张力5

1.2.6流体的运动特性6

1.3热物理过程控制微分方程6

1.3.1系统与控制体7

1.3.2质量守恒方程7

1.3.3动量守恒方程7

1.3.4能量守恒方程8

1.3.5状态方程9

1.3.6组分质量守恒方程9

1.3.7湍流的Reynolds时均方程及湍流模型方程10

1.3.8控制方程的通用形式12

1.4数值热物理过程的步骤13

1.5总结15

2 CFD技术及其在工程热物理领域中的应用16

2.1 CFD技术的发展概况16

2.2 CFD技术在工程中的应用17

2.3 CFD商用软件的结构19

2.4常用的CFD商用软件20

2.4.1 CFD软件的发展20

2.4.2 CFD通用软件的主要特点21

2.4.3常用CFD商用软件简介21

2.4.4掌握CFD商用软件的意义23

2.5 CFD技术在若干工程热物理领域中的应用24

2.5.1 CFD技术在流体机械中的应用24

2.5.2 CFD技术在暖通空调工程中的应用28

2.5.3 CFD技术在制冷工程中的应用32

2.5.4 CFD技术在汽车设计中的应用34

2.6总结38

3控制微分方程求解的数值方法40

3.1数值计算方法和分类40

3.1.1有限差分法40

3.1.2有限体积法41

3.1.3有限元法41

3.1.4有限分析法42

3.1.5边界元法42

3.1.6谱分析法42

3.1.7数值积分变换法43

3.1.8格子-Boltzmann法43

3.2离散化的概念44

3.3基于有限体积法的控制方程离散44

3.3.1有限体积法的基本思想44

3.3.2有限体积法的计算网格45

3.3.3有限体积法的介绍46

3.3.4有限体积法的4条基本原则48

3.4总结50

4热传导问题的数值计算52

4.1一维稳态热传导问题52

4.1.1离散化方程的建立52

4.1.2界面导热系数的处理53

4.1.3源项的处理54

4.1.4边界条件的处理55

4.1.5离散化方程的非线性处理56

4.1.6线性代数方程组的求解56

4.2一维非稳态热传导问题58

4.2.1离散化方程的建立58

4.2.2显式模式，克兰克-尼科尔森模式及全隐模式59

4.2.3全隐式离散化方程60

4.3二维与三维热传导问题60

4.3.1二维热传导问题的离散化方程60

4.3.2三维热传导问题的离散化方程61

4.3.3多维离散化方程的求解62

4.4超松弛和欠松弛64

4.4.1概念的引入64

4.4.2超松弛和欠松弛引入方法64

4.5总结65

5对流与扩散问题的数值计算67

5.1一维稳态对流与扩散问题67

5.1.1控制方程的离散化67

5.1.2中心差分格式68

5.1.3一阶迎风格式69

5.1.4混合格式71

5.1.5指数格式71

5.1.6乘方格式73

5.1.7各种离散格式的比较73

5.1.8低阶离散格式的特点74

5.2多维对流与扩散问题75

5.2.1二维瞬态对流-扩散问题的离散化方程75

5.2.2三维瞬态对流-扩散问题的离散化方程75

5.2.3离散化方程的通用表达式76

5.3总结76

6流场的数值计算78

6.1流场数值计算存在的问题78

6.2基于交错网格的动量方程的离散79

6.3压力修正算法——SIMPLE算法80

6.3.1速度修正方程81

6.3.2压力修正方程81

6.3.3 SIMPLE算法描述82

6.3.4 SIMPLE算法的进一步讨论83

6.3.5压力参考点的选取84

6.4总结84

7三维建模Pro/E软件基本介绍86

7.1 Pro/E软件的特点及应用86

7.1.1 Pro/E的特点86

7.1.2 AutoCAD与Pro/E软件的比较87

7.1.3 Pro/E在企业CAD/CAM中的应用88

7.2 Pro/E的用户界面90

7.2.1初始工作界面90

7.2.2文件的基本操作92

7.2.3鼠标的基本操作94

7.3 2D绘图与技巧94

7.3.1草绘模块简介94

7.3.2基本几何图形的绘制97

7.3.3像素尺寸的修改、强化、锁定与删除97

7.3.4手动标注尺寸99

7.3.5定义约束条件101

7.3.6几何编辑工具系列102

7.4 3D绘图与技巧102

7.4.1草绘实体特征103

7.4.2放置实体特征104

7.4.3特征的操作106

7.5建立工程图107

7.6装配件的建立109

7.7总结110

8网格生成软件Gambit的使用114

8.1网格生成概述114

8.1.1网格类型114

8.1.2网格单元分类114

8.1.3网格生成步骤115

8.2 Gambit功能及界面115

8.2.1 Gambit的特点及功能115

8.2.2 Gambit的基本界面116

8.2.3 Gambit的文件组成118

8.2.4 Gambit中鼠标的操作118

8.2.5 Gambit的操作步骤119

8.3 Gambit的应用实例119

8.3.1单孔轴对称喷嘴内部空穴流动问题描述119

8.3.2生成几何模型120

8.3.3划分网格121

8.3.4指定边界类型和区域类型124

8.3.5网格的输出124

8.4 AutoCAD与Gambit的联合使用125

8.4.1柴油机喷油嘴内部流动模拟问题概述125

8.4.2联合AutoCAD和Gambit进行三维实体的生成126

8.4.3划分网格127

8.4.4指定边界类型和区域类型128

8.4.5导出网格文件128

8.5 Pro/E与Gambit的联合使用129

8.5.1离心泵叶轮内部流场计算网格的生成129

8.5.2离心泵叶轮与蜗壳耦合后流场计算网格的生成130

8.6总结131

9 Fluent软件使用入门134

9.1 Fluent概述134

9.1.1 Fluent数值计算的相关软件包134

9.1.2 Fluent的文件类型135

9.1.3 Fluent的特点135

9.1.4 Fluent使用单位的说明137

9.2 Fluent的基本操作137

9.2.1 Fluent的图形用户操作界面137

9.2.2 Fluent的文本用户操作界面138

9.2.3 Fluent的数值模拟求解步骤139

9.3 Fluent的应用实例154

9.3.1喷嘴内部空穴两相流动模拟155

9.3.2计算结果157

9.4总结159

10通用后处理Tecplot软件的使用161

10.1 Tecplot的基本功能161

10.1.1 Tecplot功能概述162

10.1.2菜单栏介绍164

10.1.3工具栏介绍166

10.1.4其他工具选项介绍166

10.2 Fluent数据在Tecplot中的调入168

10.2.1 Tecplot可调入的数据格式168

10.2.2 Tecplot读取Fluent文件步骤168

10.3 Tecplot使用实例170

10.3.1问题描述170

10.3.2 Tecplot中的数据后处理171

10.4总结175

参考文献177