計算流體力學

本書是“建築環境與設備工程系列教材”之一。全書從應用計算流體力學和使用商用CFD軟體的角度討論了數值模擬的基本概念和基本方法，並主要介紹了工程流動與傳熱計算中最常用的有限體積法，內容包括：流體動力學的諸方程和湍流模型及其數學性質、擴散方程的離散方法與格式、對流擴散方程的離散方法與格式、流場的壓力速度耦合演演算法與離散格式、網格生成技術和計算流體力學在專業中的一些應用實例等。

本書可作為建築環境與設備工程、環境工程、熱能與動力工程、市政工程等相關專業高年級本科生、研究生的教學用書或參考書；還可以供科技工作者參考。

1　緒論

1.1　計算流體力學概述

1.2　數值模擬過程

1.3　控制方程的離散方法

1.4　數值模擬的局限性和發展前景

1.5　計算流體力學軟體的結構

1.5.1　前處理器

1.5.2　求解器

1.5.3　后處理器

1.6　常用的計算流體力學商用軟體

1.6.1　PHOENICS

1.6.2　CFX

1.6.3　STAR-CD

1.6.4　FIDAP

1.6.5　FLUENT

2　流體流動的數學模型

2.1　流體流動和傳熱的基本方程

2.1.1　連續性方程

2.1.2　運動方程

2.1.3　能量方程

2.1.4　組分質量守恆方程

2.1.5　狀態方程

2.2　牛頓型流體流動的控制方程

2.3　流體流動控制方程的通用形式

2.4　流動現象及其數學模型的類別

2.5　流體流動控制方程的定解條件

2.5.1　關於橢圓型和拋物型方程定解條件的一般提法

2.5.2　不可壓縮流體流動控制方程定解條件的常用提法

2.5.3　關於流動控制方程定解條件的思考

參考文獻

3　湍流的數學模型

3.1　湍流現象

3.2　湍流的基本方程

3.3　關於湍流時均運動控制方程組封閉性方法的一般介紹

3.4　湍流k-ε兩方程模型

3.4.1　標準k-ε兩方程模型

3.4.2　RNC k-ε模型

3.4.3　Realizable k-ε模型

3.5　在近壁區使用k-ε模型的問題及對策

3.5.1　近壁區流動的特點

3.5.2　在近壁區使用k-ε模型的問題

3.6　雷諾應力模型(RSM)

3.6.1　雷諾應力輸運方程

3.6.2　RSM的控制方程組及其解法

3.6.3　對RSM適用性的討論

參考文獻

4　擴散問題的有限體積法

4.1　一維穩態擴散問題的有限體積法

4.1.1　節點劃分

4.1.2　方程的離散

4.1.3　方程的求解

4.1.4　示例

4.2　二維和三維穩態擴散問題的有限體積法

4.2.1　二維穩態擴散問題

4.2.2　三維穩態擴散問題

4.3　非穩態擴散問題的有限體積法

4.3.1　一維非穩態擴散問題

4.3.2　示例

4.3.3　多維問題的隱式格式

4.4　線性方程組的求解

4.4.1　TDMA演演算法

4.4.2　迭代法

4.4.3　超鬆弛和欠鬆弛

參考文獻

5　對流-擴散問題的有限體積法

5.1　一維穩態對流-擴散問題的有限體積法

5.2　中心差分格式

5.3　離散格式的性質

5.3.1　守恆性

5.3.2　有界性

5.3.3　遷移性

5.3.4　中心差分格式的性質

5.4　迎風格式

5.5　混合格式

5.6　冪指數格式

5.7　對流-擴散問題的高階差分格式——QUICK格式

5.8　多維對流-擴散問題的離散格式

5.9　邊界條件的處理

5.9.1　入口邊界條件

5.9.2　出口條件

5.9.3　壁麵條件

參考文獻

6　流場的計算

6.1　引言

6.2　交錯網格

6.2.1　基本變數法求解的有關困難

6.2.2　解決方案——交錯網格

6.3　運動方程的離散

6.4　SIMPLE演演算法

6.4.1　壓力與速度的修正

6.4.2　壓力修正方程

6.4.3　SIMPLE演演算法的基本思路

6.4.4　SIMPLE演演算法的討論

6.4.5　SIMPLE演演算法壓力修正方程的邊界條件

6.5　SIMPLER演演算法

6.6　SIMPLEC演演算法

6.7　PISO演演算法

參考文獻

7　網格生成技術

7.1　引言

7.2　貼體坐標

7.2.1　貼體坐標的基本概念

7.2.2　貼體坐標變換

7.2.3　控制方程的轉換及離散化

7.2.4　邊界條件的轉換

7.3　貼體結構性計算網格的生成

7.3.1　橢圓型微分方程生成法

7.3.2　占體正交坐標

7.4　調整網格疏密

7.5　分區與并行計算的網格

7.6　非結構性計算網格的生成

7.7　結構/非結構混合網格

參考文獻

8　應用實例

8.1　室內污染物的擴散

8.2　建築物頂部結構對街道峽谷內流場及污染物擴散的影響

8.2.1　流場的計算結果

8.2.2　污染物擴散分析

8.3　方形空間內的混合對流換熱

8.3.1　基本流動圖

8.3.2　入口射流角度對流動的影響

8.3.3　Re的影響

8.3.4　幾何結構的影響

8.4　混合器內的流動與換熱