ANSYS CFX對(duì)流傳熱數(shù)值模擬基礎(chǔ)應(yīng)用教程

前言

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）從20世紀(jì)60年代開(kāi)始發(fā)展，具有40多年的歷史。最初，它是科學(xué)家們對(duì)自然界中的基本流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象進(jìn)行研究的科研工具，只存在于象牙塔中。經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，這一技術(shù)開(kāi)始成熟，它的應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸從最基本的流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象擴(kuò)展到比較復(fù)雜的工程問(wèn)題。然而，CFD程序要求使用者具有較深厚的流體力學(xué)和傳熱學(xué)等理論知識(shí)以及高等數(shù)學(xué)、數(shù)值算法等數(shù)學(xué)知識(shí)，這使它無(wú)法成為普通流體工程師可以掌握的工具。從20世紀(jì)70年代末、80年代初開(kāi)始，在商業(yè)市場(chǎng)的推動(dòng)下，這一技術(shù)開(kāi)始被商業(yè)化，商用CFD軟件開(kāi)始出現(xiàn)。商用CFD軟件的特點(diǎn)是技術(shù)成熟，軟件界面友好、簡(jiǎn)便。商用CFD軟件采用的流體理論和數(shù)值算法一般都經(jīng)歷過(guò)長(zhǎng)期的科學(xué)論證，這一論證時(shí)間通常都要在10年左右。所以從流體理論和數(shù)值算法上看，商用CFD的技術(shù)不屬于前沿研究課題。對(duì)商用CFD軟件，我們的態(tài)度是使用成熟的流體理論和數(shù)值算法，解決前沿的應(yīng)用課題。當(dāng)前，商用CFD軟件市場(chǎng)一片繁榮。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上比較常見(jiàn)的軟件包括Fluent、CFX、Star-CD、Phoenix、CFD-ACE+、CFD++等。大批的流體工程師和科研人員正在應(yīng)用這些軟件解決現(xiàn)實(shí)工程問(wèn)題，還有更多的流體工程師正在學(xué)習(xí)這些軟件，期望能在將來(lái)的研究中應(yīng)用CFD這一工具。目前，一些商用CFD軟件的學(xué)習(xí)者都是基于軟件自帶的培訓(xùn)教程學(xué)習(xí)CFD軟件。這些培訓(xùn)教程的目的主要是為了介紹軟件的各種功能，而不是教學(xué)習(xí)者如何解決某個(gè)專(zhuān)業(yè)問(wèn)題。所以這類(lèi)教程看完后，只了解了軟件功能，對(duì)于如何解決本專(zhuān)業(yè)的某個(gè)具體問(wèn)題，學(xué)習(xí)者仍然是一頭霧水。作為國(guó)內(nèi)ANSYS CFX第一本教材，本書(shū)案例編排從對(duì)流傳熱專(zhuān)業(yè)角度出發(fā)，通過(guò)講解典型傳熱問(wèn)題的算例，讓讀者了解如何用CFX解決對(duì)流傳熱問(wèn)題，同時(shí)學(xué)習(xí)CFX軟件中求解對(duì)流傳熱問(wèn)題相關(guān)功能的使用方法及技巧。本書(shū)假設(shè)讀者已學(xué)過(guò)計(jì)算傳熱學(xué)，了解質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程，通用型流體方程的四大項(xiàng)：非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)，離散的概念，離散方程的過(guò)程，離散后的非線(xiàn)形代數(shù)方程組的迭代求解過(guò)程，一般殘差定義，知道結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的概念。本書(shū)包括下列具體內(nèi)容：第l章，CFX軟件簡(jiǎn)介。本章簡(jiǎn)單介紹CFX的主要功能，便于讀者對(duì)CFX軟件有一個(gè)宏觀(guān)了解。第2章，CFX軟件結(jié)構(gòu)。CFlX不是在一個(gè)軟件界面下完成全部功能，而是一個(gè)軟件包。本章介紹CFX軟件包內(nèi)的具體程序模塊及相應(yīng)功能。

內(nèi)容概要

隨著數(shù)值求解技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟，計(jì)算傳熱學(xué)已經(jīng)逐漸成為流體及傳熱研究的基本手段之一。尤其是近年來(lái)商用CFD軟件的普及率越來(lái)越高，操作界面越來(lái)越簡(jiǎn)便，極大地促進(jìn)了流體及傳熱專(zhuān)業(yè)人員的學(xué)習(xí)熱情。ANSYS CFX是國(guó)內(nèi)普及率較高的軟件之一，并且由于A(yíng)NSYS公司對(duì)Fluent軟件的收購(gòu)及改造，ANSYS CFX的普及率預(yù)計(jì)將會(huì)更高。但目前還沒(méi)有ANSYS CFX軟件的入門(mén)級(jí)教材，學(xué)習(xí)者主要基于軟件自帶的培訓(xùn)教程學(xué)習(xí)。這些培訓(xùn)教程主要是為了介紹軟件的各種功能，而不是教學(xué)習(xí)者如何解決某個(gè)專(zhuān)業(yè)問(wèn)題。為了幫助流動(dòng)及傳熱專(zhuān)業(yè)人員更快、更好地學(xué)習(xí)掌握ANSYS CFX軟件，作者從對(duì)流傳熱專(zhuān)業(yè)角度出發(fā)，通過(guò)講解典型傳熱問(wèn)題的算例，讓讀者了解如何用CFX解決對(duì)流傳熱問(wèn)題，同時(shí)學(xué)習(xí)CFX軟件中求解對(duì)流傳熱問(wèn)題相關(guān)功能的使用方法及技巧?！　”緯?shū)主要內(nèi)容包括：CFX軟件簡(jiǎn)介；CFX軟件結(jié)構(gòu)；對(duì)流傳熱基本求解過(guò)程；邊界層網(wǎng)格；六面體網(wǎng)格和網(wǎng)格無(wú)關(guān)解討論。　　本書(shū)假設(shè)讀者了解傳熱學(xué)及計(jì)算傳熱學(xué)的基本概念，如質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒、網(wǎng)格、迭代求解等?！　”緯?shū)可作為高等工科院校流動(dòng)及傳熱相關(guān)專(zhuān)業(yè)的高年級(jí)本科生及研究生的教材，也可以供ANSYS CFX初學(xué)者參考學(xué)習(xí)。

作者簡(jiǎn)介

孫紀(jì)寧，1975年生，工學(xué)博士。1998年清華大學(xué)本科畢業(yè)，2005年北京航空航天大學(xué)博士畢業(yè)，2008年博士后出站后留校任教，主講本科生及研究生計(jì)算傳熱學(xué)課程。熟悉各種CFD軟件，如ANSYS CFX、Fluent、FASTRAN、NSAERO等，尤其精通ANSYSCFX。曾為幾十所大專(zhuān)院校及科研院所培訓(xùn)ANSYS CFX軟件的應(yīng)用，并受到高度贊譽(yù)。

書(shū)籍目錄

第1章 CFX軟件簡(jiǎn)介 　1.1 發(fā)展歷史 　1.2 產(chǎn)品特色 　1.3 主要求解功能 　1.4 獨(dú)具特色的前處理 第2章 CFX軟件結(jié)構(gòu) 　2.1 網(wǎng)格生成器 　2.2 CFX啟動(dòng)平臺(tái) 　2.3 前處理器 　2.4 求解管理器 　2.5 后處理器 第3章 對(duì)流傳熱基本求解過(guò)程 　3.1 物理問(wèn)題 　3.2 導(dǎo)出幾何文件 　3.3 生成網(wǎng)格 　　3.3.1 導(dǎo)入幾何文件 　　3.3.2 修復(fù)幾何 　　3.3.3 面分組 　　3.3.4 創(chuàng)建Body 　　3.3.5 設(shè)置全局網(wǎng)格 　　3.3.6 設(shè)置面加密網(wǎng)格 　　3.3.7 輸出網(wǎng)格文件 　　3.3.8 ICEM幾何線(xiàn)和點(diǎn)的作用 　3.4 前處理 　　3.4.1 導(dǎo)入網(wǎng)格文件 　　3.4.2 設(shè)置求解類(lèi)型 　　3.4.3 創(chuàng)建求解域 　　3.4.4 設(shè)置邊界條件 　　3.4.5 編輯材料屬性 　　3.4.6 設(shè)置求解參數(shù) 　3.5 求解及求解監(jiān)視 　3.6 后處理 　　3.6.1 導(dǎo)入結(jié)果文件 　　3.6.2 創(chuàng)建切平面 　　3.6.3 創(chuàng)建速度矢量圖 　　3.6.4 創(chuàng)建溫度場(chǎng)云圖和等值線(xiàn)圖 　　3.6.5 創(chuàng)建動(dòng)畫(huà) 　　3.6.6 統(tǒng)計(jì)函數(shù) 第4章 邊界層網(wǎng)格 　4.1 打開(kāi)四面體網(wǎng)格 　4.2 生成邊界層網(wǎng)格 　4.3 在CFX—Pre中替換網(wǎng)格 　4.4 設(shè)置單機(jī)并行計(jì)算 　4.5 對(duì)比有、無(wú)邊界層的計(jì)算結(jié)果 第5章 六面體網(wǎng)格 　5.1 矩形截面直角回轉(zhuǎn)通道 　　5.1.1 分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、塊拓?fù)浜陀成涞幕靖拍?　　5.1.2 創(chuàng)建塊拓?fù)?　　5.1.3 塊特征(頂點(diǎn)、邊)和幾何特征(點(diǎn)、曲線(xiàn))映射 　　5.1.4 設(shè)置網(wǎng)格分布參數(shù) 　　5.1.5 生成網(wǎng)格 　5.2 矩形截面圓弧回轉(zhuǎn)通道 　　5.2.1 塊拓?fù)渖?　　5.2.2 Ogrid概念及用途 　　5.2.3 塊拓?fù)渖?續(xù)) 　　5.2.4 塊特征(頂點(diǎn)、邊)和幾何特征(點(diǎn)、曲線(xiàn))映射 　　5.2.5 設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)及生成網(wǎng)格 　　5.2.6 增加輔助線(xiàn)提高網(wǎng)格質(zhì)量 　5.3 圓形截面圓弧回轉(zhuǎn)通道(讀者提高) 第6章 網(wǎng)格無(wú)關(guān)解 　6.1 幾何模型及物理問(wèn)題 　6.2 第一次網(wǎng)格及計(jì)算結(jié)果分析 　6.3 無(wú)邊界層網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析 　6.4 有邊界層網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析 　6.5 計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 CFX軟件簡(jiǎn)介1.1發(fā)展歷史CFX是全球第一個(gè)通過(guò)IS09001質(zhì)量認(rèn)證的大型商業(yè)CFD（計(jì)算統(tǒng)計(jì)力學(xué)）軟件，是英國(guó)AEA Technology公司為解決其在科技咨詢(xún)服務(wù)中遇到的工業(yè)實(shí)際問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的。誕生在工業(yè)應(yīng)用背景中的CFX一直將精確的計(jì)算結(jié)果、豐富的物理模型、強(qiáng)大的用戶(hù)擴(kuò)展性作為其發(fā)展的基本要求，并以其在這些方面的卓越成就，引領(lǐng)著CFD技術(shù)的不斷發(fā)展。目前，CFX已經(jīng)遍及航空航天、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、能源、石油化工、機(jī)械制造、汽車(chē)、生物技術(shù)、水處理、火災(zāi)安全、冶金、環(huán)保等領(lǐng)域，為其在全球6000多個(gè)用戶(hù)解決了大量的實(shí)際問(wèn)題?；仡機(jī)FX發(fā)展的重要里程，總是伴隨著它對(duì)革命性的CFD新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。1995年，CFX收購(gòu)了旋轉(zhuǎn)機(jī)械領(lǐng)域加拿大著名的ASC公司，推出了專(zhuān)業(yè)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)與分析模塊——CFX-Tascflow，該模塊一直占據(jù)著80％以上的旋轉(zhuǎn)機(jī)械CFD市場(chǎng)份額。同年，CFX成功突破了CFD領(lǐng)域的在算法上的又一大技術(shù)障礙，推出了全隱式多網(wǎng)格耦合算法，該算法以其穩(wěn)健的收斂性能和優(yōu)異的運(yùn)算速度，成為CFD技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。CFX一直和許多工業(yè)和大型研究項(xiàng)目保持著廣泛的合作，這種合作確保了CFX能夠緊密結(jié)合工業(yè)應(yīng)用的需要，同時(shí)也使得CFX可以及時(shí)加入最先進(jìn)的物理模型和數(shù)值算法。作為CFX的前處理器，ICEM CFD優(yōu)異的網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)一步確保CFX的模擬結(jié)果精確而可靠。2003年，CFX加入了全球最大的CAE仿真軟件ANSYS的大家庭中并正式更名為ANSYS-CFX。ANSYS-CFX的用戶(hù)將會(huì)得到包括從固體力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等在內(nèi)的多物理場(chǎng)及多場(chǎng)耦合整體解決方案。1.2產(chǎn)品特色ANSYS-CFX是全球第一個(gè)在復(fù)雜幾何、網(wǎng)格、求解這三個(gè)CFD傳統(tǒng)瓶頸問(wèn)題上均獲得重大突破的商業(yè)CFD軟件，其特點(diǎn)如下：1.精確的數(shù)值方法和大多數(shù)CFD軟件不同的是，ANSYS-CFX采用了基于有限元的有限體積法，在保證了有限體積法的守恒特性的基礎(chǔ)上，吸收了有限元法的數(shù)值精確性。基于有限元的有限體積法，對(duì)六面體網(wǎng)格單元采用24點(diǎn)積分，而單純的有限體積法僅采用6點(diǎn)積分。基于有限元的有限體積法，對(duì)四面體網(wǎng)格單元采用60點(diǎn)積分，而單純的有限體積法僅采用4點(diǎn)積分。

編輯推薦

《ANSYS CFX對(duì)流傳熱數(shù)值模擬基礎(chǔ)應(yīng)用教程(附光盤(pán)1張)》是由國(guó)防工業(yè)出版社出版的。《ANSYS CFX對(duì)流傳熱數(shù)值模擬基礎(chǔ)應(yīng)用教程(附光盤(pán)1張)》可作為高等工科院校流動(dòng)及傳熱相關(guān)專(zhuān)業(yè)的高年級(jí)本科生及研究生的教材，也可以供ANSYS CFX初學(xué)者參考學(xué)習(xí)。

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