流體流動(dòng)與傳熱過(guò)程的數(shù)值模擬基礎(chǔ)與應(yīng)用

前言

　　過(guò)去二十多年里，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）在預(yù)測(cè)內(nèi)外部流動(dòng)方面得到了廣泛應(yīng)用，計(jì)算傳熱學(xué)（CHT）越來(lái)越熱，應(yīng)用亦越來(lái)越廣泛。20世紀(jì)80年代，以CFD方法經(jīng)濟(jì)解決流動(dòng)問(wèn)題是學(xué)術(shù)界研究的主流。工程工作站的廣泛應(yīng)用及有效的求解方法和復(fù)雜的前、后處理使得人們應(yīng)用商業(yè)CFD軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)界研究、發(fā)展和設(shè)計(jì)任務(wù)。盡管目前商業(yè)（；FD軟件功能日趨強(qiáng)大，但對(duì)復(fù)雜情形，它們的使用依然需要高水平并能夠理解如何得到有意義的結(jié)果的人員。　　CFD領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)書(shū)籍林林總總，不在少數(shù)。國(guó)內(nèi)外已出版了多種教材，經(jīng)典的如《Numerical}-Ieat Transfer and Fluid Flow》（S V Palankar著）、《NumeriealMethods for。Advection-Diffusion Problems》、《Fluid Dynamics：Theoretical andComputational Approaches》、《Numerical Comptltation of Internal and ExterlnalFlows》、《Computational Fluid I）ynamics for Engineers》、《Computational FluidMechanics and Heat Transfer》、《Numerieal Simulation of Heat Transfer。and FluidFlow on a Personal Cornputer》等；國(guó)內(nèi)近年來(lái)也出現(xiàn)了不少專(zhuān)著，如《數(shù)值傳熱學(xué)》（陶文銓編著），《流動(dòng)及燃燒的模型與計(jì)算》（范文澄，萬(wàn)躍鵬編著），《燃燒的數(shù)值模擬》（趙堅(jiān)行著）等。其中不乏好評(píng)如潮、開(kāi)卷有益、論述精到之作?！　【幷呓佑|和應(yīng)用CFI）已十余年，從事與CFD有關(guān)的教學(xué)也近十年。自接觸伊始，即為之深深吸引而著迷。尤其是看到數(shù)值解與實(shí)驗(yàn)結(jié)果或分析解吻合時(shí)，那種喜悅的心情始終難以掩飾。另一方面，編者在學(xué)習(xí)以至教學(xué)、科研過(guò)程中，又痛感適當(dāng)?shù)慕滩摹饶荜U明物理概念、又能提供明確應(yīng)用指導(dǎo)的教材——卻不多見(jiàn)，尤其適合過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域的不多，適合于過(guò)程領(lǐng)域中那些不具備足夠的流體力學(xué)和數(shù)學(xué)知識(shí)的讀者的教材更少?！　【幷咴诙嗄甑慕虒W(xué)實(shí)踐中，一再感到有關(guān)的物理概念要加強(qiáng)，必須適當(dāng)增加針對(duì)性的實(shí)例，有必要補(bǔ)充更細(xì)致的物理和數(shù)學(xué)推導(dǎo)。物理概念的闡述除了要深入外，還必須淺出，結(jié)合應(yīng)用等。同時(shí)深感出版一種既重物理意義，又能滿(mǎn)足過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域眾多讀者、研習(xí)者所需要的CFD教科書(shū)實(shí)屬必要。近年來(lái)，研究生教學(xué)過(guò)程改革力度加大，課程結(jié)構(gòu)的調(diào)整越來(lái)越廣。與此相應(yīng)，專(zhuān)業(yè)課課時(shí)越來(lái)越集中，課程安排上與以前迥異。CFD教材也極需重行安排。

內(nèi)容概要

　　本書(shū)系統(tǒng)地介紹流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)過(guò)程的數(shù)值計(jì)算中所涉及的問(wèn)題?！　”緯?shū)可分為三部分內(nèi)容。第一章至第三章是預(yù)備性的知識(shí)，其中包括對(duì)數(shù)學(xué)與數(shù)值方法的基本討論；第四章到第六章主要是數(shù)值方法的推導(dǎo)，第七章是求解方法和整個(gè)方法的完善；第八章和第九章則分別是一些專(zhuān)題和應(yīng)用的實(shí)例以及對(duì)這些應(yīng)用實(shí)例的解釋和討論。　　本書(shū)可供數(shù)學(xué)、科研和過(guò)程工業(yè)部門(mén)從事傳熱、傳質(zhì)、流體流動(dòng)等有關(guān)過(guò)程工作的教師、工程技術(shù)人員與科研人員參考，也可作為大專(zhuān)院校有關(guān)專(zhuān)業(yè)的研究生與高年級(jí)本科生的教材。

書(shū)籍目錄

第一章　導(dǎo)論　1.1　流體流動(dòng)，傳熱傳質(zhì)過(guò)程的重要性　1.2　預(yù)測(cè)的方法　　1.2.1　實(shí)驗(yàn)研究　　1.2.2　理論計(jì)算　　1.2.3　理論計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)　　1.2.4　理論計(jì)算的缺點(diǎn)　1.3　何為CFD？　1.4　預(yù)測(cè)方法的選擇　1.5　如何開(kāi)展CFD工作？　　1.5.1　前處理器　　1.5.2　求解器　　1.5.3　后處理器　1.6　應(yīng)用CFD方法所能解決的問(wèn)題　1.7　本書(shū)的目的　參考文獻(xiàn)第二章　物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)描述　2.1　流體流動(dòng)與傳熱過(guò)程的守恒律　2.2　控制微分方程　　2.2.1　質(zhì)量守恒方程　　2.2.2　跟蹤流體粒子或以流體微元來(lái)表示變化率　　2.2.3　動(dòng)量方程　　2.2.4　能量方程　　2.2.5　化學(xué)組分的守恒　　2.2.6　狀態(tài)方程　　2.2.7　牛頓流體的納維-斯托克斯方程　　2.2.8　湍流的時(shí)間平均方程　　2.2.9　通用微分方程　2.3　物理行為歸類(lèi)　2.4　控制方程的數(shù)學(xué)分類(lèi)及其對(duì)數(shù)值解的影響　　2.4.1　偏微分方程的3種類(lèi)型　　2.4.2　橢圓型方程　　2.4.3　拋物型方程　　2.4.4　雙曲型方程　2.5　初始條件與邊界條件　2.6　坐標(biāo)的性質(zhì)　　2.6.1　自變量　　2.6.2　坐標(biāo)的合適選擇　　2.6.3　單向與雙向的坐標(biāo)　　2.6.4　物理問(wèn)題數(shù)值求解的基本過(guò)程　　習(xí)題　參考文獻(xiàn)　3.1　數(shù)值方法的本質(zhì)　　3.1.1　任務(wù)　　　3.1.2　離散化的概念　　3.1.3　離散化方程的結(jié)構(gòu)　3.2　推導(dǎo)離散化方程的方法　　3.2.1　泰勒級(jí)數(shù)公式　　3.2.2　變分公式　　3.2.3　加權(quán)余數(shù)法　　3.2.4　控制容積公式　3.3　一個(gè)說(shuō)明性的例子　3.4　四個(gè)基本法則　3.5　小結(jié)　習(xí)題　參考文獻(xiàn)第四章　導(dǎo)熱問(wèn)題的處理　4.1　本章的對(duì)象　4.2　一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)　　4.2.1　基本方程　　4.2.2　網(wǎng)格布置　　4.2.3　界面導(dǎo)熱系數(shù)　　4.2.4　非線(xiàn)性　　4.2.5　源項(xiàng)的線(xiàn)性化　　……第五章　對(duì)流-擴(kuò)散問(wèn)題的處理第六章　流場(chǎng)的計(jì)算第七章　求解方法與最后的修飾第八章　專(zhuān)題　第九章　應(yīng)用舉例

章節(jié)摘錄

　　第一章　導(dǎo)論　　1.1　流體流動(dòng)，傳熱傳質(zhì)過(guò)程的重要性　　在大量的實(shí)際問(wèn)題中，都可以發(fā)現(xiàn)流體流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)過(guò)程起著重要的作用。幾乎生產(chǎn)電力的所有方法都以流體流動(dòng)及熱作為其基本過(guò)程；同樣的過(guò)程控制著商業(yè)大樓和民用建筑的采暖與空調(diào)；化學(xué)工程與冶金工業(yè)的許多工藝過(guò)程都使用著加熱爐、熱交換器、冷凝器以及反應(yīng)器等以熱流體為工質(zhì)的單元設(shè)備；飛機(jī)與火箭依靠流體流動(dòng)，傳熱以及化學(xué)反應(yīng)而運(yùn)動(dòng)；在電子集成線(xiàn)路的設(shè)計(jì)中，傳熱往往是一個(gè)限制因素；自然環(huán)境的污染在很大程序上是由熱與質(zhì)傳遞所致；暴風(fēng)雨雪，河流泛濫以及火災(zāi)也概莫能處；面對(duì)著氣候條件的變化，人體憑借著熱、質(zhì)傳遞進(jìn)行自身的溫度控制。傳熱和流體流動(dòng)的過(guò)程幾乎遍及我們生活中的各個(gè)方面?！　〖饶芩紤]的過(guò)程與人類(lèi)生活密不可分，我們就應(yīng)當(dāng)有能力卓有成效地處置它們。這種可能可以來(lái)自于對(duì)過(guò)程本質(zhì)的認(rèn)識(shí)以及用來(lái)定量估計(jì)這些過(guò)程的一套方法。在掌握了這些專(zhuān)門(mén)知識(shí)之后，工程設(shè)備的設(shè)計(jì)師們就能夠確保達(dá)到所期望的性能——設(shè)計(jì)師可以從大量可能的方案中選擇最佳的設(shè)計(jì)，估計(jì)所能達(dá)到的性能以使得能夠更安全和有效地操作現(xiàn)有的設(shè)備。預(yù)測(cè)和估計(jì)有關(guān)過(guò)程可以幫助預(yù)報(bào)乃至控制河流泛濫、海水漲潮以及著火、爆炸等危險(xiǎn)情形。毋庸置疑，好的預(yù)測(cè)都將為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)乃至人類(lèi)的福祉作出貢獻(xiàn)?！　?duì)處于一定物理?xiàng)l件下的狀態(tài)的估計(jì)在于給出那些控制著有關(guān)過(guò)程的變量值。首先來(lái)討論一個(gè)特殊的例子。對(duì)于一個(gè)具有一定條件的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，完整的估計(jì)應(yīng)當(dāng)能夠提供在整個(gè)感興趣的空間內(nèi)的速度、壓力、溫度、停留時(shí)間以及各有關(guān)化學(xué)組分的濃密分布，同時(shí)也應(yīng)當(dāng)提供在反應(yīng)器壁上的摩擦切應(yīng)力、熱流密度、質(zhì)量流量以及它們對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的影響。預(yù)測(cè)應(yīng)能考察各物理量究竟是如何隨著幾何條件、流量以及流體物性等的變化而改變的。

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