數(shù)值熱物理過程

前言

熱物理過程是指在工程設備、自然環(huán)境及生物機體中出現(xiàn)的熱、質(zhì)傳遞，流體流動，化學反應以及其他一些有關(guān)過程。在大量的實際問題中，熱物理過程都起著重要的作用。例如：各種發(fā)電設備的工作過程都以流體流動及傳熱作為其基本過程；商業(yè)大樓和民用建筑的采暖與空調(diào)同樣受到流體流動與傳熱的控制；化學與冶金工業(yè)主要工藝過程中所使用的加熱爐、熱交換器、冷凝器以及反應器等設備也都以熱流體為工質(zhì)；飛機與火箭也正是依靠流體流動、傳熱以及化學反應而飛行；在電機及電子線路的設計中傳熱往往是一個需要特別考慮的因素；全球的環(huán)境污染在很大程度上也是由熱與質(zhì)的傳遞所致；暴風雨雪、河流泛濫以及著火也是如此；面對氣候條件的變化，人體正是憑借著熱、質(zhì)傳遞來進行自身的溫度控制?？梢?，傳熱和流體流動的熱物理過程遍及了人類生活的各個方面。熱物理過程對人類生活有如此巨大的影響，所以，有效地控制這種過程就顯得非常重要。能否有效地控制取決于對過程本質(zhì)的認識以及定量地研究預測這些過程所采用的方法。于是，通過對過程本質(zhì)的認識及采取合適的研究方法，就可以從大量可能的方案中確定最佳的設計方案，以確保所研究設備能達到期望的最佳性能。這種對設備性能的研究預測有助于更安全、更有效地操作現(xiàn)有的設備。所以，熱物理過程研究的關(guān)鍵是對給定物理條件下熱物理過程狀態(tài)的預測，即對控制熱物理過程的相關(guān)變量值的預測。如對一個一定條件的燃燒室，完整的預測應包括燃燒室內(nèi)的速度、壓力、溫度以及各有關(guān)化學組分的濃度分布，同時還應當提供燃燒室壁面上的摩擦切應力、熱流密度以及質(zhì)量流量等。預測應能說明其中每一個物理量究竟是如何隨幾何條件、流量以及流體物性等的變化而改變的。

內(nèi)容概要

隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值計算已成為研究工程熱物理過程中所存在的流體流動、傳熱傳質(zhì)及化學反應等問題的最為有效的方法之一。本書系統(tǒng)全面而又淺顯易懂地介紹了在工程熱物理過程中所出現(xiàn)的熱傳導問題、對流與擴散問題及流場等的數(shù)值計算方法，并以具體實例介紹了數(shù)值計算過程中所需用到的Pro／E三維造型軟件、Gambit網(wǎng)絡生成軟件、Fluent計算軟件及Tecplot數(shù)據(jù)后處理軟件的使用方法。    本書內(nèi)容豐富、通俗易懂、可操作性強。在內(nèi)容編排上充分考慮流體流動與傳熱數(shù)值計算對流體力學、熱力學等知識要求的客觀特點和初學者的認知規(guī)律及心理特點，附有大量的插圖和操作實例，每章之后配有習題。    本書可作為熱能與動力工程及相關(guān)專業(yè)本科生教材，同時可供研究生及工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

1  熱物理過程數(shù)值計算基礎(chǔ)  1.1  計算流體力學概論    1.1.1  計算流體力學的形成和發(fā)展    1.1.2  計算流體力學方法簡介    1.1.3  計算流體力學的特點    1.1.4  計算流體力學的過程步驟  1.2  熱物理過程研究對象——流體的基本特性    1.2.1  流體的密度、重度和比重    1.2.2  流體的粘性    1.2.3  流體的壓縮性    1.2.4  流體的熱傳導及擴散    1.2.5  液體的表面張力    1.2.6  流體的運動特性  1.3  熱物理過程控制微分方程    1.3.1  系統(tǒng)與控制體    1.3.2  質(zhì)量守恒方程    1.3.3  動量守恒方程    1.3.4  能量守恒方程    1.3.5  狀態(tài)方程    1.3.6  組分質(zhì)量守恒方程    1.3.7  湍流的Reynolds時均方程及湍流模型方程    1.3.8  控制方程的通用形式  1.4  數(shù)值熱物理過程的步驟  1.5  總結(jié)2  CFD技術(shù)及其在工程熱物理領(lǐng)域中的應用  2.1  CFD技術(shù)的發(fā)展概況  2.2  CFD技術(shù)在工程中的應用  2.3  CFD商用軟件的結(jié)構(gòu)  2.4  常用的CFD商用軟件    2.4.1  CFD軟件的發(fā)展    2.4.2  CFD通用軟件的主要特點    2.4.3  常用CFD商用軟件簡介    2.4.4  掌握CFD商用軟件的意義  2.5  CFD技術(shù)在若干工程熱物理領(lǐng)域中的應用    2.5.1  CFD技術(shù)在流體機械中的應用    2.5.2  CFD技術(shù)在暖通空調(diào)工程中的應用    2.5.3  CFD技術(shù)在制冷工程中的應用    2.5.4  CFD技術(shù)在汽車設計中的應用  2.6  總結(jié)3  控制微分方程求解的數(shù)值方法  3.1  數(shù)值計算方法和分類    3.1.1  有限差分法    3.1.2  有限體積法    3.1.3  有限元法    3.1.4  有限分析法    3.1.5  邊界元法    3.1.6  譜分析法    3.1.7  數(shù)值積分變換法    3.1.8  格子-Boltzmann法  3.2  離散化的概念  3.3  基于有限體積法的控制方程離散    3.3.1  有限體積法的基本思想    3.3.2  有限體積法的計算網(wǎng)格    3.3.3  有限體積法的介紹    3.3.4  有限體積法的4條基本原則  3.4  總結(jié)4  熱傳導問題的數(shù)值計算  4.1  一維穩(wěn)態(tài)熱傳導問題    4.1.1  離散化方程的建立    4.1.2  界面導熱系數(shù)的處理    4.1.3  源項的處理    4.1.4  邊界條件的處理    4.1.5  離散化方程的非線性處理    4.1.6  線性代數(shù)方程組的求解  4.2  一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導問題    4.2.1  離散化方程的建立    4.2.2  顯式模式，克蘭克-尼科爾森模式及全隱模式    4.2.3  全隱式離散化方程  4.3  二維與三維熱傳導問題    4.3.1  二維熱傳導問題的離散化方程    4.3.2  三維熱傳導問題的離散化方程    4.3.3  多維離散化方程的求解   .4  超松弛和欠松弛    4.4.1  概念的引入    4.4.2  超松弛和欠松弛引入方法  4.5  總結(jié)5  對流與擴散問題的數(shù)值計算  5.1  一維穩(wěn)態(tài)對流與擴散問題    5.1.1  控制方程的離散化    5.1.2  中心差分格式    5.1.3  一階迎風格式    5.1.4  混合格式    5.1.5  指數(shù)格式    5.1.6  乘方格式    5.1.7  各種離散格式的比較    5.1.8  低階離散格式的特點  5.2  多維對流與擴散問題    5.2.1  二維瞬態(tài)對流一擴散問題的離散化方程    5.2.2  三維瞬態(tài)對流一擴散問題的離散化方程    5.2.3  離散化方程的通用表達式  5.3  總結(jié)6  流場的數(shù)值計算  6.1  流場數(shù)值計算存在的問題  6.2  基于交錯網(wǎng)格的動量方程的離散  6.3  壓力修正算法——SIMPLE算法    6.3.1  速度修正方程    6.3.2  壓力修正方程    6.3.3  SIMPLE算法描述    6.3.4  SIMPLE算法的進一步討論    6.3.5  壓力參考點的選取  6.4  總結(jié)7  三維建模Pro／E軟件基本介紹  7.1  Pro／E軟件的特點及應用    7.1.1  Pro／E的特點    7.1.2  AutoCAD與Pro／E軟件的比較    7.1.3  Pro／E在企業(yè)CAD／CAM中的應用  7.2  Pro／E的用戶界面    7.2.1  初始工作界面    7.2.2  文件的基本操作    7.2.3  鼠標的基本操作  7.3  2D繪圖與技巧    7.3.1  草繪模塊簡介    7.3.2  基本幾何圖形的繪制    7.3.3  像素尺寸的修改、強化、鎖定與刪除    7.3.4  手動標注尺寸    7.3.5  定義約束條件    7.3.6  幾何編輯工具系列  7.4  3D繪圖與技巧    7.4.1  草繪實體特征    7.4.2  放置實體特征    7.4.3  特征的操作  7.5  建立工程圖  7.6  裝配件的建立  7.7  總結(jié)8  網(wǎng)格生成軟件Gambit的使用  8.1  網(wǎng)格生成概述    8.1.1  網(wǎng)格類型    8.1.2  網(wǎng)格單元分類    8.1.3  網(wǎng)格生成步驟  8.2  Gambit功能及界面    8.2.1  Gambit的特點及功能    8.2.2  Gambit的基本界面    8.2.3  Gambit的文件組成    8.2.4  Gambit中鼠標的操作    8.2.5  Gambit的操作步驟  8.3  Gambit的應用實例    8.3.1  單孔軸對稱噴嘴內(nèi)部空穴流動問題描述    8.3.2  生成幾何模型    8.3.3  劃分網(wǎng)格    8.3.4  指定邊界類型和區(qū)域類型    8.3.5  網(wǎng)格的輸出  8.4  AutoCAD與Gambit的聯(lián)合使用    8.4.1  柴油機噴油嘴內(nèi)部流動模擬問題概述    8.4.2  聯(lián)合AutoCAD和Gambit進行三維實體的生成    8.4.3  劃分網(wǎng)格    8.4.4  指定邊界類型和區(qū)域類型    8.4.5  導出網(wǎng)格文件  8.5  Pro／E與Gambit的聯(lián)合使用    8.5.1  離心泵葉輪內(nèi)部流場計算網(wǎng)格的生成    8.5.2  離心泵葉輪與蝸殼耦合后流場計算網(wǎng)格的生成  8.6  總結(jié)9  Fluent軟件使用入門  9.1  F1uent概述    9.1.1  Fluent數(shù)值計算的相關(guān)軟件包    9.1.2  Fluent的文件類型    9.1.3  Fluent的特點    9.1.4  Fluent使用單位的說明  9.2  F11aent的基本操作    9.2.1  FlLient的圖形用戶操作界面    9.2.2  Fluent的文本用戶操作界面    9.2.3  Fluent的數(shù)值模擬求解步驟  9.3  Fluent的應用實例    9.3.1  噴嘴內(nèi)部空穴兩相流動模擬    9.3.2  計算結(jié)果  9.4  總結(jié)10  通用后處理Tecplot軟件的使用  10.1  Tecplot的基本功能    10.1.1  Tecplot功能概述    10.1.2  菜單欄介紹    10.1.3  工具欄介紹    10.1.4  其他工具選項介紹  10.2  Fluent數(shù)據(jù)在Tecplot中的調(diào)入    10.2.1  Tecplot可調(diào)入的數(shù)據(jù)格式    10.2.2  Tecplot讀取Fluent文件步驟  10.3  Tecplot使用實例    10.3.1  問題描述    10.3.2  Tecplot中的數(shù)據(jù)后處理  10.4  總結(jié)參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：1 熱物理過程數(shù)值計算基礎(chǔ)熱物理過程數(shù)值計算即采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法對熱物理過程進行研究，對熱物理過程狀態(tài)參數(shù)進行預測的過程。1.1計算流體力學概論1.1.1  計算流體力學的形成和發(fā)展計算流體力學是流體力學理論的一個分支，是建立在經(jīng)典流體力學與數(shù)值計算方法基礎(chǔ)之上的一門新興獨立學科，20世紀60年代伴隨著高速、大容量電子計算機技術(shù)的興起而迅速崛起。它通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示的方法，在時間和空間上定量描述物理場的數(shù)值解，從而達到研究物理問題的目的。對經(jīng)典流體力學的研究主要采用理論解析和試驗測試兩類方法。它解決某一流動問題的基本過程為：首先，對通用模型方程進行合理簡化或依據(jù)基本原理建立新的具體模型方程；然后，提出初始條件和邊界條件；最后，用已有數(shù)學工具求出模型方程的精確的或近似的解析解。但是，在人類實際的生產(chǎn)實踐活動中，如船舶在水中航行時，如何減小水的粘性阻力，風載荷對船的結(jié)構(gòu)有何影響；又如飛機航行時如何提高飛機的升力，如何控制飛行高度、方向等的一類基本流動問題不是想像得那樣容易解決。在實際的流動過程中往往存在較為復雜的湍流、分離、氣蝕、水擊等流動現(xiàn)象。根據(jù)各種流動現(xiàn)象所建立的數(shù)學模型（由微分方程表示的定解問題），如由連續(xù)性方程、動量方程等組成的控制微分方程組，大多是非線性的偏微分方程組，除了少量特定條件下的問題，如一維的圓管層流和槽道流層流的解析分析，可根據(jù)求解問題的特性對方程及邊界條件作相應簡化獲得解析解，大多數(shù)問題是得不到解析解的，這使理論解析法的工程應用受到很大的局限。因此，長期以來，流體力學的發(fā)展主要借助于物理模型的試驗，但是，進行測試不是一項簡單的工作。首先，需要專門的儀器和試驗裝置；其次，進行真實條件下全尺寸試驗成本較高，進行模型試驗又存在相似和?；膯栴}；再次，測試本身存在困難，例如，測試探頭不能隨意到達所希望的測點，以及探頭本身對流場產(chǎn)生擾動，難以保證穩(wěn)定的實驗條件；第四，試驗得到的結(jié)果一般有其適用范圍；最后，試驗還會遇到人力和物力的巨大耗費及周期長等許多困難。對于多數(shù)工程實際問題，采用對物理方程進行簡單近似處理求得解析解的方法并不能滿足其要求。而電子計算機、現(xiàn)代計算技術(shù)和數(shù)值計算方法的發(fā)展，則為解決這一問題提供了有效途徑，數(shù)值解法很快發(fā)展成為解決實際問題的一種重要工具。于是，計算流體力學應運而生，并已發(fā)展成為一門獨立的學科分支。

編輯推薦

《數(shù)值熱物理過程:基本原理及CFD軟件應用》在介紹熱物理過程數(shù)值模擬基礎(chǔ)(第1章)及其在工程熱物理領(lǐng)域中的應用(第2章)和數(shù)值模擬基本原理(第3章、第4章、第5章和第6章)的基礎(chǔ)上，針對數(shù)值熱物理過程中所要用到的前處理軟件Pro／E和Gambit(第7章和第8章)、求解計算軟件Fluent(第9章)及后處理軟件Tecplot(第10章)進行了系統(tǒng)的介紹。

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