流體流動與傳熱過程的數值模擬基礎與套用

《流體流動與傳熱過程的數值模擬基礎與套用》是2009年化學工業出版社出版的圖書，作者是張建文，楊振亞，張政。

基本介紹

• 書名：流體流動與傳熱過程的數值模擬基礎與套用
• 作者：張建文，楊振亞，張政
• 出版社：化學工業出版社
• 出版時間：2009年1月1日
• 頁數：223 頁
• 定價：38 元
• 開本：16 開
• 裝幀：平裝
• ISBN：9787122035073

內容簡介

本書對那些熟悉算法、矢量和矩陣及基本數值方法的讀者最有裨益。進一步說，假定學習者都已經具備了質量守恆、動量守恆及能量守恆的知識，並了解它們在流動問題上的套用會更好。本書參考了國內外眾多教材，適度增加對經典理論和方法的闡述，加重套用實例，以方便讀者套用CFD方法和軟體解決工程實際問題，了解複雜工程流動、傳熱和傳質及CFD軟體所基於的物理和數值求解方法的基礎。

《流體流動與傳熱過程的數值模擬基礎與套用》系統地介紹流體流動、傳熱、傳質過程的數值計算中所涉及的問題。

《流體流動與傳熱過程的數值模擬基礎與套用》可分為三部分內容。第一章至第三章是預備性的知識，其中包括對數學與數值方法的基本討論；第四章到第六章主要是數值方法的推導，第七章是求解方法和整個方法的完善；第八章和第九章則分別是一些專題和套用的實例以及對這些套用實例的解釋和討論。

《流體流動與傳熱過程的數值模擬基礎與套用》可供數學、科研和過程工業部門從事傳熱、傳質、流體流動等有關過程工作的教師、工程技術人員與科研人員參考，也可作為大專院校有關專業的研究生與高年級本科生的教材。

序言

過去二十多年裡，套用計算流體力學（CFD）在預測內外部流動方面得到了廣泛套用,計算傳熱學（CHT）越來越熱，套用亦越來越廣泛。20世紀80年代，以CFD方法經濟解決流動問題是學術界研究的主流。工程工作站的廣泛套用及有效的求解方法和複雜的前、後處理使得人們套用商業CFD軟體來實現工業界研究、發展和設計任務。儘管目前商業（；FD軟體功能日趨強大，但對複雜情形，它們的使用依然需要高水平並能夠理解如何得到有意義的結果的人員。

CFD領域的專業書籍林林總總，不在少數。國內外已出版了多種教材，經典的如《Numerical Heat Transfer and Fluid Flow》（S V Patankar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；國內近年來也出現了不少專著，如《數值傳熱學》（陶文銓編著），《流動及燃燒的模型與計算》（範文澄，萬躍鵬編著），《燃燒的數值模擬》（趙堅行著）等。其中不乏好評如潮、開卷有益、論述精到之作。

編者接觸和套用CFI）已十餘年，從事與CFD有關的教學也近十年。自接觸伊始，即為之深深吸引而著迷。尤其是看到數值解與實驗結果或分析解吻合時，那種喜悅的心情始終難以掩飾。另一方面，編者在學習以至教學、科研過程中，又痛感適當的教材--既能闡明物理概念、又能提供明確套用指導的教材--卻不多見，尤其適合過程工業領域的不多，適合於過程領域中那些不具備足夠的流體力學和數學知識的讀者的教材更少。

編者在多年的教學實踐中，一再感到有關的物理概念要加強，必須適當增加針對性的實例，有必要補充更細緻的物理和數學推導。物理概念的闡述除了要深入外，還必須淺出，結合套用等。同時深感出版一種既重物理意義，又能滿足過程工業領域眾多讀者、研習者所需要的CFD教科書實屬必要。近年來，研究生教學過程改革力度加大，課程結構的調整越來越廣。與此相應，專業課課時越來越集中，課程安排上與以前迥異。CFD教材也極需重行安排。

圖書目錄

第一章　導論

1.1　流體流動，傳熱傳質過程的重要性

1.2　預測的方法

1.2.1　實驗研究

1.2.2　理論計算

1.2.3　理論計算的優點

1.2.4　理論計算的缺點

1.3　何為CFD

1.4　預測方法的選擇

1.5　如何開展CFD工作

1.5.1　前處理器

1.5.2　求解器

1.5.3　後處理器

1.6　套用CFD方法所能解決的問題

1.7　本書的目的

參考文獻

第二章　物理現象的數學描述

2.1　流體流動與傳熱過程的守恆律

2.2　控制微分方程

2.2.1　質量守恆方程

2.2.2　跟蹤流體粒子或以流體微元來表示變化率

2.2.3　動量方程

2.2.4　能量方程

2.2.5　化學組分的守恆

2.2.6　狀態方程

2.2.7　牛頓流體的納維-斯托克斯方程

2.2.8　湍流的時間平均方程

2.2.9　通用微分方程

2.3　物理行為歸類

2.4　控制方程的數學分類及其對數值解的影響

2.4.1　偏微分方程的3種類型

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　坐標的性質

2.6.1　自變數

2.6.2　坐標的合適選擇

2.6.3　單向與雙向的坐標

2.6.4　物理問題數值求解的基本過程

習題

參考文獻

3.1　數值方法的本質

3.1.1　任務

3.1.2　離散化的概念

3.1.3　離散化方程的結構

3.2　推導離散化方程的方法

3.2.1　泰勒級數公式

3.2.2　變分公式

3.2.3　加權餘數法

3.2.4　控制容積公式

3.3　一個說明性的例子

3.4　四個基本法則

3.5　小結

習題

參考文獻

第四章　導熱問題的處理

4.1　本章的對象

4.2　一維穩態熱傳導

4.2.1　基本方程

4.2.2　格線布置

4.2.3　界面導熱係數

4.2.4　非線性

4.2.5　源項的線性化

426邊界條件56

427實例58

43不穩態一維熱傳導65

431通用的離散化方程65

432顯式、克蘭克尼科爾森(CrankNicolson)模式、全隱式模式66

433全隱式離散化方程68

434實例68

44二維與三維問題75

441二維問題的離散化方程75

442三維問題的離散化方程76

45控制容積面的布置77

451控制容積面的位置77

452其他坐標系79

46小結81

習題81

參考文獻83

第五章對流擴散問題的處理84

51任務84

52一維穩態對流與擴散85

521預備性的推導85

522上風方案90

523精確解93

524指數方案94

525混合方案95

526冪函式格式98

527一個通用化的公式99

528各種格式的結果102

53二維問題的離散化方程102

531推導的細節103

532最終的離散化方程104

54三維問題的離散化方程105

55單向空間坐標106

551使空間坐標成為單向坐標的條件106

552出流邊界條件107

56假擴散108

561關於假擴散的一般觀點108

562有關假擴散的正確看法109

57對流擴散問題的高階格式111

58小結117

習題117

參考文獻118

第六章流場的計算121

61流場計算的特殊性121

611主要的困難121

612以渦量為基礎的方法122

62某些有關的困難122

621壓力梯度項的表達122

622連續性方程的表達124

63困難的解決——交錯的格線125

64動量方程126

65壓力與速度的修正129

66壓力修正方程130

67SIMPLE算法131

671計算進行的順序131

672壓力修正方程的討論132

673壓力修正方程的邊界條件135

674壓力的相對特性135

68SIMPLE算法的發展（SIMPLER、SIMPLEC、SIMPLEX、

PISO等）136

681修訂的算法——SIMPLER136

682修訂的算法——SIMPLEC139

683修訂的算法——SIMPLEX140

684修訂的算法——SIMPLE Date141

685修訂的算法——SIMPLEST142

686修訂的算法——PISO142

69Coupled算法145

610小結145

習題146

參考文獻148

第七章求解方法與最後的修飾150

71線性代數方程的解150

72代數方程的解153

73超鬆弛與欠鬆弛157

74方法的疊代性質159

75源項的線性化162

751討論162

752常正變數的源項線性化163

76關於準備與調試電腦程式的幾點建議164

77小結166

習題166

參考文獻167

第八章專題168

81給定熱流或傳熱條件時，邊界條件處理的改進168

82周期性通道流傳熱問題與循環TDMA169

83共軛問題的求解與雙TDMA算法174

84具有隔離(blockedoff)區域的規則格線177

85不規則的幾何形狀178

86CFD軟體使用指南178

861CFD模擬的精度分析179

862湍流模型使用建議181

863近壁面模型處理189

864多相流模型使用指南191

865燃燒模型使用指南192

866旋轉機械仿真指南194

參考文獻197

第九章套用舉例198

91單相流數值模擬198

911厚翅片管內流體流動與傳熱的數值分析198

912螺旋內翅片管內充分發展流體流動與傳熱的數值分析199

913蓄熱器蓄熱放熱過程201

914危險化學品泄漏事故應急反應的重氣擴散數值模擬203

92多相流部分207

921文氏嘴結構對金屬濾管脈衝反吹過程流動特性影響207

922降膜結晶209

923部分熔融（發汗）過程的數值模擬212

924超重力旋轉床中水脫氧過程的模型化研究215

925三維氣力輸送217

93化學反應和燃燒219

931湍流化學反應的分形數值模擬219

932旋轉填充床內的微觀混合研究220

94結語221

參考文獻222